FP_Opt_i_at_f_2
.pdf
фотоэффект , называется красной границей фотоэффекта. Она определяется из условия:
h |
min |
A , откуда |
|
min |
A |
|
|
|
h |
||
|
|
|
|
|
Обычно ее выражают через максимальную длину волны:
|
|
|
|
|
c |
h c ; |
|
|
|
max |
min |
|
|
||||||
|
|
|
|
A |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|||
Численные значения красной границы фотоэффекта для некоторых |
|||||||||
материалов приведены в таблице: |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
металл |
|
платина |
|
цинк |
натрий |
цезий |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
max , мкм |
|
0,235 |
|
|
0,290 |
0,552 |
0,620 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Из квантовой теории следует, что интенсивность света пропорциональна числу квантов. Поэтому число выбитых фотонов пропорциональна интенсивности света , - так объясняется 1 закон фотоэффекта.
В полупроводниках и диэлектриках помимо внешнего фотоэффекта наблюдается внутренний . Он происходит при условии A h A 1 и сопровождается образованием свободных электронов , увеличивающих проводимость вещества, A 1 - работа отрыва электрона от атома. В металлах внутренний фотоэффект не наблюдается , т.к. в них имеется много
свободных электронов 10 22 10 23 см 3 и незначительное увеличение их числа за счет внутреннего фотоэффекта практически не отражается на электропроводности металла . В диэлектриках энергия связи электрона с атомами велика , поэтому ни внутренний , ни внешний фотоэффект в диэлектриках практического применения не имеет .
В заключении подчеркнем, что фотоэффект, вскрывая квантовую природу света , не отвергает волновую природу , а дополняет ее. Свет сложный электромагнитный процесс , обладающий двойственной (корпускулярно-волновой) природой . В одних явлениях, таких как интерференция, дифракция, поляризация, проявляется волновая природа света, в других - излучение, фотоэффект и др. - квантовая природа света.
Фотоэлементы
На основе внешнего и внутреннего фотоэффекта создано множество приборов, преобразующих световой сигнал в электрический. К ним относятся фотоэлементы,
_ |
51 |
|
|
|
+ |
фотосопротивления, фотоэлектронные умножители, электронно-оптические преобразователи, передающие телевизионные трубки, фотодиоды и т.д. На внешнем фотоэффекте основана работа вакуумных фотоэлементов. Конструктивно они выполнены в виде стеклянного баллона, откачанного до высокого вакуума (рис.1) . Часть внутренней поверхности баллона покрыта
слоем чувствительного к свету вещества, который называется фотокатодом. В качестве
фотокатода используются
вещества с малой работой
выхода. Такими веществами
является соединения сурьмы с
одним или несколькими
щелочными металлами и соединения серебро - цезий.
Анодом служит металлическое
кольцо или сетка, помещенные в
центре баллона.
Зависимость силы фототока от приложенного между катодом и анодом напряжения при постоянной интенсивности света называется вольтамперной характеристикой (ВАХ) фотоэлемента. Она имеет вид, показанный на (рис.2) . Пологий ход кривой объясняется тем , что электроны вылетают из катода с различной скоростью . Некоторые из них обладают достаточно большой скоростью и , пролетая по инерции пространство между анодом и катодом , замыкают цепь . Этим объясняется наличие тока в цепи в отсутствии анодного напряжения. (участок 0 - 1) . Для обращения силы тока в нуль на анод надо подать отрицательное задерживающее напряжение. При таком напряжении ни одному из электронов, даже обладающему максимальной скоростью, не удастся достигнуть анода. Поэтому можно записать:
|
|
|
m 2 |
|
|
||
|
|
|
max |
e U |
|
, |
|
|
|
2 |
3 |
||||
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|||
|
m 2 |
|
|
|
|
|
|
где |
max |
- кинетическая энергия электрона . |
|||||
2 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
||
3 - 4 – это участок насыщения тока. На этом участке все электроны, испущенные катодом, попадают на анод. Для увеличения тока насыщения надо увеличить интенсивность света.
