Определение зависимости фототока от напряжения и светового потока

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: определение зависимости фототока от напряжения и светового потока. Определение фототока насыщения. Определение задерживающего напряжения и его зависимость от частоты света. Определение работы выхода электрона.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ.

Явление вырывания электронов из твердых и жидких веществ под действием света называется явлением внешнего фотоэффекта. Приборы, действие которых основано на использовании фотоэффекта, называются фотоэлементами.

В лабораторной работе для исследования явления фотоэффекта используется электрическая схема (рис.1) с применением фотоэлемента Ф, источника питания U и измерительных приборов: гальванометра Г и вольтметра V. При освещении фо­тоэлемента энергия фотонов света передается частицам вещества катода, в ре­зультате чего из катода вырываются электроны и создают в цепи электрический ток, который называется фототоком.

Явление фотоэффекта зависит от химической природы металла, а также от со­стояния его поверхности. Наличие загрязнения поверхности металла существенно влияет на эмиссию электронов под действием света. Поэтому катод К и анод А помещены в вакуумный стеклянный баллон.

На рис. 2 показаны кривые зависимости силы фототока I от напряжения U, со­ответствующие двум различным освещенностям катода: Е₁ и Е₂ > Е₁. Частота све­та в обоих случаях одинакова. При увеличении напряжения U между анодом и ка­тодом фототок I также увеличивается, так как все большее число электронов вы­рвавшихся из катода достигают анода. Максимальное значение тока I_н, называе­мое фототоком насыщения, соответствует таким значениям напряжения U, при которых все электроны, выбиваемые из катода, достигают анода.

Фототок прекращается, когда между анодом и катодом устанавливается отри­цательное задерживающее напряжение -U₃. Существование фототока в области отрицательных напряжений от 0 до -U₃ объясняется тем, что электроны, выбитые светом из катода, обладают отличной от нуля начальной кинетической энергией. За счет этой энергии электроны могут совершать работу против сил задерживаю­щего электрического поля и достигать анода. Максимальная начальная скорость n_max фотоэлектронов связана с U₃ соотношением

(1)

где е и m- заряд и масса электрона. При U £ U₃ фототок I = 0.

Опытным путем установлены следующие основные законы внешнего фотоэф­фекта:

1. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов определяется частотой света и не зависит от его интенсивности.
2. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. мини­мальная частота n₀ света, при которой еще возможен внешний фотоэффект. Вели­чина n₀  зависит от химической природы вещества и состояния его поверхности.
3. Число фотоэлектронов n, вырываемых из катода за единицу времени, про­порционально интенсивности света (фототок насыщения пропорционален энерге­тической освещенности Е катода).

В соответствии с законом сохранения энергии максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона:

(2)

где hn - энергия, приобретенная электроном в результате поглощения фотона;

А – работа, которую должен совершить электрон для выхода из металла;

n - частота монохроматического излучения;

h = 6,62*10^-34 Дж*с – постоянная Планка.

Это уравнение называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Уравнение позволяет легко объяснить все основные законы внешнего фотоэффекта для металлов. В самом деле, из (2) следует, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона зависит не от интенсивности, а от частоты света и работы выхода А. Внешний фотоэффект возможен только в том случае, если энергия фотона hn больше или, в крайнем случае, равна А. Следовательно, соответствующая красной границе фотоэффекта частота . Она зависит только от работы выхода электрона, т.е. от химической природы металла и состояния его поверхности.

Общее число электронов n, вылетающих за единицу времени, пропорционально числу фотонов , падающих за то же время на поверхность катода.

Для плоского катода, равномерно освещаемого монохроматическим светом с частотой n, , где Е – освещенность, пропорциональная интенсивности света. Таким образом, в соответствии с третьим законом фотоэффекта число фото­электронов, вылетающих из катода за единицу времени, пропорционально интен­сивности света.

Исходя из формул (1), (2) можно определить работу выхода электрона:

(3)

Фотоэффект широко используется в науке и технике для регистрации и изме­рения световых потоков, для непосредственного преобразования энергии света в энергию электрического тока, для преобразования световых сигналов в электри­ческие.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Установка (рис.3) включает в себя вакуумный фотоэлемент 1 в пластмассовом корпусе, осветитель 2, источник питания фотоэлемента 3, оптическую скамью 4, блок питания осветителя 12 (БП-I).

Вакуумный фотоэлемент 1 представляет собой стеклянный баллон, из которо­го выкачан воздух. Часть внутренней поверхности баллона покрыта слоем метал­ла, играющего роль фотокатода. В качестве анода используется металлическое кольцо или редкая сетка. При освещении катода из него, вследствие внешнего фо­тоэффекта, выбиваются электроны. В результате, под действием внешнего напря­жения, в цепи возникает электрический ток.

Пластмассовый корпус фотоэлемента имеет отверстие для вставки свето­фильтров. Вращением корпуса можно закрывать фотоэлемент от источника света.

Для выполнения лабораторной работы используются осветители двух типов. При выполнении первой части работы (определение токов насыщения) в качестве осветителя 2 применяется лампа накаливания (8 вольт) с конденсором. Освети­тель подключается к сети 220 В через блок питания 12 (БП-I). На блоке имеется ручка 13 для плавной регулировки яркости и выключатель 14. Вторая часть рабо­ты (определение задерживающего напряжения) выполняется с ультрафиолетовым осветителем "Фотон", который устанавливается вместо первого осветителя и ра­ботает непосредственно от сети 220 В.