Лабораторные работы / ЛР 48 Изучение внешнего фотоэффекта

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра физики и биомедицинской техники

ИЗУЧЕНИЕ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к лабораторной работе № 48 по физике

Составители: Пономарев А.С., Герасименко Т.А., Заблодский А.В.

Липецк Липецкий государственный технический университет

2014

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра физики и биомедицинской техники

ИЗУЧЕНИЕ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к лабораторной работе № 48 по физике

Составители: Пономарев А.С., Герасименко Т.А., Заблодский А.В.

Липецк Липецкий государственный технический университет

2014

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра физики и биомедицинской техники

ИЗУЧЕНИЕ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к лабораторной работе № 48 по физике

Составители: ПОНОМАРЕВ А.С., ГЕРАСИМЕНКО Т.А., ЗАБЛОДСКИЙ А.В.

Липецк Липецкий государственный технический университет

2014

2142

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра физики и биомедицинской техники

ИЗУЧЕНИЕ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к лабораторной работе № 48 по физике

Составители: ПОНОМАРЕВ А.С., ГЕРАСИМЕНКО Т.А., ЗАБЛОДСКИЙ А.В.

Липецк Липецкий государственный технический университет

2014

УДК 535.215.1 (07) П 635

Рецензент к. ф.-м. н., доцент кафедры физики и биомедицинской техники Сериков В.И.

Пономарев, А. С.

П635 Изучение внешнего фотоэффекта. [Текст]: методические указания

клабораторной работе № 48 по физике. / сост. А.С. Пономарев, Т.А. Герасименко, А.В. Заблодский. – Липецк: Изд-во Липецкого государственного технического университета, 2014. – 12 с.

В лабораторной работе изучается внешний фотоэффект, его вольт-

амперные характеристики и законы Столетова для внешнего фотоэффекта. Методические указания предназначены для студентов 2-го и 3-го курсов технических специальностей очной и очно-заочной форм обучения.

Табл. 1. Ил. 2. Библиогр.: 7 назв.

© ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет», 2014 г.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 48

ИЗУЧЕНИЕ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА

Цель работы: проверка закона Столетова для внешнего фотоэффекта; измерение и построение на графиках характеристик фотоэлемента; ознакомление с применением внешнего фотоэффекта.

Приборы и принадлежности: фотоэлемент, осветитель, диафрагма, микроамперметр, вольтметр, линейка, набор светофильтров.

Рис.1. Установка для изучения внешнего фотоэффекта: а – общий вид установки; б – электрическая схема

На рис. 1, а и 1, б показаны основные элементы экспериментальной установки: 1. Фотоэлемент ФЭ типа СЦВ с сурьмяно-цезиевым фотокатодом, освещаемым через отверстие в плоском экране Э, расположенном перед фотоэлементом. Фотокатод чувствителен к свету в диапазоне длин волн λ = 0,4…0,7 мкм.

3

2.Осветитель с лампой накаливания в патроне, перемещаемом в кожухе, с линзой Л и регулируемой диафрагмой Д на торце того же кожуха. Осветитель при малом отверстии диафрагмы является точечным источником света и может перемещаться относительно фотоэлемента (экрана) на измеряемые по отсчетному устройству ОУ расстояния r.

3.Набор светофильтров СФ в кассете, перемещаемой в кассетодержателе, расположенном за диафрагмой Д. Световые потоки Фλ на выходе светофильтров СФ проградуированы для типовых источников белого света (лампа накаливания) и на стенде имеются градуированные характеристики Фλ = f(λ), где λ – длина волны, соответствующая каждому светофильтру.

4.Источник питания И.п. осветителя и регулируемый выпрямитель с микроамперметром (μА) и вольтметром (V) на выходе.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Внешним фотоэффектом называют выход электронов из вещества под действием светового излучения. В газе и жидкости это явление называют фотоионизацией, а в твердых телах – фотоэмиссией. При этом электроны, вылетающие из вещества, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называют фототоком.

Данный вид фотоэффекта был обнаружен Генрихом Герцем и позже изучался Александром Григорьевичем Столетовым и др. учеными. В результате экспериментов были открыты общие закономерности, связывающие, с одной стороны, условия возникновения фотоэффекта и его характеристики, а с другой – облучаемое вещество и спектральный состав светового излучения, которые впоследствии были названы законами внешнего фотоэффекта.

