Контрольные вопросы

1. Какое излучение называется тепловым? Какие характеристики вводят для описания теплового излучения?

2. Что называется поглощательной способностью тела? Какое тело называется абсолютно черным? Как на практике создать модель абсолютно черного тела?

3. Как формулируется закон Стефана-Больцмана? Что характеризует энергетическая светимость тела? Как записывается закон Стефана-Больцмана для реального (серого) тела?

4. Как связаны между собой испускательная и поглощательная способности тела? Запишите закон Кирхгофа. Каков физический смысл функции Кирхгофа?

5

Рис. 36

. На рис. 36 показано схематически распределение излучательной способности абсолютно черного и реального тела при одинаковой температуре. Какая из приведенных кривых описывает излучение абсолютно черного тела? В каком соотношении находятся излучательные способности этих тел при любой температуре для заданной длины волны?

6. Во сколько раз нужно увеличить температуру абсолютно черного тела, чтобы его энергетическая светимость возросла в 2 раза?

7

Рис. 37

. Что называется оптической пирометрией? Какие виды пирометров существуют? Какой из них использовали в данной лабораторной работе? Каков принцип его работы?

8. Что называется яркостной температурой и как она связана с истинной температурой тела?

9. Абсолютно черное тело поддерживается при постоянной температуре 1000 К. Площадь поверхности 250 см². Какова мощность излучения?

10. На рис. 37 приведена кривая зависимости спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела r_ от длины волны . К какой температуре относится эта кривая? Какой процент излучаемой энергии приходится на долю видимого спектра (400 нм  700 нм) при этой температуре (заштрихованная площадь)?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА

Цель работы: изучение вольт-амперной и световой характеристики газонаполненного фотоэлемента

Оборудование: газонаполненный фотоэлемент; оптическая скамья; вольтметр (500 В); микроамперметр (100 мА); регулятор напряжения (ЛАТР)

Внешний фотоэффект – это эмиссия (испускание) электронов с поверхности металла под воздействием света. Экспериментально установлены следующие законы внешнего фотоэффекта:

1) Максимальная скорость фотоэлектронов (_max), вылетающих с поверхности металла под действием света, определяется частотой излучения и не зависит от его интенсивности.

2) Для каждого металла существует пороговая (минимальная) частота ₀ света, при которой возможен фотоэффект. Эта частота называется «красной границей» фотоэффекта.

3) Число вырываемых фотоэлектронов с единицы площади поверхности катода за единицу времени (величина фототока), зависит от интенсивности падающего света и не зависит от частоты излучения (при выполнении условия  >₀).

4) Фотоэффект практически безинерционен.

Уравнение Эйнштейна, описывающее явление внешнего фотоэффекта, имеет вид:

(7-1)

где h - квант энергии падающего света; А_в – работа выхода электронов из металла (для данного металла А_в = const); - максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона.

Таким образом, фотоэффект наблюдается, если h ≥ А_в. Граничное условие:

(7-2)

есть условие «красной границы» фотоэффекта.

Из последнего соотношения следует, что пороговая (минимальная) частота равна

(7-3)

Рис. 38

Рис. 39

На явлении внешнего фотоэффекта основано действие вакуумных фотоэлементов, в которых энергия оптического излучения преобразуется в электрическую энергию. Вакуумный фотоэлемент представляет собой стеклянный баллон, из которого откачивают воздух. Внутренняя поверхность баллона покрыта светочувствительным слоем, который служит катодом К (рис. 38). В качестве анода служит кольцо (или сетка), расположенное в центре баллона. Свет через «окно» О падает на фотокатод и выбивает из него электроны, которые создают в цепи фотоэлемента фототок. Величина фототока пропорциональна освещенности катода.

Меняя напряжение в цепи фотоэлемента с помощью потенциометра (на рис. 38 не показан), можно получить зависимость фототока от приложенного напряжения: i_ф = i (U), при неизменной освещенности катода, которая называется вольт-амперной характеристикой фотоэлемента. На рис. 39 приведены две вольт-амперные характеристики, полученные при различных освещенностях катода, но при одинаковой частоте (причем E₁ > Е₂).

