Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

им. В.И. Ульянова (Ленина)»

кафедра физики

Отчет по лабораторной работе № 12 «исследование внешнего фотоэффекта»

Выполнил:

Группа №

Преподаватель: Кузьмина Наталья Николаевна

Вопросы		Задачи ИДЗ					Даты коллоквиума		Итог

Санкт-Петербург, 2023

Лабораторная работа № 12 исследование внешнего фотоэффекта

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: исследование закономерностей эффекта фотоэлектронной

эмиссии (внешнего фотоэффекта); измерение работы выхода электрона и

красной границы эффекта для материала фотокатода.

СХЕМА И ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ:

Электрическая схема установки представлена ниже.

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 .

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ

1. Общие сведения

Фотоэлектронная эмиссия (внешний фотоэффект) – это поток электронов, который возникает при облучении светом поверхности металла.

Измерение силы тока, протекающего в этом промежутке при разной освещенности фотокатода, при разном спектральном составе излучения и т. д., составляет основу метода экспериментального исследования внешнего фотоэффекта.

В квантовой теории электромагнитное излучение представляют в виде потока фотонов.

• Скорость фотона

• Энергия фотона

• Импульс фотона

Процесс выхода электрона описывается законом сохранения энергии (уравнение Эйнштейна)

где – энергия падающего фотона, – работа выхода электрона из металла, идущая на преодоление потенциального барьера, удерживающего электрон внутри металла, – минимальная частота фотона, – кинетическая энергия вылетающего электрона, – запирающее напряжение.

Число эмитированных электронов в расчете на один фотон, падающий на поверхность тела, называется квантовым выходом η.

В результате количество вышедших электронов оказывается пропорционально количеству фотонов , падающих на поверхность металла в течение времени

2. Исследуемые закономерности

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 = U₃ полученной при фотоэлектронной эмиссии кинетической энергии электронов оказывается недостаточно, чтобы преодолеть тормозящее действие поля и сила тока, протекающего через фотоэлемент, обращается в ноль.

U₃ в опыте совпадает с кинетической энергией фотоэлектрона, если она измеряется в электрон-вольтах.

Теория Эйнштейна прогнозирует линейную зависимость запирающего напряжения от частоты v электромагнитного излучения

где – минимальная частота излучения, при которой возможен выход электрона из исследуемого металла.

Аппроксимация результатов измерения линейной функцией позволяет найти ее параметры:

• граничную частоту v₀

• работу выхода A=hv₀

• 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 фотонов, тo

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 U(I) фотоэлемента.

Ток насыщения I_н пропорционален потоку  излучения, падающего на поверхность металла и равен

где – поток излучения, падающий на фотокатод. Соотношение известно как закон Столетова.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

9. Запишите и объясните уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

21. Что такое фотопроводимость? Единицы измерения фотопроводимости.