Изучение внешнего фотоэффекта

Цель работы: изучение вольтамперной характеристики вакуумного фотоэлемента; проверка справедливости первого закона фотоэффекта.

Приборы и принадлежности: установка для изучения вакуумного фотоэлемента, микроамперметр М95, вольтметр, выпрямитель на 250 В, реостат.

Литература: [1], § 202 – 204; [2], § 68; [3], § 56; [4], § 35 –37; [5], § 357.

 

В в е д е н и е

Поглощение света веществом часто сопровождается электрическими явлениями, которые называются фотоэффектом. При внешнем фотоэффекте электроны вылетают через поверхность освещенного тела; при внутреннем фотоэффекте увеличивается концентрация носителей тока внутри тела.

Для внешнего фотоэффекта установлены следующие основные закономерности:

1. Количество электронов, вылетающих из поверхности металла за единицу времени, пропорционально световому потоку, падающему на эту поверхность, при неизменном его спектральном составе.

2. При освещении монохроматическим светом скорости фотоэлектронов различны. Максимальная скорость фотоэлектронов не зависит от светового потока, а зависит для данного вещества лишь от частоты света. Эта зависимость линейная.

3. Для каждого вещества существует определенная частота света ν _кр, ниже которой фотоэффект не происходит. Эта частота (или длина волны) называется красной границей фотоэффекта.

4. Внешний фотоэффект имеет очень низкую инерционность.

Классическая электродинамика, которая рассматривает свет как электромагнитные волны, не может объяснить всех закономерностей фотоэффекта. Сущность его вскрывается квантовой теорией излучения. Согласно теории Эйнштейна свет представляет собой поток корпускул (фотонов), энергия которых пропорциональна частоте ν: E = hν, где h – постоянная Планка. Фотон при взаимодействии с электроном в поверхностном слое металла передает ему всю свою энергию. Часть этой энергии, равная работе выхода (А), затрачивается на то, чтобы электрон мог покинуть металл. Другая часть энергии (W)вследствие случайных столкновений электрона внутри металла теряется. Оставшаяся часть энергии образует кинетическую энергию фотоэлектрона. Если взаимодействие фотона с электроном происходит у самой поверхности металла, то W = 0, и скорость фотоэлектрона максимальна (υ _m). В этом случае справедливо соотношение

 

hν =mυ _m²/2 + A. (1)

 

Квантовая теория излучения объясняет все закономерности фотоэффекта. Действительно, с ростом светового потока пропорционально растет число фотонов, падающих на поверхность металла за единицу времени. Соответственно растет число вырванных фотоэлектронов. Из уравнения Эйнштейна (1) следует, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от светового потока, но линейно зависит от частоты излучения:

 

mυ _m²/2 = hν - A. (2)

 

При уменьшении частоты света максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается и при hν = A становится равной нулю. При частоте фотоэффект происходить не может.

Внешний фотоэффект используется в вакуумных и газонаполненных фотоэлементах.

В данной работе используется фотоумножитель ФЭУ–1, работающий в режиме простого вакуумного фотоэлемента (для этого разность потенциалов создается между катодом и анодом фотоумножителя, третий электрод – эмиттер – в схему не включается). Фотоумножитель представляет собой стеклянный откачанный до глубокого вакуума сферический баллон, в нижней части которого расположен анод. На одну половину внутренней поверхности нанесен тонкий слой сурьмы, а затем тонкий слой цезия путем последовательной конденсации паров этих металлов в вакууме. Образующееся соединение сурьмы и цезия Cs₃Sb служит катодом фотоэлемента. Красная граница фотоэффекта для этого фотокатода находится в видимой части спектра. Электрические выводы от катода и анода впаяны в нижнюю часть баллона и вмонтированы в его цоколь.

 

Измерения и обработка результатов

Упражнение 1. Изучение вольтамперных характеристик фотоэлемента при различных световых потоках.

Для исследования вольтамперных характеристик фотоэлемента соберите установку в соответствии со схемой, приведенной на рис. 1. Подключите лампу накаливания к источнику переменного напряжения 6,3 В.

 

Рис. 1

 

Исследуйте зависимость фототока i от напряжения U на фотоэлементе в интервале от 0 до 60 В (по точкам через 5 В) при четырех различных значениях расстояния между фотоэлементом и источником света. Полученные результаты сведите в таблицу:

 

U, B	i, мкА при различных r:
0,30 м	0,35 м	0,40 м	0,45 м

 

Постройте (на одной плоскости) графики зависимости i от U при различных r.

ВНИМАНИЕ! Наличие высокого напряжения на выходных клеммах выпрямителя исключает возможность каких–либо переключений или проверок контактов в схеме при включенном выпрямителе. При всех недоразумениях следует немедленно выключить выпрямитель и обратиться за разъяснениями к дежурному лаборанту или преподавателю.

Упражнение 2. Изучение зависимости фототока насыщения от светового потока, падающего на катод.

При достаточно большом напряжении U между катодом и анодом фотоэлемента все электроны, освобожденные светом, увлекаются электрическим полем и достигают анода. В этом случае ток через фотоэлемент не зависит от U (испытывает насыщение). При этом сила тока насыщения определяется числом электронов, выходящих из катода за единицу времени. Действительно, по определению сила тока есть величина, равная заряду, проходящему через сечение проводника за единицу времени: Если за время t из катода фотоэлемента выходят N электронов, то q = Ne (e – заряд электрона) и Согласно первому закону фотоэффекта количество n электронов, вырываемых светом за единицу времени, пропорционально световому потоку Φ, падающему на катод. Следовательно, должна иметь место закономерность: ~ Φ.

Цель данного упражнения – проверить, соответствуют ли экспериментальные результаты, полученные в упражнении 1, этой закономерности. По результатам исследования вольтамперных характеристик фотоэлемента, проведенного в упражнении 1, определите величину фототока насыщения при расстояниях r между фотоэлементом и источником света, равных 30, 35, 40 и 45 см. Согласно известному закону фотометрии освещенность Е катода обратно пропорциональна квадрату r:

Здесь I – сила света источника, а α – угол падения лучей на поверхность катода фотоэлемента. На элемент поверхности катода dS падает световой поток dΦ = EdS, пропорциональный 1/ r². Следовательно, и полный световой поток, падающий на катод фотоэлемента, пропорционален 1/ r².

Постройте график зависимости фототока насыщения от 1/ r², который, как следует из сказанного выше, отражает зависимость фототока насыщения от светового потока. Данные для графика сведите в таблицу:

 

r	1/ r 2	iн

 

Какой вывод следует из полученного графика? Соответствуют ли экспериментальные результаты первому закону фотоэффекта?

 

Контрольные вопросы

 

1. В чем состоит явление фотоэффекта?

2. Какие закономерности внешнего фотоэффекта были установлены на основе экспериментальных исследований?

3. Возможен ли фотоэффект с точки зрения волновой теории света? Какие закономерности фотоэффекта классическая электродинамика не может объяснить? В чем состоят ее затруднения?

4. Сформулируйте основные положения квантовой теории фотоэффекта. Следствием какого фундаментального закона физики является уравнение Эйнштейна для фотоэффекта?

5. Почему фототок с ростом напряжения между катодом и анодом фотоэлемента испытывает насыщение?

6. Как можно экспериментально определить максимальную скорость и работу выхода фотоэлектронов из металла?

 

 

Лабораторная работа № 13