Квант оптика

χ, а именно χ < ∆E , обеспечивает отсутствие энергетических потерь фотоэлектронов на ударную ионизацию. Это обусловливает сравнительно большую глубину выхода электронов - (1 - 2)·10-6 см, определяемую лишь взаимодействием электронов с фононами и рассеянием энергии на дефектах кристаллической решетки. В максимуме спектральной характеристики (при λ = 420 -450 нм) квантовый выход фотоэмиссии достигает величины 0,25 электрон/фотон.

Задание №1.

5.1. Регистрация вольтамперных характеристик фотоэлемента в режиме ускоряющего потенциала.

Измерения вольтамперных характеристик фотоэлемента следует провести для трех различных участков спектра видимого излучения, используя или лампу накаливания, или ртутную лампу. В случае ртутной лампы обеспечивается сравнительно хорошая монохроматичность излучения (ширина линии ∆λ ≈ 10 Å), но дуговой разряд в этой лампе не стабилен во времени, что затрудняет проведение измерений. В случае лампы накаливания обеспечивается высокая стабильность интенсивности излучения, но для нее характерна большая ширина спектра излучения, поступающего на фотоэлемент. При использовании ртутной лампы в качестве реперных точек следует использовать спектральные линии со следующими длинами волн:

1.Перед началом работы ознакомиться с описаниями используемых приборов и инструкцией по их эксплуатации: прибора комбинированного Щ- 300, прибора комбинированный Щ-4300, источника питания постоянного тока Б5-50, источник питания постоянного тока Б5-43.

2.Установите переключатель блоков питания (7) в разомкнутое положе-

ние.

2.Включите блоки питания и измерительные приборы тумблерами «Сеть» для не менее чем трёх минутного прогрева.

3.Проверьте установку режимов работы комбинированного прибора Щ-

51

Должно быть установлено:

Режим работы – измерение постоянного тока Диапазон измерения – 100 нА

5.После не менее чем трёхминутного прогрева комбинированного прибора Щ300 проверьте установку его нуля при нулевом напряжении на фотоэлементе и закрытой задвижке фотокатода фотоэлемента. Для этого:

а) поставитпереключательблоковпитания(7) вразомкнутоеположение; б) закрытьфотокатодфотоэлемента;

в) винтом «установка нуля» на панели Щ300 выставить нулевое показание амперметра и далее его не сбивать. (Внимание! Эту операцию выполняет лаборант или преподаватель)

6.Включить лампу накаливания. Внимание! Первое включение лампы на-

каливания выполняет лаборант или преподаватель! Самостоятельное включение категорически запрещено!

Перед включением лампы накаливания включите вентилятор охлаждения лампы. Включите в сеть автотрансформатор и плавно вращая ручку автотрансформатора доведитенапряжение до значения неболеечем200 В.

Внимание! Выключение лампы накаливания производится в обратном порядке – плавным уменьшением напряжения до нуля. Выключить вентилятор можно только после пятиминутного охлаждения лампы накаливания.

7.Включите тумблер «Сеть» на панели монохроматора SPM-2. Вращая риф-

лёную ручку 27 (см. описание монохроматора SPM-2) установите по шкале монохроматора длину волны, соответствующую зеленой части спектра λ = 540÷490 нм.

8.Подключите источник питания постоянного тока Б5-50 – переведите переключатель (7) в положение +40В.

9.На цифровой панели Б5-50 установите максимальное ускоряющее напряжение (примерно 30÷35 В) и подберите интенсивность светового потока изменением ширины входной и выходной щелей монохроматора SPM-2 так, чтобы комбинированный прибор Щ-300 показывал не более 100 делений на диапазоне 100 нА. Эта операция исключает возможность «зашкаливания» комбинированного прибора Щ-300 приизмерениях.

10.На цифровой панели источника питания постоянного тока Б5-50 установите минимальное напряжение 1В и внимательно снимите усреднённое показание Щ-500.