Одним из основных параметров любого фотоэлемента является интегральная чувствительность, равная силе фототока насыщения при световом потоке в 1 лм. Главным недостатком вакуумных фотоэлементов является малая интегральная чувствительность. Значительно большей интегральной чувствительностью обладают фотоэлектронные умножители
(ФЭУ) .
52
На явлении внутреннего фотоэффекта в полупроводниках основано действие вентильных фотоэлементов и фотосопротивлений. Они устроены следующим образом. На металлическую подложку М наносится слой полупроводника Р (рис.3). На границе металл - полупроводник в силу их различных физических свойств образуется запирающий слой, пропускающий носители тока в одном направлении - из полупроводника в металл.
При освещении полупроводника в нем образуется большее число свободных электронов, в результате равновесное распределение носителей тока в области контакта нарушается, и электроны переходят из
полупроводника в металл, заряжая металл отрицательно, а полупроводник - положительно. Таким образом , на границе металл - полупроводник образуется два противоположных полюса, и, если их соединить проводником, по цепи потечет ток без какого - либо дополнительного источника тока. Иначе говоря, вентильный фотоэлемент сам является источником тока .
Явление возникновения ЭДС при освещении контакта металл - полупроводник называется вентильным фотоэффектом.
В отличие от вакуумных вентильные фотоэлементы непосредственно преобразуют световую энергию в электрическую. Наиболее эффективными являются вентильные фотоэлементы, основанные на использования контакта двух полупроводников электронного (n) и дырочного (p) типа проводимости, т.е. на так называемом p-n - переходе .
Несколько десятков соединенных последовательно p-n - переходов образуют солнечную батарею.
Вентильные фотоэлементы имеют значительно большую интегральную чувствительность, чем вакуумные.
Фотосопротивления представляют собой нанесенный на стеклянную пластинку слой полупроводника, на поверхности которого укреплены токоподводящие электроды (рис.4). При освещении полупроводника число носителей тока в нем резко возрастает, а сопротивление резко падает. Изменяя интенсивность света, можно регулировать сопротивление цепи в широком интервале.
53
Описание установки и ход выполнения работы.
В работе исследуется вакуумный фотоэлемент с сурьмяно - |
цезиевым |
катодом. Красная граница фотоэффекта max 0 , 4 мкм. |
Площадь |
фотокатода
2·10-3м2.
Лабораторная установка позволяет:
1. Исследовать вольтамперную характеристику (ВАХ) фотоэлемента.
2.Определить его интегральную чувствительность.
3.Проверить первый закон фотоэффекта.
Электрическая схема установки показана на рис.5. Потенциометром P плавно изменяют напряжение, подаваемое на анод A. Величина напряжения измеряется вольтметром , сила фототока микроамперметром. Катод К освещается лампой накаливания Л , которая может перемещаться вдоль линейки АB. Интенсивность света, падающего на катод, регулируется
расстоянием r между лампой и фотоэлементом Ф.
μА
~ |
Рис. 5.
Снятие ВАХ фотоэлемента
1.Установите источник света Л на заданном расстоянии r от фотоэлемента.
2.Изменяя потенциометром анодное напряжение Uа от 0 до 130 В через
54
10 В, снимите зависимость силы фототока от напряжения . Данные занесите в таблицу 1
Таблица 1
Uа, В |
|
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
|
80 |
90 |
100 |
110 |
120 |
130 |
|
|
|
|||||||||||||
Іа, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
мкА |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3. |
Постройте |
график |
зависимости |
силы |
фототока |
от |
анодного |
||||||||
напряжения .
Определение интегральной чувствительности фотоэлемента.
1. По графику построенной Вами ВАХ определите силу тока насыщения
Ін.
