502.2.2. Фотоэлемент.

Фотоэффект нашел свое применение в технике. Если облучаемое тело поместить в область, где существует электрическое поле, ускоряющее фотоэлектроны, то в данной области возникнет упорядоченное движение фотоэлектронов, называемое фотоэлектрическим током (фототоком). Таким образом, можно создать электронный прибор, состоящий как минимум из двух электродов (один из которых испускает электроны под действием электромагнитного излучения, например, света, называют катодом, другой – соответственно - анодом), между которыми будет существовать электрическое поле. Такой прибор называют фотоэлементом.

Зависимость тока от ускоряющего напряжения представлено на рис. 502.1.

Рис. 502.1

При в фотоэлементе будет существовать темновой ток, обусловленный утечкой тока между выводами фотоэлемента, термоэлектронной эмиссией электронов с поверхности катода и разностью работ выхода между анодом и катодом. В процессе работы реального фотоэлемента величина темнового тока может меняться.

При увеличении напряжения ток будет возрастать и при некотором напряжении рост тока прекратится. Это связано с тем, что все выбитые с поверхности электроны достигают анода. Дальнейшее увеличение напряжение не изменяет величину тока. В этом случае говорят о токе насыщения.

Ток насыщения пропорционален энергетической освещенности катода.

При уменьшении напряжения от величины фототок будет уменьшаться и пристанет равным нулю. Это связано с тем, что электрическое поле поменяло свое направление и тормозит электроны. В этом случае кинетическая энергия электронов идет на совершение работы против сил электрического поля. Напряжение, при котором ни один из фотоэлектронов не достигает анода, называют запирающим. В этом случае уравнение Эйнштейна имеет вид:

. (502.3)

3. Описание лабораторной установки.

Лабораторная установка (рис.502.2) состоит из источника света – ртутной газоразрядной лампы ДРШ, блока питания лампы ДРШ 1, универсального монохроматора УМ-2, фотоэлемента с цезиево-сурьмяным катодом 2, вольтметра 3, наноамперметра 4.

Источник света излучает линейчатый спектр, спектральные линии которого хорошо изучены.

Монохроматор выделяет из спектра узкие пучки монохроматического света и направляет его на фотоэлемент.

Ф

Рис. 502.2

отоэлемент включается в установку согласно схеме (рис.502.3).

Рис. 502.3

С помощью источника постоянного тока ИП и двуполюсного переключателя S на аноде фотоэлемента Ф можно создавать положительный (ускоряющее поле) и отрицательный (тормозящее поле) потенциалы. Напряжение между катодом и анодом фотоэлемента регулируется потенциометром R и измеряется вольтметром V. Электрический ток, протекающий в цепи фотоэлемента, измеряется наноамперметром nA.

3. Методика эксперимента.

Для определения красной границы фотоэффекта и постоянной Планка измеряются значения запирающего напряжения для нескольких наиболее ярких линий спектра ртути. Для этих же линий снимаются вольт - амперные характеристики в интервале напряжений 0 –3 В.

Для определения запирающего напряжения используется зависимость тока, протекающего через фотоэлемент от потенциала анода.

При в цепи фотоэлемента будет течет небольшой ток примерно равный по величине темновому току. Но так, как темновой ток зависит от множества параметров, то в ходе эксперимента он может меняться.

Значит, использовать для определения условие равенства фототока нулю нельзя, но в интервале напряженийплавно изменяя (увеличивая) отрицательный потенциал на аноде всегда можно определить то напряжение, при котором анодный ток прекратит уменьшаться. Найденное напряжение и будет искомым запирающим напряжением.

Для снятия вольт - амперных характеристик в интервале напряжений можно пренебречь темновым током, так как в данной области величина темнового тока много меньше величины фототока.

5. Порядок выполнения работы.

   1. Подготовка лабораторной установки к работе.

1. Ознакомьтесь с правилами работы с наноамперметром 4 и в соответствии с правилами подготовьте амперметр к работе.

2. Включите ртутную лампу. Для этого на блоке питания 1 последовательно включите тумблеры «ВКЛ» и «ЛАМПА ДРШ» и затем нажмите и удерживайте в нажатом положении черную кнопку до загорания лампы. ВНИМАНИЕ! Смотреть внутрь лампы очень опасно для здоровья!

3. При правильной фокусировке света лампы световое пятно расположено в центре крышки 5. Если световое пятно сдвинуто, сфокусируйте его поворачивая винт 9 конденсорной линзы.

4. Микровинтом 6 установите ширину входной щели монохроматора 0,20 мм.

5. Переведите затвор монохроматора 8 в положение «ОТКР», снимите крышку 2 с монохроматора.