840

Министерство образования Российской Федерации

Московская государственная академия

Тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова

Кафедра физики

В.Н. Лухuна, А.Н. Арбатская

Изучение BHeWHero фотозлектрическоrо

эффекта (ФЭ2).

Изучение свойств фоторезистора (ФЭЗ).

Изучение спекrров испускания и

поrлощения при помощи монохроматора

(АФ2).

(Уче6но-мemодическое пособие)

Москва 2000

http://www.mitht.ru/e-library

УДК 535(076.5)

В.Н.Лухина,Д.Н.Дрбатская.Изучение BHewHero фотоэлектрического эффекта (ФЭ2).

Изучение свойств фоторезистора (ФЭЗ). Изучение

спектров испускания и поглощения при помощи

монохроматора (ДФ2).

-Уч. - метод. пособие/ИПЦ МИТХТ, 2000, стр.34,

таБЛ.1 О, РИС.11

Методическая разработка предназначена для

студентов второго курса, изучающих курс оптики.

8 методическом пособии кратко изложены

теоретические основы лабораторных работ;

приведены схемы и описания экспериментальных

установок; даны методические указания по обработке

результатов измерений; представлены контрольные

вопросы и литература, необходимые для усвоения

изучаемого материала.

Утверждено БИК МИТХТ им. М.В. Ломоносова

© МИТХТ, 2000

http://www.mitht.ru/e-library

·4·

Внешний фотоэффект был открыт Г. Герцем в 1887 году и

детально исследован А. Г. Столетовым в 1888 - 1889 Г. Г., а

позднее Ленардом, Милликеном и др.

Схема опьгга для изучения внешнего фотоэффекта приведена

на рис. 2.1.

Свет от источника 5, проходя через сетчатый анод, попадает на поверхность катода. Электроны, испущенные катодом под действием света, перемещаются в электрическом поле к аноду.

Возникает электрический ток, который называется фототоком и

измеряется с помощью гальванометра (Г).

Полученная на этом приборе кривая зависимости фототока от

напряжения между катодом и анодом при постоянном световом

потоке называется вольт - амперной характеристикой и

изображена на рис. 2.2.

Ф =const \i = COl1st

http://www.mitht.ru/e-library

-5-

Из рис. 2.2. ВИДНО, ЧТО при некотором напряжении фОТОТОК

достигает насыщения, Т. е. все электроны попадают на анод.

Следовательно, сила тока насыщения iHac. определяется

количеством электронов, испускаемых катодом в единицу

времени под действием света и pacmijm с увеличением

светового потока.

Пологий ход кривой указывает на то, что электроны вылетают

из катода с различными скоростями. При U =о фототок не

исчезает, т. к. электроны покидают катод С некоторой скоростью,

достаточной ДЛЯ того, чтобы долететь до анода.

ДлЯ того, чтобы фототок Был равен нулю, необходимо

приложить задерживающее напряжение U3'При ЭТОМ ни одному

из электронов, даже обладающему при вылете из катода

наибольшим значением скорости Vшах не удаЕ:)ТСЯ преодолеть

задерживающее поле и достигнуть анода. Поэтому можно

написать, что

где m и е - масса и заряд электрона. Таким образом, измерив

задерживающее напряжение Uз ' можно определить

максимальное значение скорости фотоэлектронов.

Кроме того вольт - амперная характеристика различна в

зависимости от частоты падающего на катод света. На рис. 2. 3

http://www.mitht.ru/e-library

·6·

изображена вольт - амперная характеристика при Ф = const и

Уо <У 1 <У2 '

Рис. 2.3. Вольт - амперная характеристика при

Ф=сопst

Как видно из формулы (2.1) и рис. 2.3 максимальная скорость

l

фотоэлектронов определяется частотой света. А V О

наименьшая частота света, при которой возможен фотоэффект

(красная граница фотоэффекта).

