ИЗУЧЕНИЕ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА
И ВАКУУМНЫХ ФОТОЭЛЕМЕНТОВ
Выполнил студент гр. ЗСу-116
Алферова Т.Д.
К работе допущен
Работу выполнил
Работу сдал
Владимир 2017
Цель работы: изучение вольт-амперных и световых характери-стик вакуумных фотоэлементов.
Приборы и оборудование: фотоэлемент,микроамперметр,вольтметр, реостат, источник питания, регулируемый осветитель.
Теоретическая часть
Внешним фотоэффектом называется испускание электронов ве-ществом под действием света.
Опытным путем установлены следующие основные законы фо-тоэффекта:
1.Максимальная начальная скорость фотоэлектронов определя-ется частотой света и не зависит от его интенсивности.
2.Для каждого вещества существует красная граница фотоэф-фекта, т.е. характерная минимальная частота света ω0 (или максимальная длина волны λ0), при которой еще возможен фо-тоэффект.
3.Количество испускаемых с катода электронов пропорцио-нально интенсивности светового излучения (фототок насыще-ния пропорционален энергетической освещенности Е катода).
При объяснении первого и второго законов встретились серьез-ные трудности. Согласно электромагнитной теории вырывание сво-бодных электронов из металла должно являться результатом их “рас-качивания” в электрическом поле световой волны. Однако в этом случае непонятно, почему максимальная начальная скорость и кине-тическая энергия вылетающих фотоэлектронов зависят от частоты света, а не от амплитуды колебаний вектора напряженности электри-ческого поля и связанной с ней интенсивностью волны. Эти факты вызывали сомнения в универсальной применимости волновой теории света.
Законы фотоэффекта находят свое объяснение в рамках кванто-вой теории, согласно которой электромагнитное поле квантуется, т.е. может быть представлено как совокупность дискретных частиц – квантов электромагнитного поля – фотонов. Эти кванты могут по-
| Рис. 1 |
глощаться или испускаться только как неделимое целое. Энергетиче-ский баланс при фотоэффекте выражается уравнением Эйнштейна
| ω = А + | mυ 2 | |
| max | , | |
где ω – энергия светового кванта, переданная электрону. Если эта энергия превышает энергию, необходимую для разрыва связи элек-трона с данным веществом (работу выхода А), то электрон покидает поверхность вещества, обладая кинетической энергией, максимально возможное значение которой определяется из уравнения Эйнштейна.
Таким образом, внешний фотоэффект возможен только в том случае, когда энергия фотона ω больше или, в крайнем случае, рав-на работе выхода А. Следовательно, соответствующая красной грани-це фотоэффекта частота равна ω0 = А 
. Она зависит только от рабо-
ты выхода электрона, т.е. от химической природы металла и состоя-ния его поверхности.
Внешний фотоэффект находит широкое практическое применение. Приборы, действие которых основано на явлении фотоэлектриче-ского эффекта, называются фотоэлементами. Простейший тип вакуумного фотоэлемента представлен на рис. 1
Это откачанный стеклянный баллон, одна половина которого покрыта изнутри металлом, играющим роль фотокатода. Анод обычно вы-полняется в виде кольца. Между анодом и ка-
тодом с помощью батареи создается разность потенциалов. При неос-вещенном катоде ток в цепи фотоэлемента отсутствует. Чем больше световой поток Ф, т.е. больше фотонов падает на фотокатод, тем больше испускается электронов. Эти электроны захватываются ано-дом полностью только при достижении определенного напряжения U на фотоэлементе. При дальнейшем увеличении напряжения U ток в цепи практически не увеличивается, достигая насыщения. Ток насы-щения I н при постоянном световом потоке Ф и напряжении U увели-чивается при увеличении частоты света ω, начиная от пороговой красной границы ω0 до некоторого максимального значения ωн, а за-тем уменьшается. Последнее является следствием уменьшения веро-ятности процесса фотоэффекта.
Если изменить знак напряжения на фотоэлементе, то при дос-тижении определенного значения U зад можно добиться, что даже са-мые энергичные электроны не смогут преодолеть задерживающего поля, и фототок будет равен нулю (рис. 2).
Сила фототока насыще-ния пропорциональна свето-вому потоку I н = jФ. Коэф-фициент j – мера чувстви-тельности облучаемого уча-стка. Чувствительность зави-сит от спектрального состава излучения. Для многих ме-таллов явление фотоэффекта
Рис. 2 существует только в ультра-фиолетовой области спектра.
Для получения фотоэффекта в видимой части спектра пользуются щелочными и щелочноземельными металлами (натрий, калий, цезий, барий, рубидий и т.д.). Для ряда металлов, у которых красная граница лежит далеко в видимой части спектра, и которые, следовательно, чув-ствительны к широкому интервалу волн, наблюдается следующая осо-бенность: фотоэффект имеет резкий максимум для определенного спек-трального участка (селективный или избирательный фотоэффект). Чув-ствительность вакуумных фотоэлементов не превышает 150 мкА/ лм.
Экспериментальная установка
Экспериментальная установка состоит из регулируемого осветите-ля. Фотоэлемент размещен внутри установки. Схема включения фото-элемента и измерительных приборов приведена на рис. 3: ИП – источник регулируемого напряжения, V – вольтметр для измерения напряжения в цепи, А – микроамперметр для измерения фототока, ФЭ – фотоэлемент.
Рис. 3
Измерения
1. Снимите вольт-амперную характеристику фотоэлемента. Ус-тановите зависимость фототока от напряжения при нескольких посто-янных значениях светового потока (по указанию преподавателя). Данные внесите в таблицы.
Таблица 1
Ф1 = …лм
I,мкА
U,В
 | |
|
Таблица 2
Ф2 = …лм
I,мкА
U,В
| |
|
Постройте графики зависимостей I = f(U) по 10 – 12 точкам в одной системе координат (x = U (В), y = I (мкА)). Определите токи на-сыщения.
2. Снимите световые характеристики. Установите зависимость фототока от светового потока при нескольких постоянных значениях напряжения (по указанию преподавателя). Данные запишите в таблицы.
Таблица 3
U 1= …В
I,мкА
Ф, лм
| |
|
Таблица 4
U 2= …В
I,мкА
Ф, лм
| |
|
Постройте графики по 10 – 12 точкам в одной системе коорди-нат (x = Ф(лк), y = I (мкА)).