Из рис. 39 видно, что чем больше освещенность катода, тем больше величина фототока насыщения, т.е. если E₁ > Е₂ то соответственно i_н1 >i_н2.

Анализ вольт-амперных характеристик показывает, что при напряжении U = 0 фототок не исчезает. Это объясняется тем, что электроны, выбитые из катода, обладают отличной от нуля кинетической энергией и могут достигать анода без внешнего поля. Для того, чтобы фототок стал равным нулю, необходимо приложить задерживающее напряжение U = -U₀. При этом ни один фотоэлектрон не может преодолеть задерживающего поля. Согласно закона сохранения энергии можно записать равенство:

(7-4)

Величина потенциала U₀, при котором прекращается фототок в цепи фотоэлемента, называется задерживающим потенциалом.

Рис. 40

Другой важной характеристикой фотоэлемента служит световая характеристика, которая выражает зависимость фототока от светового потока, падающего на фотокатод при неизменном напряжении. На рис. 40 представлены две световые характеристики, построенные при различных напряжениях. Следует отметить, что каждая кривая i _ф = f(Ф) построена при вполне определенном напряжении (U₁ = const; U₂ = const).

Анализ кривых показывает, что величина фототока тем больше, чем больше напряжение (при Ф = const): если U₁ >U₂, то i_ф1 > i_ф2 при заданном световом потоке (сравните точки 2 и 3 на разных кривых при Ф₂ = const). С другой стороны, чем больше световой поток (Ф₂ > Ф₁), тем меньшее напряжение требуется для создания одного и того же тока (см. точки 1 и 3): если Ф₂ > Ф₁, то U₂ < U₁ (при i_ф1 = const).

Световой поток – это световая характеристика излучения, численно равная количеству световой энергии dW_, падающей на поверхность фотоприемника за единицу времени.

Световой поток, падающий на фотокатод, определяет его освещенность.

, (7-5)

где S – площадь фотокатода.

При нормальном падении света на поверхность ее освещенность определяется по закону Ламберта

(7-6)

где I_ - сила света источника, измеряемая в канделах (кд), характеризующая световой поток, распространяющийся внутри телесного угла в 1 стерадиан; r – расстояние между фотоэлементом и лампой.

Приравнивая правые части выражений (7-5) и (7-6), выразим световой поток, падающий на фотокатод.

(7-7)

Площадь S фотокатода указывают на установке, а силу света I_ можно определить из справочной табл. 25 (прилож. V).

Итак, рассчитав световой поток по формуле (7-7) и измерив величину фототока, можно установить зависимость между фототоком и световым потоком, т.е. получить световую характеристику фотоэлемента: i_ф = f (Ф).

Интегральной чувствительностью фотоэлемента называется величина, характеризующая изменение фототока насыщения при изменении светового потока на Ф = 1 лм.

(7-8)

где  - измеряется в мкА/лм.

Величину  легко можно определить, используя световую характеристику (рис. 40). Для этого следует выбрать две произвольные точки на прямолинейном участке характеристики (точки 1 и 2) и, опустив перпендикуляры из этих точек на координатные оси, определить i_ф и Ф и по формуле (7-8) рассчитать .

Для увеличения чувствительности фотоэлемента его баллон заполняют инертным газом (Ar, Ne) при давлении Р = 1,3  13 Па. Величина фототока при этом значительно увеличивается при одинаковом изменении светового потока. Вследствие ударной ионизации молекул газа фотоэлектронами число электронов в баллоне резко возрастает. При этом интегральная чувствительность фотоэлемента во много раз возрастает по сравнению с чувствительностью вакуумного фотоэлемента. Для сравнения: _вак  160 мкА/лм; _газ = 1000 мкА/лм.