Теоретическое обоснование внешний фотоэффект получил в

1905 г., когда А. Эйнштейн показал, что все закономерности

фотоэффекта объясняются, если предположить, что световая

энергия не только испускается (согласно теории Планка), но и

поглощается телами не непрерывно, а отдельными порциями -

квантами света (фотонами). Квант света, упавший на поверхность

металла, в результате столкновения с электронами поглощается и

приводит к вырыванию электронов из металла.

http://www.mitht.ru/e-library

-8-

2). Максимальная скорость фотоэлектронов линейно

возрастает с частотой света и не зависит от интенсивности

светового излучения.

т. к. рассматриваемый фотоэффект одноФотонный, т. е.

энергия одного кванта идёт на выбивание одного электрона, то

Vтах электрона не зависит от интенсивности светового потока. А

пропорциональность Vmax ,..., V однозначно видна из (2.2).

3).для поеерхности каждого метапла существует минимапьная

частота VО' называемая красной границей фо,!,оэффекта, при

которой ещ~ возможен внешний фотоэффект.

Как видно из (2.2), для возникновения фотоэффекта

А

необходимо выполнение условия Ьу;;:: А, или V;;:: Vo =-.

h

Следовательно, при V < Vo фотоэффект отсутствует.

Минимальная частота V О носит название красной границы

фотоэффекта, т. к. работа выхода электронов с поверхности

многих металлов такова, что V О соответствует красному

диапазону световых волн (например, для СЭ А = 1,9 эВ , а

Внешний фотоэффект находит в настоящее время широкое

практическое применение в науке и технике. Приборы, 8 которых

http://www.mitht.ru/e-library

-9-

фотоэффект используется для превращения энергии светового

излучения 8 электрическую, называются Фотоэлементами.

Простейший тип вакуумного фотоэлемента представляет собой

вакуумный стеклянный баллон, половина которого покрыта

изнутри металлом, играющим роль фотокатода. Для работы в

видимой области спектра особенно широко применяются

сурьмяно-цезиевые фотокатоды. Анодом служит металлическая

петелька, помещённая е центре баллона.

Рис. 2.4. Схема включения фотоэлемента

Между анодом и катодом с помощью батареи создаётся

разность потенциалов. которую можно менять с помощью

потенциометра П. Световой поток Ф. рис. 2.4.), падающий на

http://www.mitht.ru/e-library

- 10-

фотокатод К вызывает фотоэлектронную эмиссию, и при

положительном напряжении на аноде А в вакуумном промежутке

возникает фототок.

Очень важным для практики свойством вакуумных

фотоэлементов является их практическая безинерционность.

Время между началом освещения и моментом появления

фототока В нихнепревышает 10-9 С.

Основными характеристиками фотоэлемента являются его

вольт - амперная характеристика (зависимость силы фототока i

от анодного напряжения) и световая (зависимость силы фототока от энергетической освещённости фотокатода). Напомним, что энергетической освещёностью называется поток излучения,

падающий на поверхность, отне~нный К еденице площади этой

поверхности.

2.3. При60РЫ и принадлежности

Вакуумный фотоэлемент, источник постоянного напряжения,

трансформатор, микроамперметр, оптическая скамья, источник

света (лампа накаливания).

2.4. Описание установки.

Оптическая и электрическая ..::хемы установки изображены ,..;а

рис. 2.5.

http://www.mitht.ru/e-library

- 11 -

5

• fI

нп

анод

Рис. 2.5. Оптическая и электрическая схемы установки

1 - лампа накаливания, 2 - лабораторный автотрансформатор

(ЛАТР), 3 - вакуумный фотоэлемент, 4 - микроампермегр постоянного тока, 5 - источник питания постоянного напряжения, 6 - оптическая

скамья с отсчётнОЙ линеЙкоЙ.На оmической скамье 6 на рейтерах

размещены друг против друга лампа накаливания 1 и вакуумный

фотоэлемент 3. Лампа накаливания находится в защитном кожухе с

окошком, обращённым в сторону фотоэлемента. Фотоэлемеит защищён

от попадания на него случайного рассеянного света металлическим

колпаком в виде цилиндра с входным отверстием, обращённым в

сторону окошка лампы накаливания.

Подача напряжения на лампу накаливания осуществляется с

помощью лабораторного автотрансформатора (ЛАТР) 2, который

http://www.mitht.ru/e-library