Министерство сельского хозяйства и продовольствия

Российской федерации

Уральская государственная сельскохозяйственная академия

Кафедра физики

Изучение свойств вакуумного фотоэлемента

Лабораторная работа № 20

Методические указания к лабораторной работе по физике для студентов 1 курса не инженерных специальностей.

Екатеринбург, 2011

Изучение свойств вакуумного фотоэлемента.

Лабораторная работа № 20

Методические указания к лабораторной работе по физике

для студентов 1 курса неинженерных факультетов.

Екатеринбург, УрГСХА, 2011 г. 8 стр.

Составители: Дунаева Н.Ф., Комарова Л.К.,

Одобрено к изданию учебно-методической комиссией

инженерного факультета УрГСХА

(протокол № ______от _________2011 г.)

Рецензент Попова Т. Б.

Изучение свойств вакуумного фотоэлемента

ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: 1. Вакуумный фотоэлемент.

2. Электрическая лампочка.

3. Выпрямитель.

2. Миллиамперметр.

3. Вольтметр.

4. Оптическая скамья

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: познакомиться с работой вакуумного фотоэлемента, снять зависимость тока насыщения от относительной освещённости, зависимость фототока от анодного напряжения.

Введение

В настоящее время нет единой теории природы света. Часть наблюдаемых явлений: интерференция, дифракция, дисперсия, поляризация, свидетельствуют о волновой природе света (процесс распространения в пространстве совокупности переменных электрического и магнитного полей). Такие явления, как световое давление и фотоэффект говорят о корпускулярной (квантовой) природе света. В данной работе мы рассматриваем явление фотоэффекта, поэтому более подробно остановимся на квантовой природе, с точки зрения которой, свет – это поток частиц (фотонов), обладающих

энергией ;

массой ;

импульсом .

В этих формулах: - постоянная Планка;

v – частота света;

- длина световой волны;

- скорость света в вакууме.

Фотоэффектом называется освобождение (полное или частичное) электронов от связей с атомами и молекулами вещества под действием света (видимого, инфракрасного и ультрафиолетового). Различают внутренний и внешний фотоэффекты.

Внутренний фотоэффект - электроны теряют связь только со «своими» атомами и молекулами, но остаются внутри освещаемого вещества в качестве «свободных электронов» (частичное освобождение), увеличивая электропроводность вещества. Внутренний фотоэффект наблюдается у полупроводников и у некоторых диэлектриков. Фотоэлементы, основанные на внутреннем фотоэффекте, называются полупроводниковыми фотоэлементами. Для их изготовления используют селен, сернистый свинец, сернистый кадмий и другие.

На внутреннем фотоэффекте основано действие полупроводникового фотоэлемента с запирающим слоем – вентильного фотоэлемента, который представляет собой генератор электрического тока. Схема представлена на Рис. 1: М – металлическая

пластина; Р - тонкий слой полупроводника; В – запирающий слой, возникший на границе металл - полупроводник, обладающий вентильной проводимостью; Г – гальванометр.

Разность потенциалов (порядка 0,1 В), возникающая между полупроводником и металлом, создаёт ток в цепи фотоэлемента. Таким образом, вентильный фотоэлемент представляет собой генератор электрического тока, преобразующий световую энергию в электрическую.

Внешний фотоэффект – выход электронов за пределы освещаемого вещества. Наблюдается у металлов.

Если металлическую пластинку зарядить отрицательно и облучать светом, то пластинка теряет свой заряд. Такой опыт был проведен в 1887г. Герцем и явление было названо фотоэлектрическим эффектом. Русский физик А.Г.Столетов, тщательно изучив фотоэффект, установил следующие закономерности:

а) под действием света вещество теряет только отрицательные заряды;

б) явление вызывается преимущественно ультрафиолетовыми лучами;

в) разряжающее действие лучей обнаруживается даже при весьма кратковременном освещении, причем между моментом освещения и началом разряда не протекает заметного времени. Фотоэффект практически безинерционен.

Благодаря экспериментальным исследованиям, выполненным Столетовым, а также другими учёными, были сформулированы законы для внешнего фотоэффекта:

1. Фототок насыщения (т.е. максимальное число электронов, освобождаемых светов за одну секунду) прямо пропорционален световому потоку (количеству падающих фотонов)

,

где: k – коэффициент пропорциональности ( фоточувствительность) освещаемой поверхности;

Ф – световой поток.

2. Скорость фотоэлектронов возрастает с увеличением частоты падающего света и не зависит от его интенсивности.

3. Независимо от интенсивности света фотоэффект начинается только при определённой для данного металла минимальной частоте (максимальной длине волны) света, называемой красной границей фотоэффекта.

Такая зависимость возникновения фотоэлектрического эффекта от частот (длин волн) излучения не могла найти объяснения в рамках классической теории.

Объяснение механизма фотоэффекта было дано Эйнштейном в 1905г. При поглощении излучения веществом каждый из электронов может поглотить только один фотон, приобретая при этом энергию .

Если эта энергия достаточна, чтобы электрон мог преодолеть притяжение со стороны положительных ионов кристаллической решётки и совершить работу выхода, фотоэффект наблюдаться будет. Если этой энергии недостаточно то фотоэффект наблюдаться не будет.

Работе выхода электрона из металла равна . Фотоэффект будет иметь место при: .

Вылетев из металла, фотоэлектроны обладают различной энергией. Наибольшей скоростью и кинетической энергией будут обладать электроны, вырванные с самого верхнего энергетического уровня в металле. По закону сохранения энергии для этих электронов имеем: .

Это уравнение называют уравнением Эйнштейна.

Используем уравнение Эйнштейна для объяснения второго и третьего законов Столетова.

Второй закон: так как работа выхода для данного металла величина постоянная, то при изменении частоты (длины волны) падающего света будет меняться кинетическая энергия, а значит и скорость, фотоэлектрона.

Третий закон: если уменьшать частоту падающего света (увеличивать длину волны), то энергия фотона будет уменьшаться, а, значит, будет уменьшаться кинетическая энергия электрона, получившего от фотона энергию. Минимальная частота света (максимальная длина волны) при которой электрон может совершить работу выхода и покинуть металл будет при условии

.

Отсюда и .

Эти формулы определяют красную границу фотоэффекта.

Поскольку сила фототока пропорциональна световому потоку, фотоэлементы используются в качестве фотометрических приборов: люксметр ( для определения освещённости), фотоэлектрический экспонометр. Фотоэлемент позволяет преобразовывать колебания светового потока в соответствующие колебания фототока, что находит широкое применение в технике звукового кино. Широкое применение фотоэлементы получили при автоматизации производственных процессов.