Экспериментальная установка приведена на рис. 41. На оптической скамье (ОС) закреплен патрон с лампой накаливания (ЛН). Фотоэлемент (ФЭ) можно перемещать вдоль оптической оси, располагая его на различных расстояниях от источника излучения, изменяя тем самым освещенность фотокатода: чем ближе ФЭ к ЛН, тем больше освещенность катода.

Д

Рис. 41

ля уменьшения действия рассеянного света помещения установка закрыта светонепроницаемым кожухом (на рис. 41 не показан). Электрическая схема (на рис. 41 выделена пунктиром) собрана на отдельном стенде, который подключают к фотоэлементу.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

ЗАДАНИЕ 1. Изучение вольт-амперной характеристики фотоэлемента

1. Включите ЛАТР и лампу накаливания в сеть (220 В). Установите фотоэлемент на максимальном расстоянии (r  40 см) от лампы. Показания вольтметра, которым снабжен ЛАТР, и вольтметра V в цепи фотоэлемента (рис. 41) должны быть равны «0».

2. Запишите в табл. 12 показания вольтметра V (U = 0) и микроамперметра А (i_ф0).

3. Вращая ручку ЛАТРа, установите напряжение в цепи фотоэлемента 10 В (по вольтметру V). Запишите показания микроамперметра А (i_ф1) и значение напряжения (U₁ = 10 В) в табл. 12.

4. Изменяя напряжение каждый раз на U = 10 В вплоть до 200-250 В записывайте значения U и i_ф в табл. 12. Опыты повторите до насыщения тока (при повторных измерениях ток не изменяется).

5. Повторите опыты (п.п. 2-4) при двух других расстояниях (40 ≥ r ≥ 10 см), уменьшая его не мнее, чем на 5 см. Результаты всех измерений занесите в табл. 12.

6. По полученным данным постройте три вольт-амперные характеристики на одном чертеже. Сделайте вывод.

Таблица 12

№ опыта	r1 = …, см		r2 = …, см		r3 = …, см
	U, В	iф, мкА	U, В	iф, мкА	U, В	iф, мкА
1 2 3 . . .

ЗАДАНИЕ 2. Изучение световой характеристики фотоэлемента

1. Установите фотоэлемент на расстоянии r₁ от лампы (см. табл. 12). С помощью ЛАТРа подайте напряжение U₁, близкое к U_н при заданном расстоянии r = r₁. Запишите значение U₁ и значение фототока в цепи при заданных условиях в табл. 13.

2. Повторите опыт не менее 5 раз по определению фототока при

U₁ = const, меняя расстояние до источника (r ≥ 10 см). Результаты занесите в табл. 13. Ближе, чем на 10 см приближать фотоэлемент к лампе не рекомендуется.

3. По формуле (7-7) рассчитайте световой поток для каждого опыта. Результаты занесите в табл. 13. Значение силы света I_ возьмите в табл. 25 (прилож. V); площадь катода S – указана на установке.

4. Повторите опыты (п.п. 1-3) при другом напряжении U₂ >U₁, но при тех же расстояниях фотоэлемента до лампы. Результаты занесите в табл. 13.

5. Постройте на одном чертеже две световых характеристики:

i _ф = f (Ф). Сделайте вывод.

6. Оцените интегральную чувствительность фотоэлемента по формуле (7-8). Для этого выберите на одной из световых характеристик (U₁ = const) на прямолинейном участке две произвольные точки 1 и 2 (рис. 40) и, опустив перпендикуляры на координатные оси, определите значения i_ф и Ф, а затем по формуле (7-8) рассчитайте ₁. Результаты занесите в табл. 14

7. Вычисление чувствительности ₂ повторите, выбрав две точки на другой характеристике (U₂ = const). Результаты занесите в табл. 14. Сравните ₁ и ₂ и сделайте вывод.

Таблица 13

I, кд	S, см2	№ опыта	r, см	Ф, лм	U1 = … В	U2 = … В
					iф1, мкА	iф2, мкА
		1 … 5

Таблица 14

№ п/п	U, В	iф, мкА	Ф, лм	, мкА/лм
1 2