оптика / Лабораторки

Частным случаем внутреннего фотоэффекта является вентильный

фотоэффект.

ка

различной проводимости (или металла и полупроводника) вследствие

внутреннего фотоэффекта.

е

слой» (толщина которого ≈ 10 -4

– 10-5

о

см), который обуславливает пропускание

тока только в одном направлении.

и

При освещении светом

области контакта вследствие твнутреннего

фотоэффекта в этой области возрастает число свободных носителей тока. Это

л

приводит к возникновению в этой области разности потенциалов, т.е. к

возникновению фотоЭДС.

б

Таким образом, при облучении светом места контакта образуется элемент,

способный служить источником тока.

и

В этом заключается вентильный фотоэффект.

его использования. Фотоэлементы служат для превращения энергии света в

электрическую энергию.

б

Простейший тип

вакуумного фотоэлемента

представляет

собой

стеклянный баллон,

н

покрыта

изнутри

одна половина которого

электрод - металлический а од, имеющий форму сферы, полусферы или

кольца (рис, 2)

р

о

е

к

т

Э

лВыводы от анода и катода впаяны в нижнюю часть баллона. Воздух из

напряжении достигает насыщения, при котором все вылетающие из

атода

электроны попадают на анод: дальнейшее

увеличение напряжения

уже не

приводит к увеличению тока.

ка

Важнейшими характеристиками фотоэлементов с внешним фо оэффектом

являются:

т

е

1)

вольтамперная характеристика,

и

о

2)

световая характеристика,

3)

чувствительность фотоэлемента.

На рисунке изображена вольтамперная характеристика фотоэлемента.

и

б

л

I=f(U)

I

ая

б

In

U3

0

U

н

Рис.3

с бенностямин

Она отличается двумя

:

а) как видно из графика, при некотором очень небольшом значении

ускоряющей

азностиопотенциалов

U ток достигает насыщения Iн и все

электроны, испущенные катодом, попадают на анод.

Величина силы окар

насыщения Iн

определяется количеством

электронов,

испускаемых

атодом в единицу времени под действием света.

т

б) Если вакуум в фотоэлементе довольно высокий, то электроны,

вырванные ксв том из катода, попадают на анод, и в цепи появляется ток даже

при отсутствии ускоряющего электрического поля (U=0). Это

значит, что

л

е

Разность потенциалов тормозного поля Uз (на

катоде +, на аноде -),

при

котором фототок прекращается, называется задерживающим потенциалом.

Задерживающий потенциал определяется из соотношения:

ка

где

- работа задерживающего электрического поля,

- кинетическая энергия фотоэлектрона.

Зависимость фототока от величины светового потока, падающегое

на

фотоэлемент при

постоянном напряжении на

нем,

называется

световой

характеристикой фотоэлемента

и

о

т

I=f(Ф).

Спектральная

чувствительность γλ

опреде яется

величин

отношением

б

фототока к падающему на фотоэлемент световому потоку монохроматического

излучения:

б

и

л

Спектральная характеристика отражает характер зависимости силы тока,

ая

величин фототока к световому потоку «белого» света:

н

(2)

Для увеличения чувствительности фотоэлементы наполняют инертным газом

т

10-2 мм. рт. ст..

{Ar, Ne, Не ...) п и давленияхо

Фотоэлемен ы, наполненные газом, получили название газонаполненных

к

р

фотоэлемен ов.

двигаясь

с

большой

скоростью

к аноду, ионизируют

фотоэлементы,

е

молекулы инертного газа.

Полученные

в

результате

ионизации

вторичные

электроны, ускоряясь

л

электрическим полем, также ионизируют молекулы газа, благодаря чему к

аноду устремляются все возрастающее число электронов.

Э

От газонаполненных фотоэлементов удается получить» благодаря ионизации

фотоэлементы менее стабильны в работе и обладают большей инерционностью,

чем вакуумные.

ка

которых

основано

на способности некоторых полупроводников,

например

селена,

изменять

е

Для их

свою электропроводность под влиянием света.

лучам.

т

Основным недостатком фотосопротивлений является их большая

инерционность: изменение фототока запаздывает относ тельноо

изменения

освещенности фотоэлемента. Поэтому они непригодны для регистрации

быстропеременных световых потоков.

