13_Фотоэффект

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение(5)

высшего профессионального образования «Российский государственный профессионально-педагогический университет»

Институт электроэнергетики и информатики Кафедра общей физики

Задания и методические указания для выполнения лабораторной работы № 13

по дисциплине «Физика»

для студентов всех форм обучения направления подготовки 051000.62 Профессиональное обучение

(по отраслям)

Екатеринбург

РГППУ

2013

Задания и методические указания для выполнения лабораторной работы № 13 по дисциплине «Физика». Екатеринбург, ФГАОУ ВПО «Рос. гос. проф.-пед. университет», 2013. 18 с.

Составитель: к.ф.-м.н., доцент О.В. Аношина

Одобрены на заседании кафедры общей физики ЭлИн. Протокол № 1 от 10.09.2013 г.

Рекомендованы к печати научно-методической комиссией института электроэнергетики и информатики РГППУ. Протокол №1 от 14.10. 2013 г.

© ФГАОУ ВПО «Российский государственный профессиональнопедагогический университет»,

2013

© Аношина О.В.

2

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 13 «ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ФОТОЭФФЕКТА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ ПЛАНКА».

Цель лабораторной работы:

экспериментальное изучение явления фотоэффекта; Задачи лабораторной работы:

изучение зависимости фототока насыщения фотоэлемента от величины светового потока.

получение вольтамперной характеристики вакуумного фотоэлемента;

экспериментальное определение постоянной Планка.

1.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Внешний фотоэффект - это испускание электронов (фотоэлектронов) с поверхности тела под действием света.

Внутренним фотоэффектом называется перераспределение электронов по энергетическим состояниям в твердых и жидких полупроводниках и диэлектриках, происходящее под действием излучений. Он проявляется в изменении концентрации носителей зарядов в среде и приводит к возникновению фотопроводимости или вентильного фотоэффекта, т.е увеличению электрической проводимости вещества под действием излучения.

Явление внешнего фотоэффекта открыто в 1887 г. немецким физиком Г. Герцем. Он обнаружил, что если осветить отрицательный электрод искрового разрядника ультрафиолетовыми лучами, то электрический разряд происходит при меньшем напряжении между электродами, чем в отсутствии освещения. Герцу не удалось дать правильного объяснения этому явлению.

Первые качественные исследования фотоэффекта были проведены русским физиком А.Г. Столетовым в 1988 г, который установил, что под действием света с поверхности вещества испускаются отрицательно заряженные частицы. В электрическом поле эти частицы образуют ток, который был назван фототоком. Электронная природа фототока была доказана позднее (1899 г.) опытами немецкого физика Ф. Ленарда. Столетовым впервые была изучена связь между силой фототока и интенсивностью падающего света и доказана практическая безинерционность явления. Схема соответствующего основного опыта приведена на рис. 1. Электроны, вырываемые из металлической пластины К при её освещении, движутся по направлению к сетчатому электроду А, находящемуся под положительным потенциалом относительно пластины К; фототок регистрируется гальванометром G.

Сила фототока зависит от светового потока, материала катода и от напряжения на электродах. Если все вырываемые электроны доходят до

3

анода, то в цепи устанавливается ток насыщения Iн. По закону Столетова,

при неизменном составе света, падающего на фотокатод, фототок насыщения пропорционален световому потоку, падающему на фотокатод:

Iн~Ф. (1)

По этой причине вакуумные фотоэлементы могут служить точными фотометрами, позволяющими измерять световые потоки. Следует отметить, что при достаточно больших световых потоках ток насыщения перестаёт увеличиваться пропорционально световому потоку - наступает насыщение фотоэлемента по световому потоку. Если световой поток, падающий на фотоэлемент, создаётся точечным источником, то его величина обратно пропорциональна квадрату расстояния R от источника до фотоэлемента:

Ф.

При уменьшении напряжения сила фототока тоже будет уменьшаться, так как до анода будет долетать лишь часть вырванных из катода электронов. При напряжении равном нулю фототок между катодом и анодом будет отличен от нуля, так как вырванные электроны имеют определенную скорость и некоторая их часть достигнет анода. Ток будет равен нулю, если создать между электродами замедляющее электроны электрическое поле. По величине задерживающей разности потенциалов U3, при которой ток обращается в нуль, из закона сохранения энергии можно определить скорость самых быстрых электронов:

(2)

где m, е, v - масса, заряд и скорость электрона. При U > U3 фототок будет отсутствовать.

Исследования Столетова и Ленарда привели к установлению основных законов фотоэффекта:

1.Число фотоэлектронов, испускаемых в единицу времени с единицы поверхности катода (фототок насыщения) при данном спектральном составе излучения, прямо пропорционально интенсивности света.

2.Для каждого вещества существует красная граница

фотоэффекта, т.е. такая наименьшая частота света λ0, при которой еще возможен внешний фотоэффект.

3.Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой падающего света и не зависит от его интенсивности.

