2. Експериментальна частина

Залежність I f U – сили фотоструму I від напруги U між катодом і

анодом фотоелемента – називають вольт-амперною характеристикою (ВАХ)

фотоелемента. Загальний вигляд ВАХ фотоелемента показано на рисунку 32.2. Область U 0 на вольт-амперній характеристиці відповідає прямому включен-ню фотоелемента у коло. При прямому включенні потенціал анода має бути до-датним відносно фотокатода, як показано на рисунку 32.1, а електричне поле у просторі між електродами примушує фотоелектрони рухатись від фотокатода

15

Кафедра інформаційно-вимірювальних технологій, метрології та фізики

Фізика атома, атомного ядра та фізика твердого тіла

до анода (колектора електронів) – у колі виникає фотострум. При збільшенні U сила фотоструму монотонно зростає, прямуючи до певного максимального зна-чення I_н – фотоструму насичення, яке залежить від інтенсивності світла, що

падає на фотокатод.

При зміні полярності включення фотоелемента (зворотне включення) електричне поле між катодом і анодом буде гальмувати рух фотоелектронів. При поступовому збільшенні зворотної напруги деякі фотоелектрони втрачають можливість досягти анода і повертаються до катода, внаслідок чого спостеріга-ється поступове зменшення сили фотоструму до повного його припинення при деякій величині U _з , яка називається затримуючою напругою. На вольт-

	амперній		характеристиці
	зворотному включенню фо-
	тоелемента у коло відпові-
	дає область U			0 . Існуван-
	ня	фотоструму		при U	0
	свідчить про те, що елект-
	рони вилітають			з поверхні
	фотокатода з різними поча-
	тковими швидкостями (різ-
	ними значеннями початко-
	вої кінетичної енергії).
Рисунок 32.2 – Загальний вигляд вольт-амперної		Робота електричного
	поля при переміщенні елек-
характеристики фотоелемента
	трона від катода до анода
	W	eU	витрачається		на

зменшення кінетичної енергії електрона. Тому максимальна початкова швид-кість v_max фотоелектронів пов’язана з величиною затримуючої напруги спів-

відношенням:

		mv2
eU	з	max	,	(32.3)
		2

де e і m – заряд і маса електрона. Враховуючи (32.3), рівняння (32.1) можна подати у вигляді:

hAвих eUз .

(32.4)

Отже, при експериментальному дослідженні фотоефекту визначення мак-симальної кінетичної енергії фотоелектронів зводиться до вимірювання відпо-відної затримуючої різниці потенціалів U _з . У цьому полягає суть методу за-

тримуючої напруги. Рівняння (32.4) дозволяє за відомими частотою ν монохро-матичного світла та затримуючою напругою U _з визначити роботу виходу елек-

тронів для даного матеріалу.

Рівняння (32.4) можна також застосувати і для визначення сталої Планка. Але у тих випадках, коли робота виходу відома не достатньо точно або взагалі

16

Кафедра інформаційно-вимірювальних технологій, метрології та фізики

Фізика атома, атомного ядра та фізика твердого тіла

не відома, виконують вимірювання затримуючої напруги для двох відомих час-тот монохроматичного світла. Далі, записавши рівняння (32.4) для двох різних частот ν₁ і ν₂

^h 1 ^Aвих ^eU1 ^{та h} 2 ^Aвих ^eU2

і вилучаючи з цих рівнянь A_вих , одержимо формулу для визначення сталої Пла-нка:

h	e (U1	U 2 )		e (U1 U2 ) 1 2	,	(32.5)
	1	2		c ( 21 )

де U₁ і U ₂ – затримуючі напруги при освітленні фотокатода світлом з частотою

ν₁ і ν₂ відповідно.

У даній лабораторній роботі для фотое-лектричних вимірювань використовується серійний вакуумний фотоелемент СЦВ–4, виготовлений у вигляді скляного балона, всередині якого розміщені фотокатод та ко-лектор електронів (рисунок 32.3). Фотокатод являє собою тонкі шари сурми та цезію, на-несені на одну з половин внутрішньої повер-хні скляного балона. Сурм’яно-цезієві фото-катоди чутливі до ультрафіолетової та части-ни видимої області спектра (~ до 600 нм). Металевий анод фотоелемента розташований

Рисунок 32.3 – Будова вакуумного у центральній частині скляного балона. Елек-^{фотоелемента} тричні контакти вмонтовані у цоколь фотое-лемента. Світло від лампи розжарення освіт-

лювача проходить крізь оптичний фільтр з відомою (ефективною) довжиною хвилі і падає на фотокатод. Фотострум, що виникає у колі фотоелемента, конт-ролюється по шкалі гальванометра G . Різниця потенціалів між катодом і ано-дом фотоелемента відповідає зворотному включенню і може плавно регулюва-тися.