8

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ «МАМИ»

Кафедра физики

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 54

Снятие вольт  амперных характеристик

вакуумного фотоэлемента.

Москва 2010 г.

Лабораторная работа № 54

Снятие вольт  амперных характеристик вакуумного фотоэлемента.

Цель работы: Изучение явления внешнего фотоэффекта и определение основных характеристик вакуумного фотоэлемента.

ВВЕДЕНИЕ

Внешним фотоэффектом или фотоэлектронной эмиссией называет­ся испускание электронов веществом под действием облучения све­том.

Электроны, вырванные под действием света, называются фотоэлектронами. Фотоэлектрическими свойствами обладают как металлы, так и диэлектрики, а также полупроводники и электро­литы, причем необходимым (но недостаточным) условием фо­тоэффекта является заметное поглощение используемого света в поверхностном слое освещаемого тела. Фотоэлектрический эф­фект вызывается не только ультрафиолетовыми лучами. Ще­лочные металлы — литий, натрий, калий, рубидий, цезий — весьма чувствительны к фотоэлектрическому действию и в ви­димой области спектра. А специальная обработка поверхностей этих и других металлов делает их способными испускать фото­электроны даже под действием инфракрасных лучей.

Это явление было открыто Генрихом Герцем (1887г.), а затем ис- следованно Столетовым, Гальваксом, Ленардом и другими учеными.

В результате этих исследований были установлены следующие законы фотоэффекта:

1. При неизменном спектральном составе падающего света сила фототока насыщения Iнас. Прямо пропорциональна падающему на катод световому потоку ф (закон Столетова).

I_нас. = kФ (1)

Если речь идет о фотоэлементе, то коэффициент k = I_нас./Ф на­зывают чувствительностью фотоэлемента; эта величина численно рав­на силе фототока насыщения при световом потоке, равном единице. При этом фототек измеряется в амперах (А), а световой поток в люменах (лм).

2. Максимальная кинетическая энергия вырванных светом электро-нов линейно возрастает с частотой  света и не зави­сит от его интен-сивности.

3. Фотоэффект не возникает, если частота падающего света мень-ше некоторой характерной для данного металла величины _min.

Эта так называемая красная граница фотоэффекта, то есть граница со стороны длинных (красных) волн и тем самым со стороны малых частот излучения ( = с/).

Было также установлено, что процесс выбивания электронов является практически безынерционным  задержка между моментом начала облучения поверхности металла и моментом образования свободных электронов составляет величину, не превышающую 10^-4 с.

Первую закономерность фотоэффекта, а также возникновение самого фотоэффекта легко объяснить, исходя из волновой модели излучения. Действительно, световое поле, воздействуя на электроны внутри металла, возбуждает их колебания. Амплитуда вынужденных колебаний может достичь такого значения, при котором электроны покидают металл; тогда и происходит фотоэффект.

Ввиду того что согласно классической теории интенсивность света прямо пропорциональна квадрату электрического вектора , число вырванных электронов возрастает с увеличением интенсивности света.

Вторая и третья закономерности законами классической физики не объясняются.

Действительно, согласно классическим представлениям энергия электро-нов, выбиваемых из металла, должна определяться интенсивностью излучения, а эксперимент показывает, что энергия электрона не зависит от интенсивности излучения, а зависит лишь от его частоты.

В рамках волновой модели нельзя объяснить и существование граничной частоты излучения. При любой частоте излучения  всегда можно, увеличиваянапряженность поля излучения, реализовать сколь угодно большую величину колебательной энергии.

Другое резкое расхождение с опытом получится, если на основе приведенного объяснения оценить время возникновения фотоэффекта. По классиче­ской волновой теории фотоэффект должен протекать с запазды­ванием. Между тем опыт показывает, что фотоэффект протекает безынерционно, то есть фототок появляется мгновенно — одновременно с освещением. Именно на такой безынерционности основаны практически все научно-технические применения фотоэффекта.

Явление фотоэффекта и все его закономерности хорошо объясняются с помощью кванто­вой теории света, что подтверждает квантовую природу света.

Эйнштейн (1905 г.), развивая кванто­вую теорию Планка, выдвинул идею, согласно которой не только излучение и поглощение, но и распространение света происходит порциями (квантами), энергия и импульс которых:

 = h,

,

где

Применяя к явлению фотоэффекта в металлах закон сохранения энергии, Эйнштейн предложил следующую формулу:

h = A + mv²/2, (2)

где А  работа выхода электрона из металла, v  скорость фото­электрона. Согласно Эйнштейну, каждый квант поглощается только одним электроном, причем часть энергии падающего фотона тра­тится на совершение работы выхода электрона металла, оставшаяся же часть сообщает электрону кинетическую энергию mv²/2.

Фото­эффект возникает при неупругом столкновении фотона с элек­троном. При таком столкновении фотон поглощается, а его энергия передается электрону. Таким образом, электрон при­обретает кинетическую энергию не постепенно, а сразу — в ре­зультате единичного акта столкновения. Этим и объясняется безинерционность фотоэффекта.