2. По таблице 2 найдите соответствующий расстоянию световой поток
Ф
|
3. По формуле |
γ=Ін/Ф |
мкА/лм |
определите |
интегральную |
|||||||
чувствительность исследуемого фотоэлемента . |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2 |
|
|
Расстояние |
r |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
от |
лампы |
до |
|
30 |
31 |
32 |
|
33 |
34 |
35 |
|
36 |
фотоэлемента, см |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Интенсивность |
|
450 |
425 |
400 |
|
375 |
350 |
325 |
|
300 |
|
света, Вт/м2 |
|
|
|
|
||||||||
|
Световой |
|
|
0,9 |
0,85 |
0,80 |
|
0,75 |
0,70 |
0,65 |
|
0,60 |
поток, Ф, лм |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
Проверка 1 закона фотоэффекта. |
|
|
|
|||||
1.Установите анодное напряжения , соответствующее току насыщения
( U 100 В )
2.Изменяя расстояние между лампой r и фотоэлементом от 30 до 36 см. через 1 см. , снимите зависимость силы тока насыщения от интенсивности света . Постройте график этой зависимости и убедитесь , что ток насыщения ,
аследовательно и число вылетающих с поверхности катода за единицу времени электронов пропорциональна интенсивности света .
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что называется фотоэффектом? (3 вида).
55
2.Законы фотоэффекта и их объяснения на основе квантовой теории
света.
3.Какой из законов и как проверяется в работе?
4.Уравнения Эйнштейна для фотоэффекта и его анализа.
5.Что называется красной границей фотоэффекта?
6.Фотоэлементы , их виды , устройство и принцип действия.
7.Что называется интегральной чувствительностью фотоэлемента.
8.Вольтамперная характеристика фотоэлемента, ее анализ.
9.Рабочая схема, выполнение работы.
ЛИТЕРАТУРА
1.И.В. Савельев. Курс общей физики, т. 2.- М.: «Наука», 1978, с. 34.
2.Т.И. Трофимова. Курс физики, М.: «Высшая школа», 2002г., с. 376-
381.
3. Б.М. Яворский, А.А. Детлаф. Курс физики, т. 3. – М.: «Высшая школа», 1979 г. с. 216-225.
56
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.21
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФОКУСНЫХ РАССТОЯНИЙ ЛИНЗ МЕТОДОМ БЕССЕЛЯ
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Линзой называется прозрачное тело, ограниченное двумя криволинейными или криволинейной и плоской поверхностями. Обычно применяют линзы, поверхности которых имеют сферическую форму. Основные типы линз изображены на рис. 1.
Различают тонкие и толстые линзы. Линза называется тонкой, если еѐ толщиной можно пренебречь по сравнению с радиусами кривизны еѐ поверхностей.
Система, состоящая из одной или нескольких линз, называется центрированной, если центры кривизны всех еѐ преломляющих поверхностей лежат на одной прямой, называемой оптической осью.
Рассмотрим основные свойства центрированной системы на примере толстой двояковыпуклой стеклянной линзы, находящейся в воздухе. Лучи, проходящие через первый главный фокус F1 , выходят с другой стороны линзы пучком, параллельным главной оптической оси ОО' (рис. 2). Главной плоскостью называется геометрическое место точек пересечения падающих лучей с их продолжениями за линзой. Главный фокус находится на расстоянии -f1 от первой главной плоскости H1. Здесь и далее всем расстояниям, отсчитываемым против хода лучей, приписывается знак "-" (правило знаков).
Рис. 1. Основные типы линз и положение их главных плоскостей: собирающие: 1- двояковыпуклая, 2 – плоско-выпуклая,
3 – вогнутовыпуклая (положительный мениск); рассеивающие: 4 – двояковогнутая, 5 – плоско-вогнутая,
6 – выпукло-вогнутая (отрицательный мениск)
57
Рис.2. Прохождение пучка лучей, сходящихся в первом главном фокусе F1, через двояковыпуклую линзу
Рис.2'. Прохождение пучка лучей, параллельного оптической оси, через двояковыпуклую линзу
Пучок лучей, падающих на линзу параллельно главной оптической оси, сходится во втором главном фокусе F2, отстоящем на расстоянии f2 от второй главной плоскости H2 (рис. 2').