11.Затем сделайте отсчёты значений тока, увеличивая ускоряющее напряжение через 1 В до 9 В и далее при 10, 15, 20, 25 и 30 вольтах. Данные занести

втаблицу 1. Такие же измерения проведите для желтой части спектра (λ = 570÷480 нм.) и фиолетовой (λ = 400 ÷ 450 нм), либо синей (λ = 430÷440 нм).

Конкретные значения длин волн задаются преподавателем. По результатам измерений постройте графики зависимости тока от напряжения для трех длин волн (три кривые на одном графике).

Таблица 1

52

12.Экстраполирую прямолинейный участок вольтамперных характеристик, определите напряжение U1 (рис. 4) для используемых длин волн.

13.Определите напряжение U 2 , при котором достигается насыщение фото-

тока (начало прямолинейного участка кривой I (U ) параллельного оси напря-

жения).

14. Определите запирающее напряжение по формуле UЗ =U 2 + U1 =U 2 −U1 .

Данные занесите в таблицу 2.

14. Рассчитайте постоянную Планка. Постоянная Планка определяется по результатам двух измерений запирающего напряжения

h =e (U(З1 −UЗ)2 )

ν1 −ν2

Задание №2.

Определение работы выхода катода и красной границы фотоэффекта методом запирающего потенциала. Оценка постоянной Планка.

Определение работы выхода катода и красной границы фотоэффекта выполняется по графической зависимости запирающего напряжения от частоты света. Для построения графика зависимости величины запирающего потенциала от частоты UЗ = f (ν) (или длины волны) необходимо:

1.Выполнить последовательно пункты 1÷7 по заданию № 1

2.Подключить источник питания постоянного тока Б5-43. Для этого переключатель рода работ перевести в положение «задерживающий потенциал» (положение переключателя «-1В»).

3.Открыть задвижку фотоэлемент и, вращая рифлёную ручку 28 монохроматора SPM-2, установить длину волны излучения в ультрафиолетовой части спектра (0,400÷0,450 мкм). При этом наноамперметр должен показывать ток в интервале 20÷50 нА

4.Изменяя задерживающий потенциал UЗ на аноде фотоэлемента набором

напряжения на цифровой панели источника питания постоянного тока Б5-43, начиная с минимального значения 0,1В, ступеньками через 0,1 В добиться нулевого значения тока.

53

5. Зафиксируйте величину запирающего напряжения UЗ , и занести его зна-

чение в таблицу. Измерения выполните не менее трёх раз для установленной длины волны. Определите среднее значение запирающего потенциала для данной длины волны.

6.Выполните измерение запирающего напряжения для не менее чем пяти значений длин волн; в синей, зелёной, жёлтой, оранжевой и красной областях спектра. Результаты занесите в таблицу.

7.Постройте график зависимости UЗ = f (ω)- запирающего напряжения от

частоты света.

Таблица 2

54

9. Экстраполируя график UЗ = f (ν), определите работу выхода A и граничную частоту νк . С целью проверки надежности полученных результатов оп-

ределитепостоянную Планка h . и сравнитееё стабличным значением.

11. Оценитепогрешности измерений работы выхода A , граничной частоты νк , и постоянной Планка h .

Задание №3.

Прямое определение красной границы фотоэффекта.

Установите режим ускоряющего напряжения на аноде фотоэлемента. Вращая рифлёную ручку 28 монохроматора SPM-2, просканируйте весь спектр длин волн лампы накаливания, начиная с фиолетовой области. Регистрируя ток фотоэлемента, определите красную границу фотоэффекта, т. е. длину волны, начиная скоторой фототокрезко падает и принимает значения, близкиекнулю.

1.Перед началом измерений выполнитепункты п. 1÷9 задания №1.

2.Плавно вращая рифлёную ручку 28 монохроматора SPM-2 начиная с

ультрафиолетовой части спектра (λ= 0,400÷0,420мкм) до инфракрасной области (λ= 0,700÷0,800мкм) зафиксируйте не мене десяти значения длины волны и соответствующее ей значение фототока. Данные занесите в таблицу № 3.

