Физика_Семестр3_Лабы / Работа 54

1

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 54

Снятие вольт амперных характеристик вакуумного фотоэлемента.

Цель работы: Изучение явления внешнего фотоэффекта и определение основных характеристик вакуумного фотоэлемента.

ВВЕДЕНИЕ

Внешним фотоэффектом или фотоэлектронной эмиссией называется испускание электронов веществом под действием облучения светом.

Электроны, вырванные под действием света, называются фотоэлектронами. Фотоэлектрическими свойствами обладают как металлы, так и диэлектрики, а также полупроводники и электролиты, причем необходимым (но недостаточным) условием фотоэффекта является заметное поглощение используемого света в поверхностном слое освещаемого тела. Фотоэлектрический эффект вызывается не только ультрафиолетовыми лучами. Щелочные металлы — литий, натрий, калий, рубидий, цезий — весьма чувствительны к фотоэлектрическому действию и в видимой области спектра. А специальная обработка поверхностей этих и других металлов делает их способными испускать фотоэлектроны даже под действием инфракрасных лучей.

Это явление было открыто Генрихом Герцем (1887г.), а затем исследованно Столетовым, Гальваксом, Ленардом и другими учеными.

В результате этих исследований были установлены следующие законы

фотоэффекта:

Если речь идет о фотоэлементе, то коэффициент k = Iнас./Ф называют

чувствительностью фотоэлемента; эта величина численно равна силе фототока насыщения при световом потоке, равном единице. При этом фототек измеряется в амперах (А), а световой поток в люменах (лм).

2. Максимальная кинетическая энергия вырванных светом электронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интен-

сивности.

3. Фотоэффект не возникает, если частота падающего света меньше некоторой характерной для данного металла величины min.

Эта так называемая красная граница фотоэффекта, то есть граница со стороны длинных (красных) волн и тем самым со стороны малых частот излучения ( = с/ ).

2

Было также установлено, что процесс выбивания электронов является практически безынерционным задержка между моментом начала облучения поверхности металла и моментом образования свободных электронов составляет величину, не превышающую 10-4 с.

Первую закономерность фотоэффекта, а также возникновение самого фотоэффекта легко объяснить, исходя из волновой модели излучения. Действительно, световое поле, воздействуя на электроны внутри металла, возбуждает их колебания. Амплитуда вынужденных колебаний может достичь такого значения, при котором электроны покидают металл; тогда и происходит фотоэффект.

Ввиду того что согласно классической теории интенсивность света прямо пропорциональна квадрату электрического вектора Е , число вырванных электронов возрастает с увеличением интенсивности света.

Вторая и третья закономерности законами классической физики не объясняются.

Действительно, согласно классическим представлениям энергия электронов, выбиваемых из металла, должна определяться интенсивностью излучения, а эксперимент показывает, что энергия электрона не зависит от интенсивности излучения, а зависит лишь от его частоты.

В рамках волновой модели нельзя объяснить и существование граничной частоты излучения. При любой частоте излучения всегда можно, увеличиваянапряженность поля излучения, реализовать сколь угодно большую величину колебательной энергии.

Другое резкое расхождение с опытом получится, если на основе приведенного объяснения оценить время возникновения фотоэффекта. По классической волновой теории фотоэффект должен протекать с запаздыванием. Между тем опыт показывает, что фотоэффект протекает безынерционно, то есть фототок появляется мгновенно — одновременно с освещением. Именно на такой безынерционности основаны практически все научно-технические применения фотоэффекта.

Явление фотоэффекта и все его закономерности хорошо объясняются с помощью квантовой теории света, что подтверждает квантовую природу света.

Эйнштейн (1905 г.), развивая квантовую теорию Планка, выдвинул идею, согласно которой не только излучение и поглощение, но и распространение света происходит порциями (квантами), энергия и импульс которых:

= h ,

где

Применяя к явлению фотоэффекта в металлах закон сохранения энергии, Эйнштейн предложил следующую формулу:

3

гд е А работа выхода электрона из металла, v скорость фотоэлектрона. Согласно Эйнштейну, каждый квант поглощается только одним электроном, причем часть энергии падающего фотона тратится на совершение работы выхода электрона металла, оставшаяся же часть сообщает электрону кинетическую энергию mv2/2.

Фотоэффект возникает при неупругом столкновении фотона с электроном. При таком столкновении фотон поглощается, а его энергия передается электрону. Таким образом, электрон приобретает кинетическую энергию не постепенно, а сразу — в результате единичного акта столкновения. Этим и объясняется безинерционность фотоэффекта.

Энергия поглощаемого фотона может затрачиваться на отрыв электрона от атома внутри металла. Оторванный электрон может взаимодействовать с атомом внутри металла, растрачивая энергию на тепло. Максимальной энергией вылетевший электрон будет обладать тогда, когда внутри металла он был свободен, то есть не связан с атомом, а при вылете наружу не расходовал энергию на тепло. В этом случае кинетическая энергия электрона тратится только на преодоление задерживающих сил, действующих в поверхностном слое металла, то есть на работу выхода.

Прежде чем анализировать формулу Эйнштейна, необходимо выяснить, как может «свободный электрон в металле» поглотить фотон. Не противоречит ли это утверждению, согласно которому поглощение фотона свободным электроном несовместимо с законами сохранения энергии и импульса? На самом деле противоречия нет. Противоречие возникает из-за неудачной терминологии. «Свободный электрон в металле» в действительности не свободен. Он как бы заперт в ящике, вблизи стенок которого действует задерживающее поле. Фотон взаимодействует не только с электроном, но происходит взаимодействие обеих этих частиц с металлом в целом. При взаимодействии же трех тел законы сохранения энергии и импульса могут выполняться одновременно. Импульс фотона воспринимается как электроном, так и металлом, энергия же передается только электрону, так как масса металла может считаться бесконечно большой.

