Методика измерений и обработка результатов

Вопросы для допуска к лабораторной работе

1. В чем заключается явление внешнего фотоэффекта?

2. Сформулируйте экспериментально установленные основные законы внешнего фотоэффекта.

3. Что такое красная граница фотоэффекта?

4. Что такое задерживающая разность потенциалов? От чего она зависит?

5. Что такое световая характеристика фотоэлемента?

6. Какой оптический элемент называют светофильтром?

7. Назовите основные характеристики светофильтров.

Основные понятия и соотношения

Действие света на вещество состоит в сообщении светом веществу энергии, приносимой световой электромагнитной волной. Эта энергия частично превращается в тепло, повышая температуру поглощающего свет тела, частично же переходит в другие виды энергии, вызывая тем самым ряд разнообразных явлений. Действие света на вещество может быть механическим — давление света на тело, химическим — возбуждение различных химических реакций (примером может служить фотосинтез в листьях растений).

Оно может приводить к рассеянию света и люминесценции — свечению тела, продолжающемуся спустя некоторое время после облучения тела светом. Наконец, под действием света в веществе могут возникать фотоэлектрические явления, суть которых состоит в том, что входящие в состав вещества электроны, получив энергию от электромагнитной волны, каким-либо образом изменяют свое состояние.

Из всего многообразия фотоэлектрических явлений более подробно остановимся на фотоэлектрическом эффекте (фотоэффекте). Различают внешний и внутренний фотоэффекты. Внешний фотоэффект (фотоэлектронная эмиссия) представляет собой испускание с поверхности твердых или жидких тел электронов под действием световой волны. Обнаруживается и измеряется внешний фотоэффект по фототоку — току электронов, выходящих из облучаемого светом вещества в другую среду (обычно в вакуум).

Изучение внешнего фотоэффекта производится обычно при помощи прибора, принципиальная схема которого изображена на рис. 1.

В запаянном стеклянном сосуде, в котором создан высокий вакуум, находятся два электрода: катод (в этом случае называемый также фотокатодом) и анод. Между катодом и анодом создается разность потенциалов, величину которой можно изменять с помощью потенциометра и измерять вольтметром. Меняя подключение полюсов источника эдс, можно изменять полярность электродов. Свет падает на катод через кварцевое окно в сосуде. Вылетающие из катода электроны, попадая на анод, создают в цепи ток (этот ток часто называют фототоком). Сила тока /_ф измеряется гальванометром.

Типичная зависимость силы тока I_ф от напряжения U при неизменной интенсивности падающего на катод света с данной длиной волны — вольт-амперная характеристика — изображена на рис. 2.

При положительном потенциале анода и отрицательном — катода сила фототока растет от значения (при I = 0) до некоторой постоянной величины /_фн - тока насыщения. Наличие тока насыщения объясняется тем, что под действием света электроны вылетают из катода по различным направлениям и при малых напряжениях между анодом и катодом не все электроны попадают на анод. При достаточно большом положительном напряжении на анод попадают все электроны, вылетающие из катода, поэтому дальнейшее увеличение напряжения Vк росту тока не приводит. При создании между катодом и анодом тормозящего поля (на аноде отрицательный потенциал, а на катоде — положительный) сила фототока спадает до нуля, когда величина напряжения между катодом и анодом достигает некоторого значения U_з, при котором задерживаются все электроны, вылетающие из катода. Величина определяется максимальной скоростью υ_макс, которую могут иметь электроны, покидая катод. Согласно закону сохранения энергии, где т — его масса электрона, е — модуль заряда электрона.

Экспериментально было установлено:

1. Фотоэффект практически безынерционен: промежуток времени от начала освещения до момента возникновения тока определяется временем пролета электронов от катода к аноду (меньше 10^-9 с).

2. Ток насыщения I _н и, следовательно, число электронов, вылетающих из катода в единицу времени, пропорциональны интенсивности падающего на катод света (закон Столетова).

3. Величина задерживающего напряжения и, следовательно, максимальная кинетическая энергия покидающих катод электронов растут линейно при возрастании частоты со падающего на катод света, но не зависят от интенсивности света.

4. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта - минимальная частота — (или соответствующая ей длина волны ) такая, что свет меньшей частоты (большей длины волны) вызвать фотоэффект не может.

