ЧФ ПНИПУ. Лабораторные работы по физике

Министерство образования и науки российской федерации

Чайковский филиал

федерального государственного бюджетного

образовательного учреждения высшего профессионального образования

"Пермский национальный исследовательский политехнический университет"

(ЧФ ПНИПУ)

Кафедра гуманитарных и естественнонаучных дисциплин

Лаборатория физики

Оптика

Лабораторная работа №8

"Исследование фотоэлементов"

2011

Цель работы: снять вольт-амперную и люкс-амперную характеристики вакуумного фотоэлемента и фотосопротивления.

Приборы и принадлежности:

• лабораторный стенд (оптическая скамья, вакуумный фотоэлемент Ф-26, фотосопротивление, микроамперметр, источник света);

• источник питания постоянного тока Б5-29;

• вольтметр В7-38 или В7-22А или М2044.

1. Сведения из теории

1.1. Внешний фотоэффект.

Внешним фотоэффектом называется явление испускания электронов металлами под действием света. Для внешнего фотоэффекта характерны следующие закономерности:

• число электронов, испускаемых веществом в единицу времени, пропорционально интенсивности падающего света;

• начальная скорость вылетевших электронов определяется частотой света и не зависит от его интенсивности. С увеличением частоты падающего света скорость электронов увеличивается;

• для каждого вещества существует так называемая красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота света ₀, при которой ещё имеет место фотоэффект. Величина ₀ зависит от химической природы вещества и состояния его поверхности;

• фотоэффект практически безынерционен, т.е. между началом освещения и возникновением фотоэффекта нет заметного промежутка времени.

Закономерности фотоэффекта не укладываются в рамки классической электромагнитной теории света. Эйнштейн показал, что все основанные закономерности фотоэлектрического эффекта непосредственно объясняются, если предположить, что свет поглощается такими же порциями энергии, какими он, по предположению Планка, испускается. В самом деле, при вырывании электрона из металла энергия кванта света идёт на работу выхода A электрона из металла и на сообщение электрону кинетической энергии .

Так как порция световой энергии, поглощённой электроном при его вырывании равна то по закону сохранения энергии:

Это равенство называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

Из этого уравнения следует, что минимальная порция энергии, необходимая для вырывания, должна быть равна работе выхода А_вых. Следовательно, частота ₀, соответствующая красной границе фотоэффекта, равна ₀ = А_вых/h.

1.2. Внутренний фотоэффект.

Внутренним фотоэффектом называется появление под действием света внутри диэлектрика или полупроводника добавочных свободных электронов.

Поглощая фотоны, связанные электроны вещества получают энергию, но не вылетают за пределы вещества, а становятся свободными, оставаясь внутри вещества и увеличивая его проводимость (явление фотопроводимости).

Механизм внутреннего фотоэффекта вскрывается зонной теорией твёрдых тел, согласно которой электроны, поглощая кванты света, переходят из валентной зоны в зону проводимости.

Законы внутреннего фотоэффекта эквивалентны законам внешнего фотоэффекта.

На основании внешнего и внутреннего фотоэффектов строится большое число приемников излучения, преобразующих световой сигнал в электрический и объединённых под общим названием фотоэлементы.