Если по обе стороны от линзы находится одна и та же среда, фокусные расстояния совпадают: -f1 = f2 = f. Величина D = 1/f называется оптической силой линзы.
Собирающая линза сводит лучи, параллельные оптической оси, в действительном фокусе (f > 0, рис. 3), и имеет положительную оптическую силу.
Оптическая сила рассеивающей линзы отрицательна, так как для неѐ точка схождения параллельных лучей мнимая (f < 0, рис. 4).
Для тонкой линзы можно считать, что точки пересечения еѐ поверхностей с оптической осью сливаются в одну точку, называемую оптическим центром, а главные плоскости H1, Н2 - в одну плоскость, проходящую через оптический центр линзы перпендикулярно еѐ главной оптической оси.
Если светящийся предмет - небольшой отрезок, перпендикулярный к оптической оси, то его изображение, полученное с помощью параксиальных (приосевых) лучей также имеет вид отрезка, перпендикулярного к оптической оси (рис. 5). Расстояния до предмета и до его изображения s и s', отсчитанные от оптического центра вдоль главной оптической оси и взятые с учѐтом правила знаков, подчиняются уравнению линзы (1)
58
1 |
|
1 |
1 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
, |
(1) |
|
|
f |
s |
s |
|||||
где f - фокусное расстояние линзы, |
s' - |
расстояние до изображения, |
|
|||||
s - расстояние до предмета. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Для тонкой собирающей линзы f можно рассчитать по этой формуле, получив действительное изображение предмета и измерив расстояния s и s'.
Рис.3. Собирающая линза сводит пучок лучей, параллельных ОО', в действительном фокусе
Рис.4. Такой же пучок после преломления в рассеивающей линзе кажется исходящим из мнимого фокуса
Рис.5 Построение изображения в тонкой положительной линзе
59
Рис.6 Построение изображения в толстой положительной линзе
Формула (1) справедлива и для толстой линзы. Однако воспользоваться ею для определения фокусного расстояния произвольной линзы затруднительно, поскольку все расстояния в случае толстых линз или оптических систем необходимо отсчитывать от соответствующих главных плоскостей (рис. 6). Главные плоскости могут лежать и внутри, и вне линзы, совершенно несимметрично относительно еѐ сферических поверхностей (рис. 1), и их положение, как правило, неизвестно.
Содержание работы
Удобным методом определения фокусного расстояния является используемый в данной работе метод Бесселя, который позволяет найти величину f, не зная положение главных плоскостей линзы.
С одной стороны от положительной линзы на еѐ оптической оси поместим предмет, действительное изображение которого будем получать на экране, расположенном с другой стороны от линзы. Расстояние L между предметом и экраном зафиксируем. Если оно достаточно велико, существуют два положения линзы, при которых на экране получаются чѐткие изображения предмета - уменьшенное и увеличенное (рис. 7).
Найдѐм эти положения из уравнения
|
1 |
|
1 |
|
1 |
|
|
|
|
|
(2) |
||
|
f |
s' |
| s | |
|||
|
|
|||||
и условия |
|
|
|
|
||
|
|s| + s' = L. |
(3) |
||||
В формуле (3) мы пренебрегли расстоянием между главными плоскостями линзы по сравнению с L.
Выразим расстояние s' через расстояние |s| и L из уравнения (3) и подставим это выражение в формулу линзы (2). Получится квадратное уравнение (4), которому должно удовлетворять расстояние между линзой и
предметом s, для того чтобы на экране было чѐткое изображение. |
|
|s|2 - L|s| + Lf = 0. |
(4) |
60 |
|