МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра физики

отчет

по лабораторной работе №12

по дисциплине «Физика»

Тема: ИССЛЕДОВАНИЕ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА

Студент гр. 9502		Позняк В.Ю.
Преподаватель		Черемухина И. А.

Санкт-Петербург

2020

Цель работы: исследование закономерностей эффекта фотоэлектронной

эмиссии (внешнего фотоэффекта); измерение работы выхода электрона и

красной границы эффекта для материала фотокатода.

Схема установки: электрическая схема установки представлена на рис. 12.1. Переключатель S₃ предназначен для управления освещенностью  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 фототока фотоэлемента измеряется микроамперметром РА, а напряжение между его электродами контролируется вольтметром PU .

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 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 I от напряжения U на фотоэлементе имеет нелинейный характер. Причина нелинейности вольтамперной характеристики I(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 напряжения U уменьшается доля электронов, имеющих кинетическую энергию, достаточную для достижения анода, и уменьшается ток I. При некотором значении обратного напряжения U=U_з полученной 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. Запирающее напряжение U_з в опыте измеряется прямым методом и с точностью до постоянного множителя e (элементарный заряд) совпадает с кинетической энергией фотоэлектрона, если она измеряется в электрон-вольтах.

Теория Эйнштейна (11.1) прогнозирует линейную зависимость запирающего напряжения от частоты электромагнитного излучения

где ν₀ = A/h – минимальная частота излучения, при которой возможен выход электрона из исследуемого металла. Аппроксимация результатов измерения Uз (ν) линейной функцией позволяет найти ее параметры (рис.12.2): граничную частоту ν₀, работу выхода A = hν₀ и отношение констант a=h/e .

Фототок зависит от освещенности E катода установки, которая определяется как количество энергии, падающее на единицу площади S поверхности в единицу времени. Если на катод в единицу времени падает dN/dt фотонов, то

При некотором значении напряжения U между катодом и анодом фотоэлемента величина фототока перестает зависеть от напряжения и представляет собой ток насыщения I_н – асимптоту вольтамперной характеристики I(U) фотоэлемента. Ток насыщения I_н пропорционален потоку  излучения, падающего на поверхность металла и согласно (10.2) равен

где ko=eη/hv,  = dW/dt – поток излучения источника, падающий на фотокатод. Соотношение (12.6) известно как закон Столетова. Если учесть, что  = ES , где E – освещенность катода, S – его площадь, то закон Столетова можно записать в виде