Ім'я файлу: фотоэфф1 (2).doc
Розширення: doc
Розмір: 849кб.
Дата: 25.10.2022
скачати
Пов'язані файли:
Документ Microsoft Word.docx




2. ВНЕШНИЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ
Теория Эйнштейна для внешнего фотоэффекта

Явление внешнего фотоэлектрического эффекта (фото-электронной эмиссии) состоит в испускании электронов веществом при воздействии на них световой энергии. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком.

Явление внешнего фотоэффекта было исследовано А.Г. Столетовым в 1888 году. Оказалось, что: 1) при фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых с поверхности металла в еди-ницу времени, пропорционально интенсивности света; 2) величина мак-симальной скорости фотоэлектронов не зависит от интенсивности па-дающего света, а определяется лишь длиной его волны (частотой ν): ; 3) каждому веществу свойственна длинноволновая (крас-ная) граница фотоэффекта , зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности. При фотоэффект не наблюдается.

С волновой точки зрения классическая физика эти особенности фотоэффекта не может объяснить. Полностью объясняет явление фотоэффекта лишь квантовая теория света, предложенная Эйнштейном в 1905 г. За открытие и объяснение законов фотоэффекта Эйнштейн в 1921 г. был удостоен Нобелевской премии по физике.

Современная квантовая теория рассматривает свет как поток отдельных частиц, называемых фотонами. Энергия фотона зависит от частоты света (длины волны ):

, (2.1)

где h – постоянная Планка, c – скорость света в вакууме.

При фотоэффекте фотон, встречаясь со свободным электроном металла, отдает всю свою энергию этому электрону. Электрон, получив энергию фотона, затрачивает часть ее на преодоление потенциального барьера (работу выхода электрона из металла А), а оставшаяся часть идет на сообщение этому электрону кинетической энергии вне металла . По закону сохранения энергии,

, или . (2.2)

Это соотношение получило название уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

Из уравнения Эйнштейна видно, что скорость электрона , вырванного из металла в результате фотоэффекта (фотоэлектрона), зависит от частоты (длины волны ) падающего света, так как величины h, m, A (для данного металла) постоянные. Следовательно, если то и , тогда

. (2.3)

Более того, скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности I падающего света, поскольку интенсивность монохроматического ( ) света определяется числом фотонов в пучке: . Если большее число фотонов N встречается со свободными электронами внутри металла, то будет больше вырванных фотоэлектронов, скорость же их не изменится.

Если энергия фотона такова, что , то, согласно уравнению Эйнштейна (2.2), и . Следовательно, при осве-щении металла светом, длина волны которого , энергия фотона достаточна лишь для того, чтобы совершить работу выхода А (удалить электрон из металла), но не достаточна для сообщения электрону скорости, когда он покинет металл. Длина волны называется красной границей фотоэффекта. Таким образом, при

. (2.4)

Это выражение представляет собой уравнение Эйнштейна для красной границы. Согласно выражению (2.4), красная граница фотоэффекта определяется по формуле

. (2.5)

Таким образом, красная граница фотоэффекта , зависящая только от работы выхода электрона из металла А, различна для разных металлов (поскольку для разных металлов А различна).

Если длина волны света , то фотоэффект не наблюдается, так как в этом случае энергия кванта меньше работы выхода электрона ( ). Электрон обладает энергией, недостаточной для преодоления потенциального барьера, и остается внутри металла.

Таким образом, законы фотоэффекта свидетельствуют о следующем:

  1. число вырванных фотоэлектронов пропорционально числу падающих фотонов (интенсивности света) при ;

  2. кинетическая энергия фотоэлектронов пропорциональна частоте (длине волны λ) падающего света;

  3. каждому веществу свойственна красная граница фотоэффекта ( ).

Фотоэффект безынерционен, то есть испускание фотоэлектронов начинается сразу же, как только на металл падает свет с длиной волны . Это свойство внешнего фотоэффекта является ещё одним подтверждением квантового характера взаимодействия света с вещест-вом. Согласно же классическим волновым представлениям, требуется значительное время для того, чтобы электромагнитная волна заданной интенсивности могла передать электрону энергию, достаточную для совершения им работы выхода.
Устройство и принцип действия вакуумного фотоэлемента

Приборы, в которых внешний фотоэффект используется для получения электрической энергии за счет энергии излучения, носят названия фотоэлементов. Фотоэлементы изготавливаются вакуумные, в которых фототок образуется электронами, выходящими из катода под действием излучения, и газонаполненные, в которых фототок усили-вается при разряде в газе.

