3.2. Исследуемые закономерности

Для исследования внешнего фотоэффекта в работе используется вакуумный диод (фотоэлемент СЦВ-4), содержащий два металлических электрода (анод и катод) внутри стеклянной оболочки. При комнатной температуре в вакуумном промежутке между электродами содержится незначительное количество электронов, возникающее за счет эффекта термоэлектронной эмиссии металла. Освещение поверхности катода приводит к увеличению числа свободных электронов в этой области.

Зависимость силы тока Iот напряженияUна фотоэлементе имеет нелинейный характер. Причина нелинейности вольтамперной характеристикиI(U) – неоднородность распределения по скоростям вышедших из катода электронов вследствие их теплового движения. В случае отрицательной полярности подключения внешнего источника к электродам фотоэлемента с ростом напряженияUуменьшается доля электронов, имеющих кинетическую энергию, достаточную для достижения анода и, соответственно, уменьшается токI. При некотором значении обратного напряженияU = U_зполученной при фотоэлектронной эмиссии кинетической энергии электронов оказывается недостаточно, чтобы преодолеть тормозящее действие поля и сила тока, протекающего через фотоэлемент, обращается в ноль I(U_з) = 0. Это условие достигается при равенстве кинетической энергией фотоэлектрона изменению его потенциальной энергии при перемещении от катода к аноду:

. (3.7)

Запирающее напряжение U_зв эксперименте измеряется прямым методом и с точностью до постоянного множителяе(элементарный заряд) совпадает с кинетической энергией фотоэлектрона (3.7). Теория Эйнштейна (3.3) прогнозирует линейную зависимость запирающего напряжения от частотыэлектромагнитного излучения:

, (3.8)

где ₀ = A/h– минимальная частота излучения, при которой возможен выход электрона из исследуемого металла. Аппроксимация результатов измеренияU_з() линейной функцией (3.8) позволяет найти ее параметры (рис. 3.1): работу выхода электронаA, граничную частоту_и отношение константh/e.

Рис. 3.1. Зависимость запирающего напряжения на фотоэлементе от частоты электромагнитного излучения

Сила тока сквозной проводимости фотоэлемента при большом положительном напряжении определяется только током фотоэлектронной эмиссии, величина которого не зависит от приложенного напряжения (3.6) и представляет собой ток насыщения – асимптоту вольтамперной характеристикиI(U) фотоэлемента.

Рис. 3.2 Электрическая схема установки для исследования внешнего

фотоэффекта.

Электрическая схема экспериментальной установки представлена на рис. 3.2. Переключатель S3 предназначен для управления освещенностью Ф фотокатода. Он обеспечивает протекание тока разной величины в нити лампы накаливания Л1. С помощью переключателя S2 обеспечивается прямое или обратное подключение фотоэлемента ФЭ к источнику напряжения. Для изменения прямого и обратного напряжения между электродами ФЭ электрическая схема содержит, соответственно, потенциометры R1 и R2–R3. Сила тока сквозной электропроводности фотоэлемента измеряется микроамперметром PA, а напряжение между его электродами контролируется вольтметром PU.