I закон внешнего фотоэффекта (Закон Столетова): при неизменном спектральном составе света, падающего на фотокатод, фототок насыщения

4

(максимальное число фотоэлектронов, вырываемых с фотокатода в единицу времени) пропорционален интенсивности излучения:

j = kI, (1)

где j – плотность фототока насыщения, I – интенсивность света, т.е. мощность излучения на единицу поверхности фотокатода, k – интегральная чувствительность – характеристика фотокатода, зависящая от его химического состава.

Если обе части (1) умножить на ту площадь фотокатода, которая освещена, то получим другую форму записи закона Столетова:

(2)

где – фототок насыщения, Ф – световой поток, т.е. мощность излучения на

всю поверхность фотокатода.

Замечание: если в последнем уравнении выразить k, то полученное соотношение и будет определением интегральной чувствительности.

Интегральная (лат. integer – целый; совокупный) чувствительность – это отношение фототока к падающему на фотокатод световому потоку от стандартного источника. (В качестве такого источника выступает, например : лампа накаливания с вольфрамовой нитью, нагретая до цветовой температуры 2860 К). Излучение от такого источника немонохроматическое. Этим интегральная чувствительность отличается от спектральной чувствительности

(см. ниже).

II закон внешнего фотоэффекта: для данного фотокатода максимальная начальная скорость фотоэлектронов зависит от частоты света и не зависит от его интенсивности.

III закон внешнего фотоэффекта: для каждого фотокатода существует частота света ν0, ниже которой фотоэффект не наблюдается; частота ν0, которая называется красной границей фотоэффекта, зависит от материала фотокатода и состояния его поверхности.

Законы фотоэффекта успешно объясняются квантовой теорией света.

5

Согласно этой теории, свет излучается, распространяется и поглощается веществом в виде отдельных квантов электромагнитного излучения – фотонов. Все фотоны монохроматического света частоты имеют одинаковую энергию hν, где h – постоянная Планка. Каждый фотон движется в пространстве до тех пор, пока не будет поглощен веществом. При поглощении фотон передает свою энергию частице вещества. В случае внешнего фотоэффекта электрон проводимости металла, поглощая фотон, получает его энергию hν . И для выхода из металла электрон должен совершить работу выхода . Поэтому уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта, выражающее закон сохранения энергии при фотоэффекте, имеет вид

(3)

где hν – энергия кванта падающего света, ν= – частота излучения, Aвых –

работа выхода (ионизации), – кинетическая энергия вылетающих фотоэлектронов.

Анализируя уравнение (3), действительно, получаем, что при h Aвых

фотоэффект прекращается (иначе кинетическая энергия фотоэлектронов была бы вынуждена быть величиной отрицательной), т.е. минимальная частота наблюдения фотоэффекта (или длина волны ).

Также из уравнения Эйнштейна (3) вытекает второй закон внешнего фотоэффекта:

т.е. зависит только от частоты света и работы выхода.

Максимальная начальная кинетическая энергия фотоэлектронов зависит от частоты света по линейному закону и обращается в нуль при частоте ν0.

В данной работе необходимо снять вольтамперные, световые и спектральные характеристики полупроводникового фотокатода (сурьмяно - цезиевый фотоэлемент), типовой вид которых показан на рис. 2

6

Из вольтамперной характеристики (рис. 2, а) видно, что для прекращения фототока необходимо приложить задерживающее напряжение величины противоположной полярности. Каждый электрон после выхода из металла движется сквозь тормозящее его электрическое поле, поэтому при начальной кинетической энергии фотоэлектронов не хватает для преодоления электрического поля между катодом и анодом. Таким образом,

(5)

где e – заряд электрона.

Зная задерживающее напряжение , можно из уравнений (4) и (5)

также определить работу выхода для данного фотокатода:

(6)

Из предыдущего результата следует, что для данного фотокатода

Спектральной характеристикой фотокатода (рис. 2, в) называют зависимость спектральной чувствительности от длины волны .

Спектральная чувствительность по аналогии с определением интегральной чувствительности равна отношению фототока к мощности вызывающего его монохроматического излучения с длиной волны :

k i f при U = U . (8)

Ф

нас

Спектральная чувствительность зависит от структуры энергетических зон и пропорциональна квантовому выходу Y:

где – число фотоэлектронов, – число поглощенных квантов света.

7