Вакуумный фотоэлемент (рис. 2.1) выполняется чаще в виде стек-лянного баллона 1, из которого откачан воздух. Часть внутренней по-верхности баллона, покрытая светочувствительным слоем, содержащим щелочной металл, является катодом К. Анод А выполняется в виде металлического кольца, расположенного в центре баллона. В вакуумных фотоэлементах остаточное давление газа в баллоне около мм рт.ст. В фотоэлементе СЦВ используется сурьмяно-цезиевый катод.




При включении фотоэлемента в электрическую цепь (см. рис. 2.1) и освещении катода, фотоэлектроны, вырванные с поверхности металла, перемещаются под влиянием электрического поля к аноду. В цепи появляется фототок i. Зависимость фототока от напряжения между анодом и катодом при неизменном световом потоке Ф (или освещенности E) называется вольт-амперной характеристикой фото-элемента. Схематически эта зависимость приведена на рис. 2.2.

Если освещать катод неизменным световым потоком Φ ( ) и изменять напряжение U между катодом и анодом, то сначала c ростом U фототок резко возрастает, затем возрастание уменьшается и, наконец, прекращается. Фототок достигает некоторого максимального значения, называемого током насыщения , который обусловлен тем, что все фотоэлектроны, вырываемые с поверхности катода, достигают анода.

Как видно из вольт-амперной характеристики даже при в цепи течёт ненулевой фототок . Существование тока является следствием того, что электроны, выбитые светом из катода, обладают некоторой начальной скоростью , а значит, и отличной от нуля кинетической энергией. Некоторые из них могут достичь анода даже в отсутствии внешнего электрического поля. Для того чтобы фототок стал равен нулю, необходимо приложить обратное – задерживающее напряжение . При ни один из электронов не сможет преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода. Следовательно

. (2.6)

Таким образом, измерив задерживающее напряжение , можно определить максимальную скорость и кинетическую энергию фотоэлектронов.

Если при постоянном напряжении ( ) изменять величину светового потока, падающего на катод, то обнаружим пропорциональность между фототоком i и световым потоком. В области насыщения тока имеет место прямая пропорциональность:

. (2.7)

Коэффициент γ, (ампер на люмен), называется чувствитель-ностью фотоэлемента. Чувствительность – основная характеристика фотоэлемента. При определении чувствительности γ необходимо знать величину светового потока Ф. Если освещенность фотокатода E, площадь поверхности фотокатода S, то падающий световой поток .

Пусть фотокатод освещается лампой накаливания, удаленной от него на расстояние r (см. рис. 2.3). Лампу можно считать изотропным точечным источником, сила света которого . В этом случае

. (2.8)

Следовательно,

. (2.9)

Чувствительность вакуумных фотоэлементов составляет величину порядка .
Лабораторная работа № 3

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ФОТОЭЛЕМЕНТА
Оборудование – вакуумный фотоэлемент CЦB, оптическая скамья, лампа накаливания, блок питания фотоэлемента, микроамперметр, вольтметр, потенциометр.

Цель работы – снять вольт-амперную и световую характеристики вакуумного фотоэлемента, определить интегральную чувствительность фотоэлемента.
Описание установки

Принципиальная электрическая схема установки показана на
рис. 2.3. Установка состоит из источника света 1, который при помощи сетевого кабеля подключается к сети переменного тока напряжением 220 В; фотоэлемента СЦВ 2; электроизмерительных приборов – вольт-метра V и микроамперметра А; потенциометра R; блока питания БП. Вольтметр, микроамперметр, потенциометр и блок питания смонтиро-ваны в одном корпусе. Фотоэлемент и источник питания располагаются на оптической скамье.




Рис.2. 3. Принципиальная электрическая схема установки

1 – источник света (лампа накаливания), 2 – фотоэлемент,V – вольтметр,
А – микроамперметр, R – потенциометр, БП - блок питания


Порядок выполнения работы

Задание I

Снятие вольт-амперной характеристики фотоэлемента

при

  1. Произвести центровку всех деталей установки: центр нити лампы накаливания и центр отверстия фотоэлемента должны быть на одном уровне. Центровку осуществляют регулированием высоты подъёма элементов установки и их поворотом относительно оси. По окончании центровки все элементы установки закрепляются крепёжными винтами.

  2. Расположить фотоэлемент на заданном расстоянии от источника света.

  3. Включить лампу и фотоэлемент.

  4. Не изменяя положения лампы и фотоэлемента ( ), потенциометром R увеличивать напряжение на фотоэлементе от минимальной до максимально возможной величины. Значения фототока i и напряжения U занести в таблицу 3.1.