Таблица № 3

λ,

мкм.

I, нА.

3.Постройте график зависимости IФ = f (λ).

4.По графику IФ = f (λ) определите значение красной границы фотоэффек-

та. Полученную в этих опытах граничную частоту сравните с частотой, определённой ранее.

КОНТРОЛЬНЫЕВОПРОСЫ

1.В чем принципиальное отличие внешнего фотоэлектрического эффекта от других механизмов освобождения электронов из твердых тел под действием электромагнитного излучения (образование электрон-позитронной пары, эффект Комптона)?

2.Что такое кванты света, и каковы их основные характеристики?

3.В чём заключается явление внешнего фотоэффекта? Сформулируйте основные законы фотоэффекта.

4Чем определяется числовое значение граничной частоты или красной границы фотоэффекта?

5.Чем объясняется то, что спад силы фототока с возрастанием тормозящего поля не наблюдается резким?

55

7. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.36

ВНЕШНИЙ ФОТОЭФФЕКТ

Цель работы: Определить порог внешнего фотоэффекта для полупроводникового фотокатода.

Приборы и принадлежности: Модульный учебный комплекс МУК-ОК «Квантовая оптика»

Методика эксперимента

Вкачестве источников света в работе используется набор светодиодов, излучающих в различных узких диапазонах длин волн. Эти диапазоны длин волн лежат в видимой и инфракрасной частях спектра.

Вкачестве фотокатода используется катод фотоэлемента, изготовленный из полупроводникового вещества. Электроны, выбитые светом из катода, собираются анодом.

Для определения красной границы фотоэффекта ν0 или соответствую-

щей длины волны света λКР предлагается в процессе эксперимента снять за-

висимость силы тока насыщения через фотоэлемент от длины волны света, падающего на его фотокатод. Найдя с помощью графика этой зависимости ту длину волны, которая соответствует нулевому значению силы тока, находим

λКР .

Теперь, зная λКР , можно определить порог фотоэффекта W . Учтем, что связь между частотой ν0 и длиной световой волны λКР имеет вид

ν0 = λc ,

КР

где c - скорость света. Тогда порог фотоэффекта можно определить по формуле:

Задание к работе

1.Соберите схему измерений согласно рис. 3. Анод на схеме подключен

к«плюсу», а катод к «минусу» источника напряжения (прямое подключение фотоэлемента).

2.Установите максимальное значение интенсивности светового потока.

56

абсолютное, а относительное значение интенсивности). Запишите значение

величины J и следите, чтобы в последующих опытах она не менялась.

J0

Рис.3

3.Установите наиболее короткую длину волны источника света. Снимите при этой длине волны вольт-амперную характеристику фотоэлемента I (U ) при его прямом подключении к источнику напряжения.

4.Постройте график снятой вольтамперной характеристики I (U ) , срав-

ните его с ожидаемой зависимостью, показанной на рис. 8.2. Найдите по графику диапазон напряжений, соответствующих току насыщения.

5.Установите напряжение на фотоэлементе в пределах этого диапазона.

6.Изменяя длину волны света, подаваемого на фотоэлемент, снимите

спектральную характеристику IНАС (λ).

7.Постройте график зависимости IНАС (λ). Определите по нему длину волны, соответствующую красной границе фотоэффекта λКР .

8.Определите численное значение порога фотоэффекта W (формула (9)). Убедитесь, что фотокатод фотоэлемента действительно изготовлен из полупроводника (диапазон значений величины W для полупроводников указан выше).

9.Сделайте выводы.

Контрольные вопросы

1.Что такое внешний фотоэффект?

2.Можно ли объяснить все особенности фотоэффекта, пользуясь волновой теорией света?

3.Можно ли объяснить все особенности фотоэффекта, пользуясь фотонной теорией света? Какое уравнение предложено для квантового описания внешнего фотоэффекта?

57

4.Почему при фотоэффекте ярко проявляются корпускулярные свойства света?

5.Объясните все особенности вольтамперной характеристики при фотоэффекте.

