Методическое пособие для подготовки к лабораторным работам по темам: Волновая оптика. Квантовая оптика. Квантовая механика и ядерная физика, страница 21

таким значением напряжения, при котором все электроны, испускаемые катодом, достигают анода. I_нас=e*n (n - число электронов, испускаемых фотокатодом в ед. времени).

Из вольтамперной характеристики следует, что при напряжении, равном нулю, фототок не исчезает, т.к. электроны, выбитые светом из катода, обладают некоторой начальной кинетической энергией (в соответствие с уравнением (1)) и могут достигнуть анода без внешнего поля. Для того, чтобы фототок стал равным нулю, необходимо приложить задерживающее напряжение U₀. При U=U₀ ни один из электронов, даже обладающий при вылете из катода максимальной скоростью v_max, не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода. Следовательно,

                                                                                 (3)

Таким образом, измерив U₀, можно найти максимальное значение скорости и кинетической энергии фотоэлектронов. С учетом выражений (1,2) уравнение (3) можно представить в виде                               

                                                                             (4)

          Вольтамперные характеристики газонаполненных фотоэлементов (рис.3) резко отличаются от характеристик вакуумных фотоэлементов. Для газонаполненных фотоэлементов вольтамперная характеристика не имеет тока насыщения (кривая зависимости силы фототока от напряжения пологая вначале, затем круто поднимается вверх). Это объясняется процессом ионизации инертного газа, находящегося внутри колбы фотоэлемента.

Спектральная характеристика фотоэлемента

          В зависимости от вида спектральной характеристики различают нормальный и селективный (избирательный) фотоэффект. Фотоэффект называется нормальным, если величина фототока убывает с увеличением длины волны (см. рис.4а). Селективным или избирательным называется фотоэффект, при котором сила фототока имеет резко выраженные максимумы для определенных длин волн, характерных для данного вещества фотокатода (см. рис.4б). По спектральной характеристике можно судить, с каким источником лучистой энергии наиболее целесообразно использовать данный фотоэлемент.

				б
		а
	Рис.4. Спектральные характеристики фотоэлементов с нормальным (а) и селективным (б) фотоэффектом.

Изучение характеристик фотоэлемента ЦГ-4

          В настоящей работе требуется снять вольтамперную и спектральную характеристики цезиевого газонаполненного фотоэлемента ЦГ-4, в котором имеет место явление внешнего фотоэффекта. Оба эксперимента проводятся с использованием монохроматора УМ-2.

Принципиальная схема призменного монохроматора приведена на рис.5. Лучи света от лампочки накаливания (1) через защитное стекло кожуха лампы (2) и конденсор (3) поступают в щель коллиматора (4). После выхода из объектива (5) параллельный пучок света направляется на диспергирующую призму (6), из которой отбирается пучок, направленный под углом 90⁰ по отношению к падающему пучку. Далее свет идет в выходную трубу монохроматора, которая состоит из объектива (9), выходной щели (10) и защитного стекла (11).

Призменный столик (8), связанный с поворотным механизмом, имеет микрометрический винт, на барабане (7) которого нанесены деления в градусах. Вращая призменный столик с помощью барабана  на определенные углы относительно падающего света, получают в выходной щели свет с требуемой длиной волны. После выхода из щели монохроматический свет попадает на фотоэлемент (12). Пересчет делений барабана в длины волн может быть сделан с помощью данных, приведенных в табл.2. Монохроматор УМ-2 позволяет получать монохроматический свет в диапазоне 380-1000 нм.

          Распределение интенсивности излучения лампы накаливания (1) зависит от длины волны. Поэтому, освещая исследуемый фотоэлемент светом с длинами волн l₁, l₂, l₃,  … l_k, указанными в табл.2, и отмечая соответствующие им отклонения светового «зайчика» гальванометра n₁, n₂, n₃, … n_k, можно получить лишь искаженную спектральную характеристику данного фотоэлемента. Для определения распределения интенсивности  в спектре излучения лампы используется  селеновый фотоэлемент, обладающий тем свойством, что его спектральная характеристика не зависит от длины волны падающего излучения. Фототок, возникающий в селеновом фотоэлементе, пропорционален только интенсивности падающего света. Если селеновый фотоэлемент освещать светом тех же длин волн (см. табл.2)  l₁, l₂, l₃,  … l_k, то по соответствующим отклонениям «зайчика» гальванометра n₁', n₂', n₃', … n_k' мы можем судить об интенсивности различных монохроматических пучков. Отношения n₁/n₁', n₂/n₂', n₃/n₃', …, n_k/n_k' будут характеризовать величину фототока, возникающего в исследуемом фотоэлементе ЦГ-4, для различных монохроматических пучков.

I. Снятие вольтамперной характеристики фотоэлемента ЦГ-4.

Порядок выполнения работы

          1. Ознакомиться со схемой включения фотоэлемента ЦГ-4 согласно рис.1.

3. Поместить за выходной щелью монохроматора в гнездо специальной панели исследуемый цезиевый фотоэлемент, подключить его к внешнему источнику постоянного напряжения. Отметим, что гнезда панели уже подключены к гальванометру. Фотоэлемент и входную щель накрыть светонепроницаемым чехлом для защиты от постороннего света.         

2. Включить источник света и с помощью монохроматора найти спектральный участок, для которого чувствительность фотоэлемента максимальна. Поворотом ручки потенциометра изменять напряжение на фотоэлементе от 0 до 240 В с интервалом в 10 В. Показания микроамперметра при каждом значении рабочего напряжения занести в табл.1.

          3. Аналогичные измерения провести при понижении рабочего напряжения на фотоэлементе от 240 В до 0 В с тем же интервалом.

Таблица 1.

Сила фототока фотоэлемента ЦГ-4 в зависимости от напряжения на нем.