Материал: Методические указания для выполнения лабараторных работ. Оптика и атомная физика

Контрольные вопросы

Напишите уравнение Эйнштейна для фотоэффекта и объясните смысл входящих в него параметров.

Напишите закон Столетова для тока насыщения и объясните смысл входящих в него параметров.

На поверхность образца направлено монохроматическое излучение. Во сколько раз изменится поток фотонов при увеличении в три раза частоты электромагнитного излучения и неизменной освещенности поверхности?

Какова тенденция изменения силы тока фотоэлектронной эмиссии при уменьшении частоты падающего монохроматического излучения и неизмен-ной освещенности поверхности?

Какой области спектра электромагнитного излучения принадлежит фотон, при поглощении которого электрон покидает атом водорода? Вос-пользуйтесь для объяснения формулой Ридберга.

Перечислите отличия фотона от электрона.

Лабораторная работа № 13. Исследование характеристик фотоэлемента с внешним фотоэффектом

Цель работы: Экспериментальная проверка законов внешнего фотоэф-фекта.

По спектральной характеристике фотоэлемента определить красную границу фотоэффекта.

Требуемое оборудование. Модульный учебный комплекс МУК-ОК Приборы. 1. Блок амперметра-вольтметра АВ1 (1 шт.).

Стенд с объектами исследования С3-ОК01 и источник питания ИПС1,

комплект.

Проводники Ш4/Ш1, 6 – 60 см 6 шт.

86

Общие сведения

Внешний фотоэффект – это явление испускания электронов вещества под действием падающего светового излучения. Фотоэффект устанавливает непосредственную связь между электрическими и оптическими явлениями. Различают внешний, внутренний и фотоэффект в запирающем слое. Фотоэф-фект был открыт в 1887 г. Генрихом Герцем, который обнаружил, что про-скакивание искры между электродами разрядника сильно облегчается при облучении электродов ультрафиолетовым излучением.

Схема установки для наблюдения внешнего фотоэффекта показана на рис. 13.1.

Рис. 13.1

Основные законы фотоэффекта:

Максимальный фототок (фототок насыщения) при фиксированной ча-стоте света пропорционален световому потоку, падающему на катод.

Максимальная скорость фотоэлектронов зависит только от частоты падающего света и не зависит от величины светового потока. При этом ско-рость электронов (а, следовательно, и их кинетическая энергия) увеличивает-ся с возрастанием частоты света.

Для каждого вещества существует минимальная частота (так называ-емая красная граница фотоэффекта), ниже которой фотоэффект невозможен. Иногда красной границей называют максимальную длину волны (обратно пропорциональную частоте), выше которой фотоэффект невозможен.

87

Для объяснения явления внешнего фотоэффекта Эйнштейн предполо-жил, что свет не только излучается (как в теории Планка), но и распространя-ется и поглощается веществом в виде квантов энергии, называемых фотона-ми. Энергия фотона ε вычисляется по формуле

= hν = hc

λ

(13.1)

где h – постоянная Планка, с – скорость света в вакууме, ν и λ- соответствен-но частота и длина волны фотона.

При взаимодействии фотона со свободным электроном в металле часть энергии фотона тратится на вырывание электрона (эта часть энергии называ-ется работой выхода Aвых ) а остаток реализуется в форме кинетической энергии вылетевшего электрона. Этот процесс описывается уравнением

Еmax

ε = Aвых + Еmax ,

(13.2)

– максимальная кинетическая энергия вылетевших фотоэлектронов.

Уравнение (2) называется уравнением Эйнштейна для фотоэффекта. Из него следует существование красной границы фотоэффекта. Действительно, если энергия фотона будет меньше, чем работа выхода, электрон не сможет вылететь из металла. Таким образом, красная граница фотоэффекта равна

Красная граница энергии фотона ε0

ν_кр = ^Авых_h

фотоэффекта для щелочных металлов соответствует 3 5эВ, а для остальных металлов она значительно

больше (

ε 0

10

15эВ

). Это означает, что металлические фотоэмиттеры не

фоточувствительны в видимой области спектра и, кроме того, имеют, как по-казывает опыт, малый квантовый выход. Поэтому чистые металлы практиче-ски не используются в качестве фотоэмиттеров в электровакуумных приборах.