Таблица 3.1

r1 = , cм
r2 = , cм

U, В
i, мкА
U, В
i, мкА

0

10

20

…..



0

10

20

…..






  1. Установить фотоэлемент на другом заданном расстоянии от лампы и провести измерения согласно пункту 4 настоящего раздела.



Задание II

Снятие световой характеристики фотоэлемента

Световой характеристикой фотоэлемента называют зависимость фототока насыщения от освещенности E фотокатода: , при .

  1. Расположить фотоэлемент на минимальном расстоянии от источника света, замерить его и записать в таблицу 3.2.

Таблица 3.2

U = , В

r, см
E
iН, мкА
tg













































…..





























  1. На фотоэлемент подать напряжение в области тока насыщения и измерить величину фототока. Область тока насыщения определить по вольт-амперной характеристике.

  2. Не меняя величины напряжения ( ), увеличить расстояние r на 5 см и снова измерить фототок.

  3. Продолжать увеличивать расстояние r на 5 см, всякий раз записывая величину фототока, до тех пор пока ток не будет равен нулю или минимальным.

  4. Для каждого расстояния r рассчитать относительную освещенность, т.е. освещенность при данном расстоянии относительно той, которая принята за единицу. Если освещенность при максимальном расстоянии принять равной 1, то освещенность при любом другом расстоянии r, меньшем максимального, будет

.

Это следует из выражения (2.8). Если принять освещённость при , то, следовательно, , так как .

После окончания измерений необходимо отключить установку.
Обработка результатов

  1. По данным таблицы 3.1 на одном графике построить вольт-амперные характеристики, т.е. зависимость , вакуумного фотоэлемента для различных освещённостей.

  2. По данным таблицы 3.2 построить световую характеристику, т.е. зависимость .

  3. О пределить интегральную чувствительность фотоэлемента γ, используя световую характеристику, поскольку эта зависимость при малых освещенностях носит почти линейный характер. Для этого по графику зависимости определить угловой коэффициент (см. рис. 2.4) и рассчитать по формуле . S – площадь фотокатода, для фотоэлемента CЦB .

Контрольные вопросы

  1. В чем заключается явление внешнего фотоэффекта?

  2. Напишите уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта и разъясните его смысл.

  3. С помощью уравнения Эйнштейна объясните I и II законы фотоэффекта.

  4. Чем объясняется наличие красной границы фотоэффекта?

  5. Опишите устройство и принцип действия вакуумного фотоэлемента.

  6. Почему фотоэлектрические измерения чувствительны к природе и состоянию поверхности фотокатода?

  7. Что называется чувствительностью фотоэлемента? В чем она измеряется?

  8. Как определялась чувствительность фотоэлемента?

  9. Расскажите о порядке опыта при снятии вольт-амперной характеристики.

  10. Объясните вольт-амперные характеристики, соответствующие двум различным освещённостям катода при неизменной частоте света.

  11. Опишите порядок опыта при снятии световой характеристики.

  12. Как объяснить наблюдаемую на опыте зависимость силы фототока насыщения от освещенности фотоэлемента?

  13. Дайте определение основных фотометрических понятий: световой поток, освещенность, сила света. В каких единицах они измеряются?


Литература

[2, §9]; [3, § 175 – 181]; [4, § 68]; [5, § 4]; [6, § 202 – 204].
Лабораторная работа № 4

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАКСИМАЛЬНОЙ СКОРОСТИ

И РАБОТЫ ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНОВ ИЗ МЕТАЛЛА
Оборудование – оптическая скамья; лазер ЛГ-75 с блоком питания; поляризатор; анализатор; измерительный блок со встроенным фотоэлементом Ф-28, вольтметром и микроамперметром.

Цель работы – снять вольтамперную и световую характеристику вакуумного фотоэлемента; определить максимальную скорость и работу выхода электронов из металла.
Описание установки

Установка, на которой выполняются задания данной лабораторной работы, схематически представлена на рис. 2.5. Все детали установки расположены на оптической скамье 1. Заключенный в металлическую



Рис.2.5 Внешний вид лабораторной установки

1 – оптическая скамья, 2 – лазер, 3 - 6 – рейтеры, 7 – измерительный блок,
БП – блок питания, П – поляризатор, А – анализатор, ФЭ – фотоэлемент,
V – вольтметр, А – макроамперметр, R – ручка регулятора


трубку газовый лазер 2 установлен горизонтально на неподвижной опо-ре, закрепленной на оптической скамье рейтера 3. За выходным окном лазера на оптической скамье находятся рейтеры 4 и 5, несущие поля-ризатор П и анализатор А, соответственно. На рейтере 6 расположен измерительный блок 7 со встроенным фотоэлементом Ф-28 ФЭ, вольт-метром V и микроамперметром А. Измерительный блок с помощью кабеля подключается к сети переменного тока напряжением 220 В.