Волновая теория света не объясняет законы фотоэффекта. С точки зрения волновой теории энергия, приобретаемая электроном при фотоэффекте, должна определяться интенсивностью света. Интенсивность же пропорциональна квадрату амплитуды световой волны и никак не связана с ее частотой. Поэтому волновая теория не может объяснить зависимость задерживающего напряжения от частоты и независимость его от интенсивности света. Чтобы покинуть поверхность какого-либо тела, электрон должен получить некоторое количество энергии, превышающее так называемую работу выхода А_шх. Можно подсчитать поток энергии, который приходится на один электрон поверхностного слоя тела, когда на это тело падает световая волна с минимальной интенсивностью, при которой фотоэффект наблюдается на опыте. Оказывается, что в этом случае волна может сообщить электрону энергию, равную Л_ВЬ1Х, лишь за время порядка десятков минут. Следовательно, ток при фотоэффекте должен бы, вопреки опытным данным, достигать предельной величины не сразу после начала освещения, а с большим запаздыванием, зависящим от интенсивности света. Не находит объяснения также и существование красной границы фотоэффекта.

Объяснение всех законов фотоэффекта оказалось возможным лишь в рамках квантовой теории. Эйнштейн дополнил гипотезу Планка о том, что свет испускается квантами, предположив, что испущенный источником света квант распространяется со скоростью света как нечто целое и поглощается также целиком. Квант света получил название фотон. Его энергия , где h = 6,626 10^-34 Дж·с - постоянная Планка; ν - частота электромагнитного излучения.

При поглощении фотона электрон может получить квант энергии, , — ни больше, ни меньше. Из закона сохранения энергии следует, что поглощенная электроном энергия расходуется на совершение работы выхода и на приобретение электроном кинетической энергии:

Сюда входит максимальная кинетическая энергия вылетевших из поверхности катода электронов, поскольку свет может высвобождать электроны не только с самой поверхности, но и из более глубоких слоев катода. Последние могут растратить часть своей энергии на столкновение с частицами вещества при своем движении к поверхности. Уравнение (3) называется уравнением Эйнштейна для фотоэффекта.

=eU

С точки зрения квантовой теории легко объяснить все законы фотоэффекта. Если учесть, что

eU=

то записать можно в виде, или

следовательно, задерживающее напряжение U является линейной функции частоты света.

Ясно также, что при энергии кванта недостаточно для совершения работы выхода (кинетическая энергия не может быть отрицательной). Поэтому, если частота падающего света меньше величины , длина волны то фотоэффект на возникает. Опыт хорошо подтверждает связь между работой выхода и красной границей фотоэффекта. Закон Столетова объясняется следующим образом. Согласно представлению о квантах интенсивность света равна , где п — число квантов, проходящих в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения света. Число же вылетевших с поверхности катода электронов, определяющее силу тока насыщения, пропорционально числу падающих на катод квантов. Объясняется и безынерционность: как только появляются кванты с необходимой энергией, сразу же появляются и выбитые ими электроны.

Методика измерений и обработка результатов

В данной работе явление внешнего фотоэффекта изучается с помощью промышленного фотоэлемента СЦВ–3. Этот фотоэлемент представляет собой герметически закрытый стеклянный сферический баллон, из которого выкачан воздух. На одну половину внутренней поверхности баллона нанесен тонкий слой соединения Cs₃Sb. Этот слой и служит фотокатодом (К), обладающим малой работой выхода для электронов и, следовательно, красной границей фотоэффекта, находящейся в видимой части спектра. Металлический анод (А) фотоэлемента имеет форму сферы и расположен в центральной части баллона.

Простейшая схема включения фотоэлемента приведена на рис. 2. При освещении фотокатода в цепи фотоэлемента возникает электрический ток, который можно измерить миллиамперметром (мА). Напряжение U между анодом и катодом измеряется вольтметром (V) и может изменяться потенциометром R.

Общий вид лабораторной установки приведен на рис.3.

Основными характеристиками фотоэлемента являются световая и вольтамперная характеристики.

Рис.3

Световой характеристикой называется зависимость фототока от величины светового потока при постоянном напряжении на электродах фотоэлемента.

Световая характеристика снимается при напряжении , соответствующем фототоку насыщения. При постоянном величина фототока должна быть прямо пропорциональна потоку световой энергии , падающему на катод

, (5)

где - интегральная чувствительность фотоэлемента. Интегральная чувствительность фотоэлемента это величина фототока, который дает фотоэлемент при освещении его белым светом при световом потоке в 1 лм; размерность - .