Лабораторный практикум по оптике, содержащий описание 21 лабораторной работы, страница 55

Основные закономерности внешнего фотоэффекта были впервые исследованы русским физиком А.Г.Столетовым в 1888-90 годах. На основании обобщения опытных данных установлены следующие основные законы внешнего фотоэффекта:

1. При неизменном спектральном составе света сила фототока насыщения прямо пропорциональна падающему на катод световому потоку.

2. Максимальная кинетическая энергия вырванных светом электронов линейно возрастает с увеличением частоты света и не зависит от его интенсивности.

3. Фотоэффект не возникает, если частота света меньше некоторой, характерной для каждого вещества, величины , называемой "красной границей" фотоэффекта.

Явление фотоэффекта может быть объяснено только исходя из квантовых представлений о природе света. Развивая квантовую теорию Планка, Эйнштейн выдвинул гипотезу, согласно которой не только испускание и поглощение, но и распространение света происходит порциями (квантами), энергия которых пропорциональна частоте света:

                                      (18.1)

Применив закон сохранения энергии для объяснения явления фотоэффекта, Эйнштейн установил соотношение, которое получило название основного уравнения фотоэффекта:

,                               (18.2)

где  – работа выхода электрона из вещества;  – кинетическая энергия вырванного электрона;  – постоянная Планка.

Согласно Эйнштейну, каждый фотон взаимодействует только с одним электроном. Энергия фотона полностью передается электрону, при этом часть энергии тратится на совершение работы выхода электрона из вещества, а оставшаяся часть идет на сообщение ему кинетической энергии. Из (18.2) для красной (низкочастотной) границы фотоэффекта имеем:

                                        (18.3)

Если подать на фотоэлемент задерживающее напряжение, то электроны будут тормозиться на пути к аноду. При определенной величине задерживающего напряжения будет выполняться соотношение:

                                    (18.4)

то есть кинетическая энергия вырванных электронов полностью расходуется на преодоление задерживающего напряжения.

В этом случае даже быстрые электроны не достигают анода. Фототок перестает существовать, и уравнение Эйнштейна (18.2) с учетом соотношения (18.4) может быть записано в виде:

                                      (18.5)

На использовании явления внешнего фотоэффекта основана работа вакуумных и газонаполненных фотоэлементов. Основными характеристиками вакуумного фотоэлемента являются его вольтамперная, световая, спектральная характеристики и интегральная чувствительность.

Под вольтамперной характеристикой понимают зависимость силы фототока от приложенного напряжения, то есть

.

Световой характеристикой называется зависимость силы фототока от величины светового потока, то есть

                                      (18.6)

где Ф – световой поток.

Световой поток равен:

Ω

где I сила света источника, Ω - телесный угол, в пределах которого распространяется свет.

Поскольку телесный угол , то для светового потока справедливо выражение:

,                                      (18.7)

где S – площадь светочувствительного слоя, на который опирается телесный угол (в нашем случае - площадь полусферы), R – расстояние от источника света до фотоэлемента.

Под спектральной характеристикой понимают зависимость силы фототока от длины волны падающего света, то есть

.

Интегральной чувствительностью фотоэлемента  называется отношение силы фототока  к величине светового потока :

                                        (18.8)

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Установка для изучения основных характеристик фотоэлемента состоит из оптического рельса, на котором размещаются исследуемый фотоэлемент и источник света (рис. 18.1). Вакуумный фотоэлемент представляет собой стеклянную колбу, на внутреннюю поверхность которой нанесен слой щелочного металла, служащий катодом. Анод изготовлен в виде металлического кольца (рис. 18.2). Для питания лампы и фотоэлемента применяют источники постоянного тока. Сила фототока измеряется с помощью чувствительного микроамперметра, напряжение –– с помощью вольтметра постоянного тока.