и

На внутреннем фотоэффекте основана еще одна разновидность

фотоэлемента -

фотоэлемент

с запирающим

слоем, или

вентильный

фотоэлемент.

л

Примером вентильных фотоэлементов

может

служить

меднозакисный

фотоэлемент. Схема его дана на рис. 4.

б

и

б

C

ая

P

G

н

Cu2O

M

Cu

о

н

Рис.4

Он сос оит

из медной

пластинки

«М», на

которую

наложен слой

р

полупроводни а «Р» (закись меди Си20), поверх которого нанесена,

полупрозрачнаятметаллическая пластинка «С», обычно из золота.

Если со динить электроды «М» и «С» электрической цепью, содержащей

к

гальваном тр G, и осветить полупроводник (Сu20), то по цепи пойдет ток, сила

которого будет пропорциональна

интенсивности освещения.

В зоне контакта

е

по упроводника с металлом (или в зоне контакта двух полупроводников разной

Э

л

фотоэлементы не требуют внешнего источника ЭДС и служат источниками

электрической энергии.

ка

Кроме меднозакисных фотоэлементов употребляю ся

сернисто-

серебряные, селено-свинцовые, сернисто-калиевые.

о

т

е

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Для исследования вакуумного фотоэлемента пользуются установкой,

состоящей из оптической скамьи, на которой расположени

исследуемый

фотоэлемент и источник белого света (лампочка нака ивания).

Схема включения фотоэлемента изображена на рис. 1.

и

б

л

также может быть, использован для исследован я вентильного фотоэффекта.

б

Световой поток Ф (лм), падающий на чувств тельный слой фотоэлемента,

рассчитывается по закону фотометрии:

ая

-3 м2.

Ф=ES, где S-площадь поверхности фотокатода. S = 10

н

попадает на фотоэлемент. Изменение длины волны падающего света

осуществляют сменой светофильтров, в предназначенном для них гнезде.

н

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

о

УПРАЖНЕНИЕ 1. СНЯТИЕ ВОЛЬТАМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

р

1. Собрать цепь по схеме рис. 1.

т

=5 см и

2. Установить источник света вплотную с фотоэлементом l1

включи ь пи ание фотоэлемента и лампочки накаливания.

к

3. Изменяя с помощью потенциометра П напряжение U от нуля до

максимального значения с интервалом 10 В, отметить соответствующие

е

показания ми роамперметра и записать эти значения в таб. 1.

л

Таблица 1

Э

и, В

0

10

20

…

150

1, мкА

75

1. Подать на фотоэлемент напряжение U1=150

о

т

е

В и устан вить источник

света (лампу) как можно ближе к

нему

l1 =

5

и

включить

лампу

см,

накаливания. Записать показания микроамперметра (фототок).

2.

л

Удаляя источник света, через каждые 5 см записывать значения

фототока и соответствующие ему

расстояния

между

осветителем и

фотоэлементом в таблицу 2.

б

3.

Одновременно,

с

помощью люксметра

измерить

для

всех

и

расстояний соответствующие значения освещенности и рассчитать

значения светового потока.

б

= 100 В и вновь

4. Уменьшить напряжение на фотоэлементе до U2

снять световую характеристику (повторяя пункты 2 и 3).

2

U1=

ая

U2=

Км

1, мкА

н

Ф, лм

1, м

I, мкА

Е, лк

Ф, лм

Е, лк

н

5.Построить на од их и тех же осях световые характеристики I=f (Ф) для

о

и U2.

анодных напряжений U1

по формуле

6. Рассчитать интегральную чувствительность фотоэлемента

р

чувствительность. Из т ех величин найти среднее. Вычислить погрешности в

к

определении чувствительности. Результаты занести в таблицу 3.

л

е

т

Таблица 3

I, мкА

Ф, лм

γ, мкА/лм

γср, мкА/лм

Δγ, мкА/лм

ε,%

Э

76

вплотную к

нему. Включить лампу накаливания и

помещая различные

светофильтры

в предназначенное для них гнездо

е

при фиксированном

напряжении на фотоэлементе и неизменном положении лампочки осв тителя,

т

записать в таблицу 4 показания микроамперметра и построить график I ка= f(λ).

Принять следующие значения длин волн.

