Список литературы

1. Ландсберг Г.С. Оптика/М.: Наука, 1976.

2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики/М.: Высш.шк., 2002. - Т. 3.

Работа 38е Внешний фотоэффект

Цель работы: снятие вольт-амперной характеристики фотоэлемента и исследование зависимости возникающего в фотоэлементе фототока от потока излучения, падающего на чувствительную поверхность фотоэлемента.

Приборы и принадлежности: фотоэлемент, микроамперметр, лампа накаливания, оптическая скамья с держателями для фотоэлемента и лампы, выпрямитель, потенциометр, вольтметр, соединительные провода, светофильтры.

Введение. Вещество может поглощать энергию падающих на него световых волн. Вследствие этого вещество может испускать с поверхности электроны. Внешним фотоэффектом называется явление вырывания электронов с поверхности вещества под действием падающего на вещество света.

Явление фотоэффекта было открыто Герцем в 1887 г., а затем подробно изучено А.Г.Столетовым (1888г.).

Схема установки А.Г.Столетова для изучения явления и свойств фотоэффекта приведена на рис.1. Поток света падает на конденсатор, состоящий из двух пластин. Одна пластина представляет собой металлическую сетку (А), сквозь которую свет может свободно попадать на вторую пластину; при попадании света на вторую пластину (К), с её поверхности вырываются электроны. Б - батарея, с помощью которой создается дополнительное электрическое поле между пластинами конденсатора, батарея может подключаться разными полюсами к платинам А и К, батарея подключена к пространству А-К через потенциометр П, что позволяет регулировать долю напряжения от батареи, подающегося на электроды А и К; G – гальванометр для измерения силы тока и направления тока, возникающего в цепи при освещении пластины К светом; напряжение между пластинами А и К измеряется с помощью вольтметра V.

А.Г.Столетов установил, что при освещении светом (в опытах Столетова источником света служила электрическая дуга) пластина К теряет свой заряд; при этом гальванометр Г показывает наличие тока. Позднее было установлено, что катод испускает электроны. Используемая в опытах Столетова схема представляет собой простейший фотоэлемент с внешним фотоэффектом. Пластина К носит название фотокатода, а пластина А - фотоанода. Испускаемые фотокатодом электроны называют фотоэлектронами, а возникающий электрический ток - фототоком.

Изменяя напряжение между фотокатодом и фотоанодом и измеряя силу тока в цепи можно получить вольт-амперную характеристику фотоэлемента, т.е. зависимость силы тока, протекающего по цепи от напряжения (разности потенциалов) между электродами . На рис.2 приведена вольт-амперная характеристика фотоэлемента при постоянном потоке электронов (=const, Ф - поток излучения).

Ток в цепи регистрируется даже, если между фотокатодом и фотоанодом не приложено дополнительное напряжение (). При подаче напряжения от батареи сила тока может увеличиваться или уменьшаться. Если полюса батареи подключены так, что положительный потенциал подаётся на анод, а отрицательный на катод, то в пространстве катод-анод возникает дополнительное электрическое поле, напряжённость которого направлена от анода к катоду, поэтому поле ускоряет электроны, вылетевшие с поверхности катода, сила тока растёт. Такое подключение называется прямым, а часть вольт-амперной характеристики называется прямой ветвью вольт-амперной характеристики (I). При дальнейшем увеличении прямого напряжения наступает насыщение зависимости, т.е. сила тока перестаёт расти и остаётся постоянной. Насыщение наступает при таком значении , когда все электроны испускаемые фотокатодом за единицу времени, достигают анода. На вольт-амперной зависимости это соответствует частиIII. Если поменять полярность подключения батареи, то возникшее электрическое поле, имея теперь обратное направление, будет тормозить электроны, вылетающие с катода, сила тока уменьшается. Такое подключение называется обратным, а соответствующая часть вольт-амперной характеристики называется обратной ветвью вольт-амперной характеристики (II). При определённом значении обратного напряжения сила тока в цепи оказывается равной нулю. Такое напряжение называется запирающим напряжением ().

Закономерности, наблюдаемые при изучении внешнего фотоэффекта можно сформулировать в виде законов фотоэффекта.

Законы внешнего фотоэффекта

1. При постоянном спектральном составе потока излучения (при освещении катода монохроматическим потоком света, т.е. светом с одной длиной волны) фототок насыщения пропорционален потоку излучения:

, (1)

 называют интегральной чувствительностью фотокатода, n - число электронов, попадающих на анод за единицу времени.

Зависимость (1) называется люкс-амперной характеристикой фотоэлемента, поскольку сила тока прямо пропорциональна освещённости⁴ поверхности катода, а величина потока падающих на поверхности катода электронов прямо пропорциональна их количеству: ~, ~. Графически зависимость представлена на рис.3. Закон был впервые сформулирован А. Г. Столетовым. (Следует отметить, что закон Столетова строго выполняется лишь для вакуумных фотоэлементов).

