Материал: физика_3_12ЛР

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра физики

отчет

по лабораторной работе №12

по дисциплине «Физика»

Тема: ИССЛЕДОВАНИЕ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА

Санкт-Петербург

2020

Цель работы: исследование закономерностей эффекта фотоэлектронной

эмиссии (внешнего фотоэффекта); измерение работы выхода электрона и

красной границы эффекта для материала фотокатода.

Схема установки: электрическая схема установки представлена на рис. 12.1. Переключатель S₃ предназначен для управления освещенностью  фотокатода. Он обеспечивает протекание тока разной величины в нити лампы накаливания Л₁. С помощью переключателя S₂ обеспечивается прямое или обратное подключение фотоэлемента ФЭ к источнику напряжения.

Для изменения прямого и обратного напряжения между электродами ФЭ электрическая схема содержит, соответственно, потенциометры R₁ и R₂−R₃. Сила фототока фотоэлемента измеряется микроамперметром РА, а напряжение между его электродами контролируется вольтметром PU .

Исследуемые закономерности

Для исследования внешнего фотоэффекта в работе используется вакуумный диод (фотоэлемент СЦВ-4), содержащий два металлических электрода (анод и катод) внутри стеклянной оболочки. При комнатной температуре вакуумном промежутке между электродами содержится незначительное количество электронов, возникающее за счет эффекта термоэлектронной эмиссии металла. Освещение поверхности катода приводит к увеличению числа свободных электронов в этой области.

Зависимость силы тока I от напряжения U на фотоэлементе имеет нелинейный характер. Причина нелинейности вольтамперной характеристики I(U) – неоднородность распределения по скоростям вышедших из катода электронов вследствие их теплового движения. В случае отрицательной полярности подключения внешнего источника к электродам фотоэлемента с ростом напряжения U уменьшается доля электронов, имеющих кинетическую энергию, достаточную для достижения анода, и уменьшается ток I. При некотором значении обратного напряжения U=U_з полученной при фотоэлектронной эмиссии кинетической энергии электронов оказывается недостаточно, чтобы преодолеть тормозящее действие поля и сила тока, протекающего через фотоэлемент, обращается в ноль I(U_з) = 0. Запирающее напряжение U_з в опыте измеряется прямым методом и с точностью до постоянного множителя e (элементарный заряд) совпадает с кинетической энергией фотоэлектрона, если она измеряется в электрон-вольтах.

Теория Эйнштейна (11.1) прогнозирует линейную зависимость запирающего напряжения от частоты электромагнитного излучения

где ν₀ = A/h – минимальная частота излучения, при которой возможен выход электрона из исследуемого металла. Аппроксимация результатов измерения Uз (ν) линейной функцией позволяет найти ее параметры (рис.12.2): граничную частоту ν₀, работу выхода A = hν₀ и отношение констант a=h/e .

Фототок зависит от освещенности E катода установки, которая определяется как количество энергии, падающее на единицу площади S поверхности в единицу времени. Если на катод в единицу времени падает dN/dt фотонов, то

При некотором значении напряжения U между катодом и анодом фотоэлемента величина фототока перестает зависеть от напряжения и представляет собой ток насыщения I_н – асимптоту вольтамперной характеристики I(U) фотоэлемента. Ток насыщения I_н пропорционален потоку  излучения, падающего на поверхность металла и согласно (10.2) равен

где ko=eη/hv,  = dW/dt – поток излучения источника, падающий на фотокатод. Соотношение (12.6) известно как закон Столетова. Если учесть, что  = ES , где E – освещенность катода, S – его площадь, то закон Столетова можно записать в виде

Вопросы

Вариант №19

15. Что такое задерживающее напряжение? Как зависит это напряжение от частоты?

Задерживающее напряжение - минимальное обратное напряжение между анодом и катодом, при котором фототок равен нулю.

Задерживающее напряжение прямо пропорционаьно частоте:

7. Объясните вольт-амперную характеристику, которая получается в результате фотоэффекта.

На рис.(а) представлена типичная зависимость силы протекающего через колбу тока от разности потенциалов U между анодом А и катодом К при неизменном потоке света (вольт-амперная характеристика (ВАХ)). При положительной разности потенциалов U (ускоряющее поле) выбитые с поверхности отрицательно заряженного электрода К электроны попадают на положительно заряженный электрод А, ток через фотоэлемент увеличивается при повышении разности потенциалов и, наконец, наступает насыщение, т.е. все фотоэлектроны достигают электрода А (горизонтальный участок вольтамперной характеристики). Задерживающее напряжение (U_з) - минимальное обратное напряжение между анодом и катодом, при котором фототок равен нулю.

На рис.(б) приведена система ВАХ, измеренных при разной интенсивности (световом потоке Ф), но на одной и той же частоте (υ = const) света. Ток насыщения выше, если интенсивность света больше (закон Столетова). Однако U₃ при постоянной частоте остается также постоянной независимо от интенсивности света.

Наоборот, если интенсивность падающего света одинакова (Ф = const), но частота разная, задерживающее напряжение U₃ независимо от интенсивности тем больше, чем больше частота (рис. в).

Протокол измерений

Синий светофильтр

Зеленый светофильтр

v₁=5,83 10¹⁴ Гц a₁=5,4*10³ v₂=5,45 10¹⁴ Гц a₂=5*10³

Выполнила: Позняк В. Ю. ___________

Проверила: Черемухина И. А. ___________

Обработка результатов

1. Построим графики зависимости фототока фотоэлемента от напряжения для трех значений освещенности катода E₂, E₃, E₄. Графики построим для зеленого и синего светофильтров. Для каждой вольтамперной характеристики (ВАХ) определим силу тока насыщения и занесем ее в таблицу.

2. Построим графики зависимости тока насыщения от освещенности фотокатода для зеленого и синего светофильтров.

Эта зависимость согласно з. Столетова имеет вид I=КЕ, где экспериментальное значение коэффициента K может быть найдено по выборке объема N = 3.

Для зеленого цвета:

2,02 (мкА м²/Вт)

= =0,038 (мкА м²/Вт)

= =0,022 (мкА м²/Вт)