6.Что такое квантовый выход?

7.В чем преимущество полупроводниковых фотокатодов перед металлическими?

8.Какие изменения в уравнение Эйнштейна надо ввести, если оно применяется к полупроводниковому фотокатоду?

9.Объясните методику определения величин λКР , ν0 , W в данной ла-

бораторной работе.

58

ЛИТЕРАТУРА

1.Матвеев А. Н. Атомная физика. М.: Высш. шк., 1989.

2.Поль Р. В. Оптика и атомная физика. М.: Наука, 1966.

3.Мирдель Г. Электрофизика: Пер. с нем. М.: Мир, 1972.

4.Бонч-Бруевич В. Л., Калашников С. Г. Физика полупроводников. М.: Наука, 1990.

5.Соболева Н. А., Меламид А. Е. Фотоэлектронные приборы. М.: Высш.

шк., 1974.

6.Белл Р. Л. Эмиттеры с отрицательным электронным сродством.: Пер. с англ. М.: Энергия, 1978.

7.Бломберген Н. Нелинейная оптика: Пер. с англ. М.: Мир, 1966.

8.Вихман Э. Квантовая физика: Пер. с англ. М.: Наука, 1986. т. 4. Берклеевский курс физики.

9.Тарасов Л.В. Введение в квантовую оптику: Учеб. пособие для вузов.-М.:

Высш. шк., 1987.

10.Гапонов В.И. Электроника: Учеб. пособие для вузов. - М.: Гос. издательство физ.-мат. литературы, 1960. Ч.1,2.

11.Трофимова Т.Н. Курс физики. - М.: Высш. шк., 1998. - 540 С.

12.Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. - М.: Высш. шк., 1989.- С. 400-

13.Савельев И.В. Курс общей физики.: Учеб. пособие для вузов. Т. III.- М.:

Наука, 1982. С. 9-

14.Теплообмен излучением: Справочник / А.Г.Блох, Ю.А.Журавлев, Н.Л.Рыжков.- М.: Энергоиздат, 1991.

59

Приложение 1

Пирометр оптический ЭОП-66

1.НАЗНАЧЕНИЕ

1.1.Пирометр оптический ЭОП-66 (далее - пирометр) предназначен для точного измерения яркостных температур нагретых тел по их тепловому излучению в видимой области спектра в свете эффективной длины волны

0,65±0,01 мкм.

Пирометр может быть использован при проведении научноисследовательских работ и для поверочных работ после соответствующей аттестации в системе Госстандарта СССР.

1.2.Пирометр изготавливается исполнения V категории 4.2 по ГОСТ 15150-69 для работы при температуре от 283 до 308 К (от 10 до 35°С) и относительной влажности до 80%.

4.1.УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ ПИРОМЕТРА

4.1.1.Работа пирометра основана на измерении квазимонохроматической яркости излучения нагретого объекта путем уравнивания её с яркостью эталона.

4.1.2.В качестве эталона яркости в пирометре используется специальная пирометрическая лампа, для которой дана зависимость температуры нити от тока, протекающего по ней.

4.1.3.Изображение источника излучения, температуру которого необходимо измерить, помощью объектива проецируется в плоскости нити пирометрической лампы. Наблюдатель, смотрящий в окулярный микроскоп, видит нить пирометрической лампы на фоне изображения источника излучения. Изменяя силу тока в пирометрической лампе, уравнивают яркость нити лампы с яркостью измеряемого объекта.

4.1.4.Температура объекта определяется согласно «Свидетельства о Государственной поверке» по величине тока, протекающего по нити пирометрической лампы в момент уравнивания яркостей нити и изображения объекта.

4.5.ОПТИЧЕСКАЯ СХЕМА И КОНСТРУКЦИЯ ПИРОМЕТРА

4.5.1.Оптическая схема пирометра представлена на рис. 1.

4.5.2.В оптическую схему пирометра входит двухлинзовый объектив 5, микроскоп 1, являющийся окуляром пирометра и пирометрическая лампа 3.

60