Второй и третий законы фотоэффекта не могут быть объяснены с позиций классической электродинамики, согласно которой свет распространяется в виде непрерывных электромагнитных волн. Волна, падающая на металл «раскачивает» его электроны, которые в конце концов отрываются от металла. По теории вынужденных колебаний, чем больше

4

амплитуда световой волны (её интенсивность), тем больше скорость вылетевшего электрона. Опыты не подтвердили этого.

Механизм внешнего фотоэффекта был разъяснён в основных чертах в 1905 г. А. Эйнштейном на основе квантовых представлений о природе света, из которых следует, что излучение, поглощение и распространение света происходит не непрерывно, а отдельными порциями - квантами света. С этой точки зрения можно объяснить пропорциональность фототока насыщения падающему световому потоку. Действительно, величина светового потока определяется числом квантов света (фотонов), падающих на поверхность за единицу времени. В монохроматическом свете все фотоны имеют одинаковую энергию, равную h . Световой поток не взаимодействует сразу со всеми электронами облучаемого материала. Один квант света взаимодействует с одним электроном, отдавая ему при этом всю свою энергию. Получив достаточно большую энергию кванта h , электрон сможет совершить работу, необходимую для вылета электрона из катода. При таком представлении процесса взаимодействия квантов с веществом число освобождённых электронов должно быть пропорционально числу падающих фотонов.

Закон сохранения энергии при взаимодействии фотона с веществом выражается известным уравнением Эйнштейна:

Здесь А - работа выхода электрона с поверхности катода, mv2/2 - кинетическая энергия вырываемого электрона.

Из уравнения Эйнштейна следует, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона зависит не от интенсивности света, а от частоты света

и работы выхода А.

Рассмотрим, какими физическими процессами определяется работа выхода. Кристаллическая решётка металла построена из атомов, которые лишены одного или нескольких электронов, т.е. из положительных ионов металла. Электроны, оторванные от атомов, движутся по всему объёму металла и не связаны с каким-либо определённым местом решётки. Внутри металла электроны могут двигаться свободно, а возле поверхности они испытывают притяжение со стороны положительных ионов, расположенных на поверхности металла, что удерживает их в непосредственной близости к этой поверхности и мешает выходу за пределы металла. Наличие отрицательного слоя электронов и положительного слоя ионов создаёт на поверхности металла двойной электрический слой толщиной порядка 10-8 см с разностью потенциалов порядка 3 5 В.

При прохождении через двойной слой электрон совершает работу,

5

Облучая катод световым потоком, энергия которого передаётся электронам, мы наблюдаем эмиссию электронов - фотоэффект. Если энергия фотона меньше работы выхода (h < A), то фотоэффекта не будет. Фотоэффект начинается при условии, когда энергия фотона больше или равна работе выхода

электрон покидает металл со скоростью близкой к нулю - красная граница

фотоэффекта.

Красная граница фотоэффекта для различных металлов различна и зависит от величины работы выхода. Например, с поверхности металла цезия, работа выхода которого равна 1,9 В, испускаются электроны при освещении излучением, лежащим в любом участке видимого спектра. У вольфрама и платины фотоэффект можно вызвать лишь облучением ультрафиолетовыми лучами.

Фотоэлементы. Их устройство и характеристики.

Внешний фотоэффект находит широкое практическое применение. Приборы, действие которых основано на явлении фотоэффекта, называются фотоэлементами (ФЭ). Простейший тип вакуумного фотоэлемента и схема его включения показаны на рис. 1. Это откачанный стеклянный баллон, одна половина которого покрыта металлом, играющим роль фотокатода К. Наиболее стабильными в настоящее время являются сурьмяно-цезиевые катоды. Анод А обычно выполняется в виде кольца. Между анодом и катодом с помощью батареи Б создаётся разность потенциалов, регулируемая потенциометром R и измеряемая вольтметром V. При неосвещённом катоде ток в цепи фотоэлемента отсутствует. Возникающий при освещении фототок регистрируется микроамперметром μA, включенным в анодную цепь фотоэлемента.

Рис. 1. Схема включения вакуумного фотоэлемента

Очень важным для практики свойством вакуумных фотоэлементов является их практическая безинерционность. Время между началом освещения и моментом появления фототока в них не превышает 10-9 с.

Чувствительность вакуумных элементов не превышает 150 мкА/лм (световой поток в 1 лм (люмен) вызывает фототок в 150 мкА). Для усиления

6

фототока применяются фотоэлектронные умножители (ФЭУ) - приборы, в которых кроме фотоэффекта используется явление вторичной эмиссии электронов. ФЭУ представляет собой вакуумный фотоэлемент с несколькими (до 15-20) промежуточными электродами - эмиттерами (динодами). Эти электроды покрыты веществом, легко испускающим при ударе электроны. Свет, падающий на фотокатод, вырывает электроны, которые, попадая на диноды «размножаются», за счет вторичной электронной эмиссии. Коэффициент усиления электронного тока К=σn, где σ - коэффициент вторичной электронной эмиссии, n - число динодов, достигает 109 1011, так что даже отдельные фотоэлектроны создают на выходе ФЭУ импульсы тока большой амплитуды.