Как следует из (2), фотоэффект в металлах может возникнуть только при h A, в противном случае энергия фотона будет недостаточной для вырывания электрона из металла. Наименьшая частота света min, под действием которого происходит фотоэффект, определяется, очевидно, из условия:

Частота света, определяемая условием (4), называется «красной границей» фотоэффекта. Слово «красная» не имеет никакого отношения к цвету света, при котором происходит фотоэффект. В зависимости от рода металлов «красная граница» фотоэффекта может соответствовать красному, желтому, фиолетовому, ультрафиолетовому свету и так далее.

4

Таким образом, «красная граница» зависит только от работы выхода. Для щелочных металлов (К, Rb, Сs) работа выхода мала и «красная граница» попадает в видимую часть спектра (для других металлов она находится в ультрафиолетовой). Именно поэтому щелочные металлы и используется для изготовления фотокатодов.

С помощью формулы Эйнштейна можно объяснить и другие закономерности фотоэффекта.

ОПИСАНИЕ УСТАНОКИ

Экспериментальная установка для снятия вольтамперных характеристик изображена на рис.1.

Рис.1

F- вакуумный фотоэлемент, который представляет собой баллон с двумя электродами: катодом К, покрывавшим часть внутренней поверхности баллона и содержащим щелочной металлу и металлическим анодом А. Под действием света от источник а L катод эмитирует электроны, которые будут совершать направленное движение к аноду, если на него, подать положительный по отношению к катоду потенциал; так возникает фототок I. Изменяя с помощью потенциометра R напряжение U между катодом К и анодом А, фиксируем соответствующие фототоки I и строим график зависимости I=f(U)- вольтамперную характеристику, которая снимается при постоянном световом потоке Ф падающем на фотокатод (рис.2).

Фотоэлектроны, вырванные при освещении из катода, увлекаются приложенным напряжением к аноду и замыкают цепь. С помощью гальванометра определяется сила электрического тока в цепи, а с ней и количество фотоэлектронов, достигающих анода в единицу времени.

Если при постоянных интенсивности и частоте падающего света менять напряжение U между анодом и катодом, то зависимость фототока I от U представится кривой, схематически изображенной на рис. 2. Она называется характеристикой фотоэлемента, то есть того прибора, в котором наблюдается фотоэффект. При увеличении напряжения характеристика переходит в горизонтальную прямую, которой соответствует максимальный ток. Он

5

называется током насыщения. Насыщение достигается тогда, когда все электроны, вырванные светом с поверхности катода, попадают на анод. Дальнейшее повышение напряжения не меняет силу фототока: она определяется только количеством ежесекундно вырываемых электронов.

Расположенный в области отрицательных напряжения "хвост" характеристики (в равной работе не снимается) образуется в результате того, что покидающие фотокатод электроны мoгyт достигнуть анода при U = 0 и даже при U<0 за счет своей кинетической энергии. При U = U3 фототок I о6ращается в нуль. Такое напряжение называется задерживающим напряжением. При U < U3 даже самые быстрые электроны не достигают анода. Измеряя U3 можно рассчитать максимальную кинетическую энергию испускаемых фотоэлектронов, пользуясь законом сoxpaнeния энергии:

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.Установить источник света на расстоянии r1=0,10м от фотоэлемента. Увеличивая напряжение между анодом и фотокатодом с помощью потенциометра от нуля через I В, фиксировать соответствующие фототоки. Измерения прекращаются, когда после увеличения напряжения на несколько вольт сила фототока остается постоянной, то есть достигается фототок насыщения IНАС.

2. Устанавливая источник света на расcтояниях r2 = 0,15м , r3 = 0,20м, r4 = 0,25м, провести аналогичные измерения при каждом положении источника /пункт I/.

3.Результаты измерений занести в таблицу 1.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

1. Вычислить значения светового потока Ф /лм/, соответствующие всем четырем положениям источника на формуле

3. По данным таблицы 1 построить на миллиметровой бумаге семейство вольтамперных характеристик I = f(U) при Ф = const в одной системе координат.

4. Используя еще раз данные построить еще один график – зависимость фототока насыщения IНАС от светового потока IНАС = f(Ф).

5. По этому графику определить среднее значение чувствительности фотоэлемента k (А лм-1).

7

Цена деления гальванометра: 1 дел. = 5 10-8 А.

8

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.В чем состоит явление внешнего фотоэффекта?

2.Сформулируйте основные законы фотоэффекта.

2.Напишите уравнение Эйнштейна и разъясните его физический смысл.

3.Что называется красной границей фотоэффекта и от чего она зависит?

4.Начертить схему установки для снятия вольтамперных характеристик

иобъяснить ее работу.

5.Каким способом можно определить максимальную скорость испускаемых, фотоэлектронов?

ЛИТЕРАТУРА

1Савельев И.В. Курс общей физики. Учебное пособие: Для втузов. В 5 книгах. М.: Наука. Физматлит, 2003.

2 Детлаф А.А., Яворский В. М. Курс физики. М.: Высшая школа, 2000. 3 Ремизов А.Н., Потапенко А.Я. Курс физики. М.: Дрофа, 2002.

4Калашников Н.П., Смондырев М.А. Основы физики: Учебник для вузов: В 2 томах. М.: Дрофа, 2003.

5 Дмитриева В.Ф., Прокофьев В.Л. Основы физика. М.: Высшая школа, 2001.

6 Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Высшая школа, 2003.