Закон Столетова можно объяснить, используя квантовую теорию света. Опираясь на гипотезу Планка, А.Эйнштейн предположил, что свет не только испускается, но поглощается и распространяется, в виде отдельных порций электромагнитного излучения - квантов энергии электромагнитного поля, получивших название фотонов. Фотон – квант света – обладает энергией . Фотон не имеет массы покоя, он существует только пока движется. Скорость движения фотона равна скорости света в вакууме, т.е.. Масса движущегося фотона равна. Импульс фотона равен.

2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты падающего монохроматического света

Рассмотрим подробнее вольт-амперную характеристику фотоэлемента, рис.2. При освещении катода светом часть вылетевших с поверхности катода электронов достигают анода, замыкая электрическую цепь. Следовательно, эти электроны обладают кинетической энергией . Для прекращения электрического тока необходимо подключить батарею в обратном направлении и приложить запирающее напряжение. Из закона сохранения энергии следует, что;- масса электрона,- заряд электрона.

Меняя частоту падающего монохроматического света, можно найти зависимость максимальной кинетической энергии от частоты падающего света. Экспериментальные исследования показали, что эта зависимость является линейной:

, (2)

где а и и - константа, b зависит от материала катода.

График зависимости (2) показан на рис. 4. Линейный характер зависимости был также объяснен на основе квантовых представлений о природе света.

На рисунке 5 а,б приведены вольт-амперные характеристики внешнего фотоэффекта при разных значениях потока электронов (а) и при разных частотах падающего на катод света (б).

При падении фотонов на поверхность металла происходит взаимодействие фотонов и электронов. Согласно однофотонной теории фотоэффекта, электрон получает энергию только одного фотона. Эта энергия расходуется на работу выхода электрона из металла и сообщения ему кинетической энергии.

В соответствии с законом сохранения энергии максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона равна

. (3)

Здесь - работа выхода электрона из металла, равная той наименьшей энергии, которую необходимо сообщить электрону для того, чтобы удалить его из твердого или жидкого вещества в вакуум, когда его кинетическая энергия равна нулю.

Выражение (3) носит название уравнения Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Оно имеет смысл закона сохранения энергии.

Из уравнения (3) следует соотношение (2):

.

3. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота или максимальная длина волны света, при которой ещё возможен внешний фотоэффект. Величина (и, соответственно,,- электромагнитная постоянная, совпадающая со скоростью света в вакууме) зависит от химической природы вещества и состояния его поверхности.

Значения граничных частот и длин волн определяются из условия .

При облучении вещества светом, длина волны которого больше, чем (или частота которого меньше, чем), фотоэффект не наблюдается.

Следует отметить, что при обычных интенсивностях света при взаимодействии света с веществом в элементарном акте поглощается один фотон. При больших интенсивностях, например в световых пучках, генерируемых лазерами, в элементарном акте взаимодействия могут поглощаться несколько фотонов. Такое поглощение называется многофотонным.

Фотоэлементы. Устройство фотоэлементов

Фотоэлементами называются устройства, в которых световая энергия преобразуется в электрическую. На внешнем фотоэффекте основано устройство фотоэлементов, широко применяемых в разных областях техники. Фотоэлементы бывают вакуумные и газонаполненные.

Вакуумный фотоэлемент (рис. 5) представляет собой стеклянный или кварцевый баллон, на внутреннюю стенку которого нанесен слой К светочувствительного щелочного металла. Этот слой К имеет контакт с проводником, выведенным из баллона. В середине баллона расположено кольцо А, имеющее контакт с другим проводником, выведенным из баллона. Кольцо А соединяется с положительным полюсом батареи (фотоанод), слой К - с отрицательным полюсом батареи (фотокатод). Фотоэлектроны, испускаeмые фотокатодом при его освещении, достигают анода, создавая ток в цепи. На вольт-амперной характеристике вакуумного фотоэлемента наблюдается область насыщения.

Газонаполненный фотоэлемент отличается от вакуумного тем, что он наполнен каким-либо инертным газом (He, Ne, Ar). Эти фотоэлементы обладают большей чувствительностью, чем вакуумные, и ток насыщения в них отсутствует.

Описание установки и содержание работы

В работе исследуются основные характеристики фотоэлемента с внешним фотоэффектом.

Исследования производятся при помощи установки, состоящей из оптической скамьи, на которой расположен исследуемый фотоэлемент и электрическая лампочка – источник света. Схема установки приведена на рисунке 6.

З

Рис.6.

десь ФЭ исследуемый вакуумный фотоэлемент; ВУП-2  выпрямитель универсальный полупроводниковый для питания анодной цепи; V - вольтметр для измерения величины анодного напряжения: А - микроамперметр; Л - осветительная лампа.