8

Московский Энергетический Институт

(технический университет)

Кафедра ОФ и ЯС

Лаборатория электричества и магнетизма.

Лабораторная работа №53

Изучение основных закономерностей внешнего фотоэффекта

Группа:
Студент:
Преподаватель:
К работе допущен:
Дата выполнения:
Работу сделал:
Работу сдал:

МОСКВА 2005

1. Цель работы

Изучение законов внешнего фотоэффекта; исследование вольтамперных характеристик фотоэлемента; определение красной границы и работы выхода материала фотокатода; определение постоянной Планка.

2. Теоретические основы работы

Внешним фотоэффектом называют испускание электронов веществом под действием света. Анализ этого явления привел к представлению о световых квантах и сыграл важную роль в развитии современной физики. А. Эйнштейн обосновал количественную связь между энергией, получаемой электроном при его освобождении светом, и частотой света. Формула Эйнштейна для внешнего фотоэффекта имеет вид

, (53.1)

где ħ - постоянная Планка, ω - частота света, m - масса электрона, v_max - максимальная скорость электрона, вышедшего с поверхности ве­щества, А - работа выхода электрона из вещества. Из (53.1) следу­ет, что существует граничная частота ω₀ (красная граница фотоэф­фекта) при которой еще возможен фотоэффект. Красная граница фото­эффекта определяется из соотношения

, (53.2)

Заметим, что термин "красная граница" введен потому, что мини­мальное значение частоты, при которой еще возможен фотоэффект, со­ответствует максимальной длине волны , - красному участку спектра видимого света. Работа выходаА зависит от матери­ала фотокатода и состояния его поверхности. Так, для щелочных ме­таллов, которые легко отдают свои электроны, красная граница лежит в области видимого света, для большинства других металлов она ле­жит в области ультрафиолета.

Примерный вид экспериментальной зависимости фототока от на­пряжения на фотоэлементе представлен на рис. 53.1. Здесь обозначены: V - напряжение на фотоэлементе, I_Ф - фототок. Зависимость фототока от напряжения на фотоэлементе нелинейна. Фототок увеличива­ется при увеличении напряжения лишь до некоторого предельного зна­чения, которое называют фототоком насыщения. При неизменном спектральном составе излучения, падающего на фотокатод, фототок насыщения пропорционален энергетической освещенности фотокатода.

При подаче на анод фотоэлемента отрицательного напряжения фототок уменьшается и становится равным нулю при некотором напряжении U_З, называемом запирающим напряжением. Существование фототока при отрицательных напряжениях объясняется тем, что фотоэлектроны при выходе с поверхности катода имеют некоторую скорость. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов v_max связана с запирающим напряжением U_З следующим соотношением:

. (53.3)

Здесь e заряд электрона. Из (53.1) и (53.3) следует:

. (53.4)

Из (53.4) следует зависимость запирающего напряжения от частоты света

. (53.5)

Зависимость V_З(ω) - линейная (рис. 53.2). Экстраполяция прямой на рис. 53.2 до пересечения с осью ординат позволяет определить работу выхода для электронов; точка пересечения прямой с осью абсцисс дает значение частоты ω₀, соответствующей красной границе фотоэффекта. Тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс

(53.6)

определен только постоянной Планка и зарядом электрона.