Лабораторная работа № 1 внешНий фотоэффект

Цель работы:изучение законов внешнего фотоэффекта; исследование вольтамперных характеристик вакуумного фотоэлемента; определение пос­тоянной Планка.

Основные теоретические положения

Свет имеет двойственную корпускулярно-волновую природу: он обладает волновыми свойствами, проявляющимися в интерференции, дифракции, поляризации, и корпускулярными, то есть представляет собой поток фотонов, движущихся в вакууме со скоростью . Энергия фотона и его импульс для соответствующей электромагнитной волны частотыи длиной волныравны:

,, (1.1)

где – постоянная Планка.

Фотоэлектрическим эффектом или фотоэффектом называется процесс взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, в результате которого энергия фотонов передается электронам вещества. Для конденсированных систем, в частности, твердых тел, различают внешний фотоэффект, при котором поглощение фотонов сопровождается вылетом электронов за пределы тела, и внутренний фотоэффект, при котором электроны, оставаясь в кристалле, изменяют свое энергетическое состояние.

Д

Рис. 1.1. Схема эксперимента (а) и ВАХ (б) фотоэффекта.

ля наблюдения внешнего фотоэффекта используется классическая схема: облучаемый светом катод – анод – внешняя цепь (рис. 1.1,а).

Электроны, вылетающие из катода, называются фотоэлектронами; во внешней цепи они создают фототок, возникающий при создании между катодом и анодом разности потенциалов U.

Так как эмиссионная способность катода ограничена, то при некотором значении Uфототок достигает значения насыщения, при котором все фотоэлектроны, покидающие катод, достигают анода (рис. 1.1,б).

Зависимость величины фототока насыщения от освещенности катода подчиняется закону Столетова: при неизменном спектральном составе света, падающего на фотокатод, фототок насыщения пропорционален освещенности катода:.

Так как фотоэлектроны вылетают с катода с некоторой отличной от нуля скоростью, то при ток не прекращается, и чтобы ток стал равен нулю, необходимо между катодом и анодом создать задерживающую разность потенциалов, величину которой можно определить из соотношения:

, (1.2)

где – максимальная начальная скорость фотоэлектронов.

Из закона сохранения энергии следует уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта: энергия кванта расходуется на выход фотоэлектрона из катода и сообщение ему кинетической энергии:

, (1.3)

где – работа выхода электрона из катода.

Если , то уравнение (1.3) определяет минимальную энергию кванта, при которой возможен фотоэффект. Длина волныназывается кра­с­ной границей фотоэффекта,исвязаны с работой выхода электрона из металла следующим образом:

, ,. (1.4)

Объединяя уравнения (1.2) и (1.3), получим зависимость задерживающего потенциала от частоты падающего света

(1.5)

Эта зависимость имеет вид прямой (рис. 1.2).

При (точка пересечения прямой с осью абсцисс) значение частоты соответствует красной границе фотоэффекта. При, откуда работа выхода

. (1.6)

Угловой коэффициент прямой (1.5):

(1.7)

определяется только постоянной Планка и зарядом электрона.