4. Изучение внешнего фотоэлектрического эффекта

4.1. Цель работы.

4.1.1. Изучение зависимости фототока от освещенности фотокатода.

4.1.2. Исследование зависимости силы фототока от величины приложенного к фотоэлементу напряжения. Снятие вольт- амперных характеристик фотоэлемента.

4.2. Краткие теоретические сведения.

4.2.1. Квантовая гипотеза Планка привела в дальнейшем к представлению о том, что свет испускается и поглощается отдельными порциями-квантами, и нашла свое подтверждение и дальнейшее развитие в ряде других явлений: фотоэлектрическом эффекте, химическом действии света, эффекте Комптона и т.д.

В явлении внешнего фотоэлектрического эффекта отчетливо проявляются квантовые свойства света. Явление вырывания электронов из твердых и жидких веществ под действием света получило название внешнего фотоэлектрического эффекта (внешнего фотоэффекта). Ионизация атомов или молекул газа под действием света называется фотоионизацией. Экспериментальные исследования внешнего фотоэффекта у металлов показали, что это явление зависит от химической природы металла и существенно влияет на эмиссию электронов под действием света.

Если обучаемым телом и некоторым проводником (анодом) создать электрическое поле с разностью потенциалов φ, ускоряющее фотоэлектроны, то возникает упорядоченное движение этих электронов, называемое фотоэлектрическим током (фототоком). При некотором значении φ>0 фототок достигает насыщения (I=I_н), когда все электроны, покидающие обучаемое тело (катод), достигают анода. Для прекращения фототока между анодом и катодом необходимо создать задерживающее поле с разностью потенциалов φ₁, равной

φ_{1 =}

e – абсолютная величина заряда электрона, W_кmax – максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов.

Из закона сохранения энергии следует уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта:

hν=A+W_кэ (4.1)

А=с φ_о

А – работа выхода электрона из облучаемого вещества, φ_о - потенциал выхода, hν – энергия фотона

Величины A и φ₀ зависят от начального энергетического состояния фотоэлектрона.

Внешний фотоэффект возможен при частоте излучения ν =A/h. Частота ν₀.=А/h и соответствующая длина волны называются красной границей фотоэффекта.

Из уравнения (4.1) вытекают законы внешнего фотоэффекта, открытые и исследованные экспериментально А.Г. Столетовым.

Первый закон. Скорость фотоэлектронов является функцией частоты. С увеличением частоты скорость возрастает. Если частота ν света такова, что hν<А, то электроны из металла вылетать не будут. Частота ν₀, начиная с которой прекращается вылет фотоэлектронов, определяет порог фотоэффекта и называется красной границей фотоэффекта.

Второй закон. Скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности излучения.

Третий закон. Число фотоэлектронов вылетающих в единицу времени с единицы поверхности при данной длине волны излучения, пропорционально интенсивности излучения.

Четвертый закон. Число фотоэлектронов, вылетающих, в единицу времени с единицы поверхности при постоянной интенсивности (т.е. при постоянном числе падающих фототоков), увеличивается с увеличением частоты.

Фотоэлектрический ток насыщения для данного катода прямо пропорционален мощности излучения, поглощаемого катодом, если спектральный состав излучения неизменен:

I_н= k ф

k – фоточувствительность катода.

В настоящее время в науке и технике широкое применение получили фотоэлементы – приборы, в основе действия которых лежит явление фотоэффекта (схемы управления и сигнализации, техника кино и телевидения и т.д.).