Отчеты по лабам Оптика 2011-2012 КИ МГОУ

ИЗУЧЕНИЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА: ПОСТРОЕНИЕ ВОЛЬТАМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ФОТОЭЛЕМЕНТА

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ

ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

№3.8

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение внешнего фотоэлектрического эффекта на примере вакуумного фотоэлемента СЦВ-3: снятие его вольтамперной характеристики и знакомство с понятием «квантовый выход» фотоэлектронной эмиссии.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ, применяемые в работе

Вакуумный фотоэлемент СЦВ-3, лампочка накаливания, оптическая скамья с измерительной шкалой, электрическая установка; персональный компьютер Р III, математическое обеспечение работы, принтер HP-1000.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ

Отрыв электронов от атомов под действием фотонов называется фотоэлектрическим эффектом, или фотоэффектом. Это одно из явлений, в

котором обнаруживаются корпускулярные свойства света. Различают два вида фотоэффекта: внешний и внутренний. В свою очередь внутренний фотоэффект подразделяют на явление фотопроводимости и вентильный фотоэффект.

Впервые (1888-1890г.г.) внешний фотоэффект подробно исследовал А.Г.Столетов. Им были установлены следующие закономерности этого явления:

при неизменном спектральном составе света сила фототока насыщения прямо пропорциональна падающему на катод световому потоку;

21

начальная кинетическая энергия вырванных светом электронов линейно растет с ростом частоты света ν и не зависит от его интенсивности;

фотоэффект не возникает, если частота света ν меньше некоторой характерной для каждого вещества величины ν min , называемой «красной границей»;

фотоэффект безынерционен.

Каждый квант света, по Эйнштейну, поглощается только одним электроном, причем часть энергии падающего фотона тратится на совершение работы выхода электрона из металла; оставшаяся же часть сообщает электрону кинетическую энергию Tкин.

Фотоэффект в металлах может возникнуть только при h min A , в

противном случае энергия фотона будет недостаточной для вырывания электрона из металла. Наименьшая частота света min («красная граница»),

под действием которого происходит фотоэффект, определяется, очевидно, из условия h min A , откуда:

(1) min Ah

Частота света, определяемая условием (1), называется «красной границей» фотоэффекта. Слово «красная» не имеет никакого отношения к цвету света, при котором фотоэффект имеет место. В зависимости от рода металлов «красная граница» фотоэффекта может соответствовать красному,

желтому, фиолетовому, ультрафиолетовому свету и т. д.

Формула Эйнштейна для фотоэффекта в неметаллах имеет вид:

(2) h A A1 Tкин

Синонимом понятия «внешний фотоэффект» является термин

«фотоэлектронная эмиссия». Фотоэлектронная эмиссия – результат трех последовательных процессов:

a) поглощения фотона и появления в объеме тела электрона с высокой

(по сравнению со средней) энергией;

22

b)движения этого электрона к поверхности тела, что приводит к частичному рассеянию его энергии;

c)выхода этого электрона в другую среду через поверхность раздела.

Количественной характеристикой фотоэлектронной эмиссии является квантовый выход Y − число вылетевших электронов, приходящееся на один фотон, падающий на поверхность тела. Величина Y зависит от свойств тела,

состояния его поверхности и энергии фотонов.

В полупроводниках (ПП) и диэлектриках (ДЭ) порог фотоэмиссии определяется соотношением:

(3) h 0

где ε − ширина запрещенной зоны, χ − сродство к электрону.

Скорость рассеяния энергии и глубина, из которой фотоэлектроны могут выйти в вакуум, зависит от величины χ и соотношения χ и ε . Если χ > 2ε , то фотоэлектрон с начальной кинетической энергией, большей или равной χ ,

рождает электронно-дырочную пару.

Характерными значениями здесь следует считать величины:

23

Y (5 10 6 10 7 )A / B

Результаты экспериментальных данных

24

25

26