Энергия поглощаемого фотона может затрачиваться на от­рыв электрона от атома внутри металла. Оторванный электрон может взаимодействовать с атомом внутри металла, растрачи­вая энергию на тепло. Максимальной энергией вылетевший электрон будет обладать тогда, когда внутри металла он был свободен, то есть не связан с атомом, а при вылете наружу не расходовал энергию на тепло. В этом случае кинетическая энер­гия электрона тратится только на преодоление задерживающих сил, действующих в поверхностном слое металла, то есть на ра­боту выхода.

Прежде чем анализировать формулу Эйнштейна, необходимо выяснить, как может «свободный электрон в металле» погло­тить фотон. Не противоречит ли это утверждению, согласно которому поглоще­ние фотона свободным электроном несовместимо с законами сохранения энергии и импульса? На самом деле противоречия нет. Противоречие возникает из-за неудачной терминологии. «Свободный электрон в металле» в действительности не сво­боден. Он как бы заперт в ящике, вблизи стенок которого дей­ствует задерживающее поле. Фотон взаимодействует не только с электроном, но происходит взаимодействие обеих этих частиц с металлом в целом. При взаимодействии же трех тел законы сохранения энергии и импульса могут выполняться одновремен­но. Импульс фотона воспринимается как электроном, так и ме­таллом, энергия же передается только электрону, так как масса металла может считаться бесконечно большой.

Как следует из (2), фотоэффект в металлах может возник­нуть только при h  A, в противном случае энергия фотона будет недостаточной для вырывания электрона из металла. Наименьшая частота света _min, под действием которого происходит фотоэффект, определяется, очевидно, из условия:

h_min =A, (3)

откуда

_min = A/h. (4)

Частота света, определяемая условием (4), называется «красной границей» фотоэффекта. Слово «красная» не имеет ника­кого отношения к цвету света, при котором происходит фотоэффект. В зависимости от рода металлов «красная граница» фотоэффекта может соответствовать красному, желтому, фиолетовому, ультрафиолетовому свету и так далее.

Таким образом, «красная граница» зависит только от работы вы­хода. Для щелочных металлов (К, Rb, Сs) работа выхода мала и «красная граница» попадает в видимую часть спектра (для других металлов она находится в ультрафиолетовой). Именно поэтому щелочные ме­таллы и используется для изготовления фотокатодов.

С помощью формулы Эйнштейна можно объяснить и другие закономерности фотоэффекта.

ОПИСАНИЕ УСТАНОКИ

Э кспериментальная установка для снятия вольт- амперных характеристик изображена на рис.1.

F- вакуумный фотоэлемент, который представляет собой баллон с двумя электродами: катодом К, покрывавшим часть внутренней поверхности баллона и содержащим щелочной ме­таллу и металлическим анодом А. Под действием света от источни­ка L катод эмитирует электроны, которые будут совершать направ­ленное движение к аноду, если на него, подать положительный по отношению к катоду потенциал; так возникает фототок I. Изме­няя с помощью потенциометра R напряжение U между катодом К и анодом А, фиксируем соответствующие фототоки I и строим график зависимости I=f(U)- вольт-амперную характеристику, которая снимается при постоянном световом потоке Ф падающем на фотокатод (рис.2).

Фотоэлек­троны, вырванные при освещении из катода, увлекаются при­ложенным напряжением к аноду и замыкают цепь. С помощью гальванометра определяется сила электриче­ского тока в цепи, а с ней и количество фотоэлектронов, дости­гающих анода в единицу времени.

Если при постоянных интенсивности и частоте падающего света менять напряжение U между анодом и катодом, то зави­симость фототока I от U представится кривой, схематически изображенной на рис. 2. Она называется характеристикой фо­тоэлемента, то есть того прибора, в котором наблюдается фотоэф­фект. При увеличении напряжения характеристика переходит в горизонтальную прямую, которой соответствует максималь­ный ток. Он называется током насыщения. Насыщение дости­гается тогда, когда все электроны, вырванные светом с по­верхности катода, попадают на анод. Дальнейшее повышение напряжения не меняет силу фототока: она определяется только количеством ежесекундно вырываемых электронов.

Расположенный в области отрицательных напряжения "хвост" характеристики (в равной работе не снимается) образуется в результате того, что покидающие фотокатод электроны мoгyт достигнуть анода при U = 0 и даже при U<0 за счет своей кинетической энергии. При U = U₃ фототок I о6ращается в нуль. Такое напряжение называется задерживающим напряжением. При U < U₃ даже самые быстрые электроны не достигают анода. Измеряя U₃ можно рас­считать максимальную кинетическую энергию испускаемых фотоэлект­ронов, пользуясь законом сoxpaнeния энергии:

mv²/2 = eU₃ (5)

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Установить источник света на расстоянии r₁=0,10м от фотоэлемента. Увеличивая напряжение между анодом и фотокатодом с помощью потенциометра от нуля через I В, фиксировать соответствующие фототоки. Измерения прекращаются, когда после увеличения напряжения на несколько вольт сила фототока остается постоянной, то есть достигается фототок насыщения I_НАС.

2. Устанавливая источник света на расcтояниях r₂ = 0,15м , r₃ = 0,20м, r₄ = 0,25м, провести аналогичные измерения при каждом положении источника /пункт I/.

3. Результаты измерений занести в таблицу 1.