8.1. Схема для исследования внешнего фотоэффекта
Два электрода (катод К из исследуемого металла и анод А) в вакуумной трубке подключены к батарее так, что можно изменять не только значение, но и знак подаваемого на них напряжения. Ток, возникающий при освещении катода монохроматическим светом (через кварцевое окошко) измеряется включенным в цепь миллиамперметром (Рис. 1).
Зависимость
фототока электронов
,
испускаемых катодом под действием
света, от напряжения
между катодом и анодом называется
вольт-амперной
характеристикой фотоэффекта.
При описании внешнего фотоэффекта используется следующая терминология. Свободные электроны, вышедшие под действием светового излучения из кристаллической решётки твердого тела в вакуум, называются фотоэлектронами, а электрод, из которого они выходят фотокатодом. Если рядом с фотокатодом поместить другой электрод (анод), к которому приложен положительный потенциал, то во внешней цепи потечёт электрический ток. Существуют более сложные вакуумные приборы, использующие фотокатоды в качестве источника свободных электронов. К ним относятся фототриоды, фотоэлектронные коммутаторы, фотоэлектронные умножители, электронно-оптические преобразователи.
Рис. 8.1.
Электроны, выбитые с катода (фотоэлектроны), будут ускоряться, если на анод А подать положительный потенциал, а на катод К отрицательный. При изменении полярности электроны будут тормозиться электрическим полем. В первом случае электрическое поле называется ускоряющим, во втором задерживающим.
Рассмотрим вольтамперные характеристики вакуумного фотоэлемента снятые при облучении монохроматическим светом при различных интенсивностях (рис. 2а) и при одинаковой интенсивности, но с разной частотой (рис. 2б).
1.
Анализ этих кривых (рис. 2а) показывает,
что при одинаковой частоте или неизменном
частотном составе света в ускоряющем
поле (
> 0)
при некотором напряжении
фототок достигает насыщения:
где
- заряд электрона,
- число электронов испускаемых катодом
в одну секунду. При увеличении светового
потока (
),
фототок (
)
увеличивается пропорционально увеличению
светового потока.
Таким
образом, при
все электроны, испущенные катодом,
попадают на анод. При этом оказывается,
что ток насыщения
пропорционален световому потоку
,
чем больше интенсивность падающего
света
или площадь светового пятна на катоде
фотоэлемента, тем больше ток насыщения
регистрирует миллиамперметр.
2.
При уменьшении ускоряющего поля (
< 
)
пологий ход вольтамперной характеристики
указывает на то, что электроны вылетают
из катода с различными скоростями. Доля
электронов, отвечающая силе тока
при напряжении
,
обладает скоростями, достаточными, для
того, чтобы долететь до анода
"самостоятельно". Дело в том, что
когда электроны покидает катод, в целом
катод заряжается положительно и это
электростатическое поле притягивает
выбитые электроны обратно.
Рис. 8.2.
В
тормозящем электрическом поле (
)
кинетическая энергия выбитых электронов
идёт на работу против сил электрического
поля. При некотором критическом напряжении
кинетическая энергия равна
,
(8.1)
т.е.
в этом случае электроны, вылетевшие
даже с максимальной скоростью
,
уже не могут преодолеть тормозящего
действия электрического поля. Поэтому,
при
фототок электронов становится равным
нулю
.
Таким образом, зная из эксперимента
,
можно определить максимальную скорость
фотоэлектронов вылетающий из катода.
3.
Из вольтамперной характеристики (рис.
2б) следует, что с увеличением частоты
света
растёт задерживающее напряжение
.
Если построит зависимость
,
то оказывается её можно экстраполировать
линейной зависимостью:
, (8.2)
где
,
- потенциал выхода электрона из металла.