2.2. Исследуемые закономерности

Для исследования внешнего фотоэффекта в работе используется вакуумный диод (фотоэлемент СЦВ-4), содержащий два металлических электрода (анод и катод) внутри стеклянной оболочки. При комнатной температуре в вакуумном промежутке между электродами содержится незначительное количество электронов, возникающее за счет эффекта термоэлектронной эмиссии металла. Освещение поверхности катода приводит к увеличению числа свободных электронов в этой области.

Зависимость силы тока Iот напряженияUна фотоэлементе имеет нелинейный характер. Причина нелинейности вольтамперной характеристикиI(U) – неоднородность распределения по скоростям вышедших из катода электронов вследствие их теплового движения. В случае отрицательной полярности подключения внешнего источника к электродам фотоэлемента с ростом напряженияUуменьшается доля электронов, имеющих кинетическую энергию, достаточную для достижения анода и, соответственно, уменьшается токI. При некотором значении обратного напряженияU = U_зполученной при фотоэлектронной эмиссии кинетической энергии электронов оказывается недостаточно, чтобы преодолеть тормозящее действие поля и сила тока, протекающего через фотоэлемент, обращается в ноль I(U_з) = 0. Это условие достигается при равенстве кинетической энергией фотоэлектрона изменению его потенциальной энергии при перемещении от катода к аноду:

.

Запирающее напряжение U_зв эксперименте измеряется прямым методом и с точностью до постоянного множителяе(элементарный заряд) совпадает с кинетической энергией фотоэлектрона . Теория Эйнштейна прогнозирует линейную зависимость запирающего напряжения от частотыэлектромагнитного излучения:

,

где ₀ = A/h– минимальная частота излучения, при которой возможен выход электрона из исследуемого металла. Аппроксимация результатов измеренияU_з() линейной функцией позволяет измерить ее параметры (рис. 2.1): работу выхода электронаA, граничную частоту_и отношение физических константh/e.

Рис. 2.1. Зависимость запирающего напряжения на фотоэлементе от частоты электромагнитного излучения

Сила тока сквозной проводимости фотоэлемента при большом положительном напряжении определяется только током фотоэлектронной эмиссии, величина которого не зависит от приложенного напряжения и представляет собой ток насыщения – асимптоту вольтамперной характеристикиI(U) фотоэлемента.

Рис. 2.2 Электрическая схема установки для исследования внешнего

фотоэффекта.

Электрическая схема экспериментальной установки представлена на рис. 2.2. Переключатель S3 предназначен для управления освещенностью Ф фотокатода. Он обеспечивает протекание тока разной величины в нити лампы накаливания Л1. С помощью переключателя S2 обеспечивается прямое или обратное подключение фотоэлемента ФЭ к источнику напряжения. Для изменения прямого и обратного напряжения между электродами ФЭ электрическая схема содержит, соответственно, потенциометры R1 и R2–R3. Сила тока сквозной электропроводности фотоэлемента измеряется микроамперметром PA, а напряжение между его электродами контролируется вольтметром PU.