Работа фотоэлемента определяется вольтамперной характеристикой (ВАХ), которая выражает зависимость фототока от анодного напряжения. При направлении исследуемого светового потока на фотокатод, вырываемые с его поверхности электроны будут двигаться к аноду и ускоряться электрическим полем, создаваемого внешним источником электродвижущей силы Бу. Сила тока Iф, возникающего в цепи при неизменном составе и мощности излучения, зависит от разности потенциалов Uy между электродами. Вольтамперная характеристика вакуумного фотоэлемента при облучении монохроматическим светом представлена на рис. 2.

Рис. 2. Вольтамперная характеристика вакуумного фотоэлемента при облучении монохроматическим светом разного светового потока

Из рисунка видно, что с увеличением разности потенциалов фототок растёт до определённого предельного значения (ток насыщения) и полностью прекращается при наложении обратной по знаку (задерживающей) разности потенциалов U3, задаваемой батареей Б3. В последнем случае (U=U3) кинетическая энергия фотоэлектронов равна нулю. В связи с этим из уравнения Эйнштейна и соотношения (2) следует, что величина задерживающего потенциала зависит от частоты света, падающего на фотоэлемент:

7

Это соотношение указывает на возможность расчета работы выхода А и постоянной Планка h на основе экспериментального изучения зависимости

Рис. 3. Зависимость задерживающего потенциала U3 от частоты

Из уравнений (7), зная заряд электрона е, можно определить постоянную Планка:

красную границу фотоэффекта для материала фотокатода данного элемента. Условное продолжение прямой отсекает на оси координат отрезок, равный

Ае , что следует из уравнения (6) при =0. Тогда работа выхода, согласно рис. 4, определяется из соотношения:

8

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА.

Лабораторная установка (рис. 4) состоит из металлического корпуса 1, на котором установлен объектив 2 фотоэлемента и осветитель 3. Лампа осветителя установлена на подвижной каретке, которая может перемещаться вдоль установки. За счёт этого можно изменять расстояние от источника света до линзы фотоприёмника. Это расстояние измеряется по линейке 4. Для фиксации осветителя в определённой позиции служит зажимный винт 6. Имеется комплект из 5 светофильтров, которые устанавливаются на фотоприёмник. Перед фотоприёмником может быть установлена стойка 5 с вращающимися поляроидами, которые служат для ослабления светового потока, падающего на фотоэлемент.

Рис. 5. Лабораторная установка

Внутри металлического корпуса 1 расположен вакуумный фотоэлемент, блоки питания установки, а также встроенный датчик тока и напряжения, который служит для измерения фототока и катод-анодного напряжения фотоэлемента. Датчик имеет USB-разъем для подключения к компьютеру.

К приборам и принадлежностям относятся также компьютер с необходимым программным обеспечением.

Указания по технике безопасности

Перед выполнением работы получите инструктаж у лаборанта.

Соблюдайте общие правила техники безопасности работы в лаборатории "Оптика и атомная физика".

9

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

3.1.Порядок выполнения лабораторной работы с использованием компьютера

Получение волътамперной характеристики фотоэлемента

1.После включения компьютера запустите программу «Практикум по физике». На панели устройств выберете сценарий «Изучение внешнего фотоэффекта», «Определение постоянной Планка» проведения эксперимента (Alt+C) или кнопкой .

2.Включите питание установки, дайте ей прогреться в течение 5 минут, передвиньте источник света на отметку 25см. Зафиксируйте источник света с помощью зажимного винта. Поляроиды при этом следует извлечь из оправки.

3.Установите максимальную интенсивность света, полярность напряжения переключите на «-». Переключатель «Коэффициент усиления» установите в положение «х0.01».

4.Поверните ручку «напряжение» по часовой стрелке до упора. Установите синий светофильтр в объектив фотоприёмника.

5.Для построения вольтамперной характеристики фотоэлемента выберите из выпадающего списка зависимость I(U). Запустите измерения, нажав кнопку . Плавно вращайте ручку «напряжение» против часовой стрелки до упора, уменьшая тем самым задерживающее напряжение до 0. Переключите полярность на «+» и плавно вращайте ручку «напряжение» по часовой стрелке до упора, увеличивая тем самым ускоряющее напряжение.

Остановите измерения, нажав кнопку . По полученному графику вольтамперной характеристики определите значения задерживающего напряжения и максимального тока фотоэлемента и занесите их в таблицу 2 вашего отчета по лабораторной работе (Приложение 1). Для этого установите жёлтый вертикальный маркер (левая кнопка мыши) в соответствующие точки графика. Сохраните полученный график, пользуясь кнопкой под своим именем (Иванов_Петров_Сидоров_1.bmp) в указанной преподавателем директории на компьютере.

6. Повторите описанные в пунктах 3-5 действия, устанавливая на объектив фотоэлемента другие светофильтры. Для удобства сравнения характеристик Вы можете менять светофильтры не останавливая измерений и получая, таким образом, несколько характеристик на одном экране. Замену светофильтров рекомендуется производить при большом отрицательном напряжении на фотоэлементе.

10