Эффективные фотоэмиттеры в видимой и ближней ультрафиолетовой об-ластях спектра созданы на основе полупроводниковых материалов. При этом следует отметить, что переходя от металлов к полупроводникам, нужно приме-нять в уравнении Эйнштейна (1) вместо работы выхода A_вых другую величину W – порог фотоэффекта. Это связано с более сложным, чем у металлов харак-тером энергетических состояний электронов, способных покинуть полупровод-ник при фотоэффекте. Существенное влияние на фотоэмиссию оказывает при-месь, добавленная в полупроводник, и состояние его поверхности.

88

При

фекта W

использовании полупроводниковых фотоэмиттеров порог отоэф-

=1 2эВ.

Основными характеристиками фотоэлемента являются вольтамперная, световая и спектральная.

Вольтамперной характеристикой фотоэлемента называется зависи-мость силы тока в цепи фотоэлемента в зависимости от напряжения между катодом и анодом

^I ф ^{= f (U )}Ф=const, λ=const

На рис. 3 приведены вольтамперные характеристики, полученные для одинаковой частоты (или длины волны) света, но для различных световых потоков . С увеличением напряжения фототок возрастает, т. к. всё большее число выбитых из катода электронов достигают анода. При некотором напряжении, соответствующему точке А на рис. 16.3, анода достигают все фотоэлектроны и его увеличение не увеличивает фототок. Это наибольшее значение фототока, соответствующее участку АВ на графике называется то-ком насыщения Iн фотоэлемента.

При увеличении светового потока фототок увеличивается и наступает при большем напряжении на аноде.

Выбиваемые из катода фотоэлектроны обладают различной кинетиче-ской энергией и часть из них может достигать анода в отсутствие ускоряю-щего напряжения. Этим объясняется наличие фототока при U = 0. Чтобы установить I_ф = 0, что соответствует точке D на рис. 13.2 необходимо прило-жить отрицательное напряжение, называемое запирающим напряжением Uз (т. е. подать на анод отрицательный потенциал).

^Ф3

Ф₂

Ф₁

Ф₁<Ф₂<Ф₃

Рис. 13.2

89

Световой характеристикой фото-

элемента называется зависимость фото-тока насыщения Iн от величины светово-го потока при неизменном его спек-тральном составе и постоянном напряже-нии U: I н = f (Ф)U = const, λ = const .

Iф

λ2

λ1

нейный характер (при не слишком больших световых потоках, когда не со-здается большого отрицательного заряда у фотокатода и может быть получен ток насыщения).

Спектральной характеристикой фотоэлемента называется зависи-мость фототока насыщения Iн фотоэлемента от длины волны λ падающего

света при неизменной величине потока

.

f

( )Ф= const ,U =cjnst

.

н

=

Для значений

кр

фотоэффект не наблюдается, и ток насыщения

При уменьшении длины волны фототок быстро растет и его зависимость от длины волны в исследуемом спектральном диапазоне является линейной.

График этой зависимости показан на рис.13.4

Рис. 13.4

Методика эксперимента

качестве источников света в лабораторной установке используется набор светодиодов (кластер), излучающих в различных узких диапазонах длин волн. Эти диапазоны лежат в видимой и инфракрасной частях спектра.

качестве фотоэмиттера используется катод фотоэлемента (или полу-прозрачный катод фотоэлектронного умножителя), изготовленный из полу-

90

проводникового вещества. Электроны, выбитые светом из катода, собирают-ся анодом (роль анода у фотоэлектронного умножителя играют соединенные между собой диноды). Поскольку фотоэмиттер и анод обычно изготавливают из веществ, близких по электрофизическим свойствам, контактную разность потенциалов между катодом и анодом можно считать малой

На рис. 6 представлена электрическая схема установки. В качестве ис-точника ЭДС используется генератор регулируемого постоянного напряже-ния блока ИПС1, работающий в диапазоне 0..20В. Обратите внимание на правильность подключения полярности амперметра. Такое включение обес-печивает подавление сетевых наводок в измерительной цепи.

При выполнении работы необходимо учитывать, что в лабораторной установке устанавливается не абсолютная, а относительная интенсивность излучения J/J₀. Где J₀ некоторая константа, задаваемая измерительным при-бором и регулируется пользователем с помощью регулятора.

Рис. 13.5

Указания по подготовке к работе

Подготовьте в протоколе эксперимента таблицы по форме 13.1 –13.3.

91

Таблица 13.2

Световые характеристики фотоэлемента (Ф=J/J₀)

I	ф	=	f (Ф)
			U = const , λ =const

U = ,