На передней панели измерительного блока расположены: перек-лючатель «Сеть» для включения измерительного блока; переключатели «ПР» и «ОБР» для выбора полярности включения фотоэлемента в электрическую цепь («ПР» – прямое включение, «ОБР» – обратное включение); ручка регулятора R, с помощью которой устанавливается напряжение, подаваемое на фотоэлемент.

В работе предполагается проведение исследования характеристик фотоэлемента при различной его освещённости. В качестве источника излучения используется гелий-неоновый лазер с эллиптически поляризованным излучением длиной волны мкм. Для изменения интенсивности излучения, падающего на фотокатод, используется система поляризатор – анализатор.

Излучение лазера, проходя через поляризатор, становится плоскополяризованным. Этот плоскополяризованный свет проходит через анализатор. Тогда, в соответствии с законом Малюса, интенсивность света I, вышедшего из анализатора, равна

, (2.10)

где – интенсивность света падающего на анализатор; – угол между плоскостями поляризации поляризатора и анализатора.

Т аким образом, при изменении угла между плоскостями поляризации поляризатора и анализатора (рис. 2.6 ) интенсивность света прошедшего анализа-тор будет меняться от при до при .

ВНИМАНИЕ! НАДО ПОМНИТЬ, ЧТО ПОПАДА-НИЕ В ГЛАЗА ПРЯМОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ОПАСНО ДЛЯ ЗРЕНИЯ, ПОЭТОМУ ПРИ РАБОТЕ С ЛАЗЕРОМ НЕОБХОДИМО СОБЛЮДАТЬ ПРЕДОС-ТОРОЖНОСТИ. ВСЕ ВКЛЮЧЕНИЯ И ВЫКЛЮЧЕНИЯ УСТАНОВКИ ПРОИЗВОДЯТСЯ ТОЛЬКО ПРЕПОДАВАТЕЛЕМ ИЛИ ДЕЖУРНЫМ ЛАБОРАНТОМ ПРАКТИКУМА. ВСЯКОЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЕ ЛАЗЕРА КАК ВО ВКЛЮЧЕННОМ, ТАК И В ВЫКЛЮЧЕННОМ СОСТОЯНИИ СТУДЕНТАМ КАТЕГОРИЧЕСКИ ВОСПРЕЩАЕТСЯ.
Порядок выполнения работы

Задание I

Исследование зависимости фототока от величины

приложенного напряжения и величины фототока насыщения

от освещённости фотокатода.

Для выполнения этой части работы используется схема с прямым включением фотоэлемента.

  1. При включенном лазере произвести центровку всех деталей установки так, чтобы световой луч, проходя через центры поляризатора и анализатора, попадал в центр фотоэлемента, расположенного в окне измерительного блока. Центровку осуществляют регулированием высоты подъёма элементов установки и их поворотом. По окончании центровки все элементы установки закрепляются крепёжными винтами рейтеров.

  2. Повернуть ручку регулировки напряжения R на измерительном блоке влево до упора. Включить измерительный блок.

  3. Определить «нулевое» положение поляризатора и анализатора. Для этого, поворачивая поляризатор и анализатор, добиться максимального значения фототока. Записать значения углов и , соответствующих нулевому положению поляризатора и анализатора. ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЗАДАНИЙ ПОЛОЖЕНИЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ ПОЛЯРИЗАТОРА НЕ МЕНЯЕТСЯ.

  4. Снять вольт-амперную характеристику фотоэлемента для различных значений интенсивности падающего света.

    1. Поворачивая анализатор, установить заданное значение угла между плоскостями поляризации поляризатора и анализатора.

    2. Изменяя напряжение U, В, подаваемое на фотоэлемент (вра-щением ручки регулятора R), зафиксировать фототок i, мкА.

    3. Измерение произвести для двух значений угла . Результаты измерения занести в таблицу 4.1.

Таблица 4.1


U, В
i, мкА
U, В
i, мкА

0

2

4

6

8

10

15

20

25

30

35

40

45

50



0

2

4

6

8

10

15

20

25

30

35

40

45

50






    1. Построить график зависимости фототока от напряжения между катодом и анодом фотоэлемента для различных значений интенсивности падающего излучения.




