Изучение внешнего фотоэффекта

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №50

Изучение внешнего фотоэффекта

Приборы и принадлежности:вакуумный фотоэлемент, осветитель,электрическая лампа накаливания, миллиамперметр, вольтметр, потенциометр, источник питания.

Цель работы: изучение фотэффекта и исследование характеристик фотоэлемента с внешним фотоэффектом.

ВВЕДЕНИЕ

Явление выхода электронов из металла под действие света носит название внешнего фотоэффекта. Это явление изучается на примере действия фотоэлемента, который представляет собой вакуумный или газонаполненный баллон, на часть внутренней поверхности которого нанесен тонкий слой металла, служащий фотокатодом. Анодом служит проволочное кольцо в центре фотоэлемента. Если на фотокатод падает квант света с энергией , то с поверхности фотокатода будет вырван электрон. По закону сохранения энергии для взаимодействия одного кванта света с электроном:

                                     ,                                             (1)  

      где h – постоянная Планка,

            ν - частота падающего света,

            А – работа выхода электрона из металла,

 - максимальная кинетическая энергия электрона.

Это уравнение называется уравнением Энштейна. Очевидно, фотоэффект невозможен при .  Длина волны, начиная с которой фотоэффект возможен  (),  есть 

                                                                              (2)

Она называется красной границей фотоэффекта и различна для разных металлов. Если между анодом и катодом приложить напряжение, то выбитые из катода электроны будут перемещаться к аноду и создавать фототок в цепи.

Таким образом, фотоэлемент с внешним фотоэффектом представляет собой источник тока, преобразующий световую энергию в электрическую. Он находит широкое применение для измерения световых потоков, особенно для слабых световых сигналов (используются фотоэлектронные умножители). Фотоэлементы, работа которых основана на внутреннем и вентильном видах фотоэффекта могут применяться как преобразователи солнечной энергии. Основными характеристиками фотоэлемента являются вольтамперная и световая. Вольтамперная характеристика показывает зависимость силы фототока Jф от анодного напряжения Uа при постоянном световом потоке Ф:

                   Jф=¦(Uа).                                                                 (3)

При малых Uа не все электроны, испущенные фотокатодом в единицу времени, попадают на анод. С ростом Uа до анода доходит все большее число электронов, и при некотором значении Uа все электроны, выбитые с поверхности катода, достигают анода. Дальнейшее увеличение Uа не приводит к увеличению Jф, т.е. наступает насыщение, а полученный максимальный ток называется фототоком насыщения.

Световая характеристика фотоэлемента представляет зависимость Jф от светового потока Ф, при Uа=const.

                                                Jф=¦(Ф).                                                 (4)

Отношение приращения силы фототока насыщения к вызывавшему его приращению падающего светового потока называется интегральной чувствительностью фотоэлемента:

                                           .                                (5)

Она выражает величину фототока, возникающего в результате облучения фотоэлемента световым потоком 1 лм при любом спектральном составе потока.

Величина светового потока вычисляется по формуле

                                      ,                           (6)

где Jл – сила света точечного источника,

       E – освещенность поверхности,

       a - угол между нормалью к облучаемой поверхности и направлением падающего светового потока (в работе =0°),

       r – расстояние от точечного источника до облучаемой поверхности,

       S – площадь поверхности.

        Электрическая схема установки приведена на рис.19.

                                                        mA

 

Рисунок 19

Порядок выполнения работы

1.Снятие вольтамперной характеристики фотоэлемента. Источник света устанавливают на расстоянии r₁ от фотоэлемента и замыкают цепь (рис.19) С помощью реостата измеряют напряжение на зажимах фотоэлемента на DU, начиная с U_а=0, и каждый раз измеряют величину силы фототока. Напряжение изменяют до тех пор, пока Jф не достигнет насыщения. Результаты опыта записывают в таблицу 9 и строят график Jф=¦(Uа).

                                                                                          Таблица 9

r1		r2		r3
м		м		м
Uа	Jф	Uа	Jф	Uа	Jф
В	мкА	В	мкА	В	мкА

 Затем аналогично снимают вольтамперную характеристику для расстояний r₂ и r₃ и строят графики.

2.Построение световых характеристик фотоэлементов.

а) по формуле (6) рассчитывают значения световых потоков для всех трех расстояний r₁, r₂, r₃ и записывают в таблицу 10.

б) записывают в таблицу 10 значения фототоков насыщения для расстояний r₁, r₂, r₃ на основании таблицы 10.

в) по данным таблицы 11 строят график Jф нас=¦^х (Ф)

                                                                                          Таблица 10

ri	Ф	Jф нас
м	лм	мкА

3.Определение значения интегральной чувствительности фотоэлемента. Ее находят по формуле (5) из световой характеристики. Величины r₁, r₂, r₃; DU, Jл, S указаны на установке.

Контрольные вопросы I

1. Какова цель работы?

2. В чем состоит явление внешнего фотоэффекта?

3. Объясните работу фотоэлемента.

4. Где используется фотоэффект?

Контрольные вопросы II

1. Какие виды фотоэффекта вы знаете?

2. Сформулируйте законы фотоэффекта.

3. Напишите уравнение Энштейна для фотоэффекта.

4. Что такое вольтамперная характеристика фотоэлемента?

5. Почему фототок достигает насыщения и от чего зависит величина этого тока?

6. Что такое световая характеристика фотоэлемента?

7. Что называется световым потоком, освещенностью? В каких единицах они измеряются?

ЛИТЕРАТУРА

1. Г.А. Зисман, О.М. Тодес, Курс общей физики, т.3, §35, 36.

2. И.В. Савельев. Курс общей физики, т.3,  §9.

3. С.Э. Фриш, А.В. Тиморева. Курс физики, т.3, §328-331.

4. Р.И. Грабовский. Курс физики, §136.