Лабораторная работа № 1 изучение основных законов внешнего фотоэффекта

Цель работы:1. Измерить основные характеристики фотоэлемента: вольт - амперную, спектральную и световую.

2. Определить красную границу фотоэффекта.

3. Определить работу выхода фотокатода и рассчитать постоянную Планка.

Введение

Внешним фотоэффектом, или фотоэлектронной эмиссией, называется явление испускания электронов веществом под действием света. Опыт показывает, что имеют место следующие основные закономерности внешнего фотоэффекта:

а) число фотоэлектронов (фототок) пропорционально числу N поглощенных веществом фотонов; последнее при постоянном спектральном составе излучения пропорционально световому потоку _e. Для монохроматического излучения N = _e /hυ;

б) максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой падающего света и не зависит от его интенсивности;

в) для каждого вещества при определенном состоянии его поверхности существует граничная частота света, ниже которой фотоэффект не наблюдается. Граничную частоту υ и соответствующую длину волны  называют красной границей фотоэффекта.

Пользуясь квантовыми представлениями, можно объяснить явление фотоэффекта и указанные закономерности. Если металл освещается видимым или ультрафиолетовым излучением, то при внешнем фотоэффекте поглощение фотонов сопровождается вылетом электронов за пределы тела. Для того, чтобы связанные с кристаллической решеткой электроны покинули поверхность тела, они должны преодолеть потенциальный барьер, существующий вблизи поверхности тела.

Из закона сохранения энергии следует уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта:

(1.1)

где А=e —работа выхода электрона из облучаемого вещества; — потенциал выхода; — энергия фотона; m, e и υ_max - масса, заряд и максимальная скорость фотоэлектрона. Из соотношения (1.1) следует, что энергия фотоэлектрона пропорциональна частоте  света, и фотоэффект возможен только при частоте

Частоту называют красной границей фотоэффекта. Красная граница, как и работа выхода, зависит от химической природы вещества (металла) и состояния его поверхности. Величина ω₀ для щелочных металлов соответствует видимой области спектра, для большинства других металлов — ультрафиолетовой части спектра.

В рассмотренном выше явлении фотоэффекта электрон получает энергию лишь от одного фотона. Такие процессы называются однофотонными. В случае применения мощных лазеров возможно наблюдение многофотонного фотоэффекта, когда электрон получает энергию нескольких фотонов.

Рис. 1.1..

В данной работе явление внешнего фотоэффекта изучается на промышленном вакуумном фотоэлементе, представляющем собой стеклянный откачанный баллон, на внутреннюю поверхность которого нанесен фоточувствительный слой (фотокатод). Собирающий электрод (анод) расположен в центре баллона. В качестве фотоэлемента в работе может быть применен промышленный фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), у которого в качестве собирающего электрода используются анод и диноды, соединенные вместе. Простейшая схема включения фотоэлемента показана на рис. 1. При освещении фотокатода в цепи фотоэлемента возникает ток, измеряемый гальванометром G. Напряжение U между анодом и катодом, измеряемое вольтметром V, можно измерять и потенциометром.

В данной работе предлагается исследовать следующие основные характеристики фотоэлемента.

1 . Вольт - амперная характеристика — зависимость фототока от напряжения на фотоэлементе при постоянном световом потоке Ф. На рис. 1.2. показаны две вольт - амперные характеристики, полученные для различных значений Ф (Ф₂ > Ф₁). При некотором ускоряющем напряжении (U > 0) фототок достигает насыщения. Сила тока насыщения i_нас зависит от интенсивности светового потока. При перемене знака потенциалов на электродах (U < 0), т.е. при задерживающем фотоэлектроны напряжении, с увеличением (по абсолютной величине) U фототок уменьшается и при некотором напряжении Uз падает до нуля. Напряжение Uз, при котором фототок обращается в нуль, называется задерживающим напряжением. Плавный ход кривых показывает, что электроны вылетают из фотокатода с различными по величине скоростями. При задерживающем напряжении Uз ни одному из электронов, даже обладающему при вылете из катода наибольшим значением скорости υ_max, не удастся преодолеть задерживающее поле и достигнуть анода. Измерив задерживающее напряжение Uз, можно определить максимальное значение скорости фотоэлектронов:

(1.2)

Из соотношений (1.1) и (1.2) получаем:

(1.3).

Построив полученную экспериментально зависимость задерживающего напряжения от частоты света Uз(), можно определить из графика (рис. 1.3) отношение , как тангенс угла наклона прямой. Точка пересечения прямой с осью частот определяет красную границу фотоэффекта _0. Умножив ₀ на отношение ,получим потенциал выхода  для вещества, из которого сделан фотокатод.

2. Световая характеристика — зависимость фототока I от световою потока Ф при постоянном напряжении на фотоэлементе и неизменном спектральном составе света. Световая характеристика снимается при напряжении U, соответствующем току насыщения.

3. Спектральная характеристика — зависимость фототока I от частоты света  при постоянном световом потоке Ф и постоянном напряжении на фотоэлементе U. Спектральная характеристика снимается при напряжении U, соответствующем току насыщения.

По мере увеличения частоты  от ₀ до некоторого _max, число фотоэлектронов растет, так как в фотоэффекте начинают участвовать электроны, имеющие малые энергии в металле. При частотах, больших _max, фототок уменьшается, так как при этом начинает уменьшаться вероятность поглощения квантов света электронами.