  1. Снять световую характеристику фотоэлемента.

    1. Поворачивая анализатор, установить угол между плоскостями поляризации поляризатора и анализатора равный нулю ( ), что соответствует максимальной освещённости фотоэлемента.

    2. Подать на фотоэлемент напряжение, соответствующее области тока насыщения ( В).

    3. Изменяя освещённость фотоэлемента путём вращения анали-затора, зафиксировать фототок i, мкА, соответствующий уста-новленной освещённости. Результаты занести в таблицу 4.2.

Таблица 4.2

, В



Е()
i, мкА

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90









    1. Для каждого значения угла рассчитать относительную освещенность . Если освещенность при минимальном принять равной 1, то относительная освещенность при любом другом значении угла будет

Это следует из закона Малюса (2.10). Поскольку освещённость Е пропорциональна интенсивности света I ( ), то если принять , получим:

.

    1. Построить график зависимости фототока насыщения от освещённости фотоэлемента .


Задание II

Определение максимальной скорости

и работы выхода электронов из металла

Для выполнения этой части работы используется схема с обратным включением фотоэлемента.

  1. Вращением анализатора установить угол между плоскостями поляризации поляризатора и анализатора равным нулю ( ). Ручку регулятора напряжения R повернуть влево до упора.

  2. Переключателем на передней панели измерительного прибора установить обратное включение фотоэлемента.

  3. Вращением ручки регулятора напряжения R измерительного прибора добиться нулевого значения фототока ( ). Обратное напряжение, соответствующее нулевому значению фототока, представляет собой запирающее напряжение .

  4. Изменяя интенсивность падающего на фотоэлемент излучения путём вращения анализатора, убедиться, что величина не зависит от интенсивности падающего света.

  5. Используя измеренное значение по выражению (2.6), определить максимальную скорость фотоэлектронов .

  6. Используя закон Эйнштейна для внешнего фотоэффекта (2.2), определить работу выхода электронов из металла (длина волны излучения лазера мкм).

Результаты измерения и расчётов занести в таблицу 4.3.

Таблица 4.3





Задание III (дополнительное)

Проверка закона Малюса

Для выполнения этой части работы используется схема с прямым включением фотоэлемента.

  1. Вращением анализатора установить угол между плоскостями поляризации поляризатора и анализатора равным нулю ( ). Ручку регулятора напряжения R повернуть влево до упора.

  2. Переключателем на передней панели измерительного прибора установить прямое включение фотоэлемента.

  3. Вращением ручки регулятора напряжения R измерительного прибора установить заданное значение напряжения, подаваемое на фотоэлемент.

  4. Вращением анализатора устанавливать угол между плоскостями поляризации поляризатора и анализатора в пределах с шагом (см. рис. 2.6) и измерить значение фототока i, мкА, соответствующего установленному углу .

  5. Измерение произвести для двух значений напряжения U. Результаты занести в таблицу 4.4.


Таблица 4.4
, В
, В




i, мкА
i, мкА

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90









  1. Построить график зависимости фототока от квадрата косинуса угла ( ).

  2. Сделать вывод относительно результатов измерений.


Контрольные вопросы

  1. В чем заключается явление внешнего фотоэффекта?

  2. Напишите уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта и разъясните его смысл.

  3. С помощью уравнения Эйнштейна объясните I и II законы фотоэффекта.

  4. Чем объясняется наличие красной границы фотоэффекта?

  5. Опишите устройство и принцип действия вакуумного фотоэлемента.

  6. Почему фотоэлектрические измерения чувствительны к природе и состоянию поверхности фотокатода?

  7. Что называется чувствительностью фотоэлемента? В чем она измеряется?

  8. Как определялась чувствительность фотоэлемента?

  9. Расскажите о порядке опыта при снятии вольт-амперной характеристики.

  10. Объясните вольт-амперные характеристики, соответствующие двум различным освещённостям катода при неизменной частоте света.

  11. Опишите порядок опыта при снятии световой характеристики.

  12. Как объяснить наблюдаемую на опыте зависимость силы фототока насыщения от освещенности фотоэлемента?

  13. Почему при отсутствии напряжения между катодом и анодом через фотоэлемент течёт ток? Какое напряжение называется запирающим?

  14. В чём заключается закон Малюса? Почему используемая методика позволяет экспериментально проверить закон Малюса?


Литература

[2, § 9]; [3, § 175 – 181]; [4, § 68]; [5, § 4]; [6, § 202 – 204].
скачати

© Усі права захищені
написати до нас