λ,нм

λкс=640

λос=600

λжс=580

λзс=530

λсс=450

Λфс=410

I, мкА

л

УПРАЖНЕНИЕ 4. СНЯТИЕ СВЕТОВОЙ И СПЕКТРАЛЬНОЙо

ХАРАКТЕРИСТИК ВЕНТИЛЬНОГО ФОТОЭЛЕМЕНТА.

б

(НА

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИи

ПРИМЕРЕ ФОТОЭЛЕМЕНТА ОТ ЛЮКСМЕТРА)

и

В качестве приемника света в люксметре используется вентильный

фотоэлемент, однако

его особенностью является способность

давать

б

электроизмерительной

части

люксметра, одновременно,

можно

измерить

ая

соответствующие значения освещенности Е (лк) и фототока, по

дополнительной шкале, отградуированной в мкА.

Контрольные вопросы:

н

1.

Провести анализ получе ых результатов.

2.

н

Фотоэффект. Законы фотоэффекта.

3.

Объяснить законы фотоэффекта на основе квантовых представлений о свете.

о

Уравнение Эйнштей а для фотоэффекта.

4.

Устройство

вакуумного

и

вентильного фотоэлемента.

Основные

р

характеристики ф т элементов.

5.

Фотосопротивление и его основные характеристики.

6.

Нарисуйте

т

частоты

г афик зависимости задерживающего потенциала от

к

как с его помощью

падающего све а при внешнем фотоэффекте и поясните,

можно определи ь

постоянную

Планка, работу выхода электрона из

е

вещества и расную границу фотоэффекта.

Э

л

77

Цель работы: ознакомиться с закономерностями в спектре водорода,

градуировать

спектроскоп, определить длины волн ч катырех

спектральных линий Бальмера и рассчитать постоянную Ридберга.

е

Приборы и принадлежности: монохроматор УМ-2, две спектральные лампы -

ртутная и

т

водородная, питание которых существляется от

специальных устройств.

и

о

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Спектры излучения изолированных атомов, например атомов разреженного

одноатомного газа или паров металла, состоят из отдельныхл

спектральных

находятся под действием только внутриатомных сил и практически не

испытывают возмущающего действия со стороныи

окружающих удаленных

атомов. Изучение линейчатых спектров показывает, что

в расположении

ая

спектральных линий, образующих спектрб

наблюдаются

определенные

закономерности: линии располагаются не беспорядочно,

а

группируются

Частоты всех линий спектра водородного атома можно представить

формулой:

р

н

н

т

(1)

здесь ν – частота даннойо

линии, связанная с длиной волны соотношением:

л

е

к

(2)

R- постоянная Ридберга,

n,i – це ые числа, причем n>i.

Э

Форму а (1) носит название обобщенной формулы Бальмера.

=3,4,5…,

т

е

ка

серии Лаймана в ультрафиолетовой области

n=1, =2,3,4…,

и

о

серии Пашена в инфракрасной области

= 4,5,6…,

Таким образом, в обобщенной формуле (3) целоеб

л

число n дает номер серии,

Горизонтальными линиями на рисунке обозначены уровни энергии атома

водорода. Стрелками указаны переходы электроновб

.

Спектральные закономерности в спектре водорода легко

объясняются

н

теорией Бора. Согласно теории Бора при переходе электронов с одного

энергетического уровня а другой испускается квант энергии,

длина волны

н

которого определяется формулой:ая

р

о

(4)

Сравнивая формулы (3) и (4), получим:

к

т

(5)

В этой формуле все величины выражены в системе СИ. Постоянную

е

Рис. 1. Схема образований спектр льных серий атомарного водорода.

н

Таким образом, постоя ая Ридберга определяется из четырех независимых

н

n

ка

0

∞

е

6

-1

5

т

-2

4

3

-3

Серия Пашена

о

2

(n=3; i= 4, 5, 6, …)

-4

Серия Бальмера

и

-5

(n=2; i= 3, 4, 5, 6, …)

-6

л

-7

-8

б

-9

и

-10

-11

б

-12

-13

1

-13,53

Серия Лаймана

(n=1; i=2, 3, 4, 5, 6,

…)

ая

одинаковым (в пределах точ ости измерений). Это и означает, что линии серии

о

Бальмера подчиняются сериаль ой закономерности.

к

т

р

(6)

л

е

Монохроматор