Фотоэффектом называется потеря отрицательного заряда

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к лабораторной работе для студентов
естественных факультетов
Изучение внешнего фотоэффекта
Ростов - на – Дону
2006
Методические указания разработаны кандидатом физико – математических наук,
доцентом кафедры теоретической и вычислительной физики Е.Я.Файном,
ассистентом кафедры общей физики М.Б. Файн.
Ответственный редактор
А.С. Богатин
Компьютерный набор и верстка
Печатается в соответствии с решением кафедры общей физики физического
факультета РГУ, протокол №11 от 17.01.06г.
2
Изучение внешнего фотоэффекта.
Краткая теория
Фотоэффектом называется потеря отрицательного заряда телами под
действием падающего на него света. Фотоэффект был обнаружен Герцем,
основанные его закономерности были исследованы Столетовым, а объяснение
дано Эйнштейном.
Схема опытов Столетова изображена
на рисунке 1. В вакуумированном,
прозрачном
для
ультрафиолетовых
световых
лучей
и
сосуде
располагаются два электрода. Они
подсоединены к источнику тока.
Рис. 1. Схема опытов Столетова
Когда на катод падает световой поток, из
катода
вылетают
устремляются
к
электроны
аноду.
и
Возникает
фототок, вольтамперная характеристика
которого приведена на графике (рис. 2).
Когда все электроны, вырванные из
освещаемой поверхности в единицу
времени,
достигают
фототока
с
анода,
дальнейшим
рост
ростом
напряжения прекращается.
Рис.2 Вольтамперная характеристика
Это значение фототока называется фототоком насыщения.
Столетов установил три закона фотоэффекта:
1. Фототок насыщения прямо пропорционален световому потоку, падающему на
катод.
3
2. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов определяется частотой
света и не зависит от его интенсивности.
3. Для каждого вещества существует минимальная частота (или максимальная
длина волны), называемая
красной границей, при которой
возможен
фотоэффект.
Первый закон фотоэффекта может быть разумно объяснен в рамках
классической волновой физики: чем больше световой поток, тем большая энергия
передается катоду, тем большее число электронов вылетает из катода. Но этот
закон выполняется с полной строгостью в том случае, когда измеряемый фототок
образован лишь электронами, освобожденными светом. Из вольтамперной
характеристики (рис. 2) видно, что характеристика фототока полого падает до
нуля, это указывает на то, что скорости вылетающих электронов различны: самые
медленные задерживаются слабым тормозящим полем. Наложение на электроды
тормозящего электрического поля (на рис. 2: отрицательная область U)
уменьшает силу тока, а при определенной разности потенциалов ток обращается в
ноль, т.е. происходит задерживание всех электронов, включая и самые быстрые.
Причина разнообразия скоростей заключается в том, что свет может освобождать
электроны не только с поверхности металла, но и с некоторой глубины; эти
последние электроны теряют часть сообщенной им скорости раньше, чем они
выйдут на поверхность, вследствие случайных столкновений внутри металла.
Зависимость скорости фотоэлектронов от длины волны (частоты падающего
света) нельзя объяснить с классической позиции. Была выдвинута гипотеза, что
свет излучается и поглощается порциями – квантами их назвали фотонами.
Энергия фотона:   h , где h-постоянная Планка, равная h=6,63∙10 -34 Дж∙с.
Согласно Эйнштейну, фотон, попавший на металл, полностью поглощается
одним из электронов проводимости этого металла. Часть полученной энергии
электрон тратит на то, чтобы вырваться из металла (Авых - работа выхода
электрона из металла), а оставшуюся часть уносит с собой в виде кинетической
энергии.
4
Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта имеет вид:
mV 2
hν = Aвых +
2
Работой выхода Aвых называется минимальная энергия, которую надо
сообщить электрону, чтобы он покинул металл. Она зависит от химического
состава металла, от чистоты его поверхности, от температуры и от средней
разности потенциала внутри металла и снаружи.
При уменьшении частоты электромагнитной волны энергия фотона
уменьшается,
поэтому кинетическая
энергия
электрона
и
его
скорость
уменьшаются, что и объясняет второй закон фотоэффекта. При частоте, νкрит
энергии фотона хватит только на совершение работы выхода, и при дальнейшем
снижении частоты фотоэффект прекращается, что объясняет третий закон
фотоэффекта.
hνкрит = h
c
крит
= Авых
ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ
Осветительная лампа L и фотоэлемент (ФЭ) помещены в светозащитные
кожухи на рейтерах оптической скамьи (ОС).
Рис. 3 Схема установки
5
Расстояние между лампой и фотоэлементом измеряют, передвигая рейтер с
фотоэлементом, и измеряют по сантиметровой шкале на оптической скамье с
помощью указателя на рейтере.
Лампа накаливания питается от сети с напряжением 220 В.
Электрическая схема подключения фотоэлемента собрана, она представлена
на рис 4.
Рис. 4 Схема подключения ФЭ
В данной установке стоит фотоэлемент ЦГ-4, т.е. это газонаполненный прибор с
цезиевым фотослоем. Площадь фотослоя – 4 см2.
Рис.5. Вид лампы
Для газонаполненных фотоэлементов процесс фотоэффекта несколько
усложняется. Поскольку фотоэлемент наполнен газом, то в нем возможен такой
процесс, как ионизация: электроны, выбитые светом с поверхности металла,
могут ионизировать молекулы газа. В результате, кроме фотоэлектронов в
образовании тока участвуют еще и вновь возникшие электроны и ионы. Поэтому
газонаполненные фотоэлементы гораздо более чувствительны. Вольтамперная
характеристика для газонаполненного фотоэлемента показана на рис.6. Видно,
что режим насыщения не достигается (рис. 2), в отличие от вакуумных
фотоэлементов. Как и в них, увеличение напряжения ведет к увеличению
6
кинетической энергии вырванных светом электронов, но в газонаполненных
трубках это приводит к дальнейшей ионизации газа которая, в свою очередь,
может (и это реализуется) участвовать во вторичной ионизации, т.е. приводит к
постоянному возрастанию тока.
Рис. 6. Вольтамперная характеристика газонаполненного ФЭ
Цезиевый фотоэлемент наиболее чувствителен к видимому свету, поэтому
используется свет обычной лампы накаливания. Рабочее напряжение ЦГ-4: 240 В.
УПРАЖНЕНИЕ 1
Снятие силовых характеристик.
I = f(E) при U = const
Принимая нить накаливания за точечный источник света, можно
воспользоваться законом освещенности
E
где
J
,
R2
(1)
E – освещенность;
J – сила света;
R – расстояние от источника до фотоэлемента;
U – напряжение.
7
Так как в условиях опыта J = const, то формула (1) дает возможность при
построении графиков I = f(E) заменить E пропорциональной ей величиной 1/R2,
т.е. фактически снимается зависимость I = f(1/R2).
1. После проверки схемы преподавателем или лаборантом реостат
ставят на минимум напряжения с помощью подвижного контакта,
включают установку в сеть и устанавливают постоянное напряжение
по указателю преподавателя (учитывая рабочее напряжение).
2. Закрыв окошко фотоэлемента крышкой, убеждаются в том, что в
отсутствии света стрелка микроамперметра стоит на нуле. При
выключенной лампе и открытом окошке убеждаются в том, что
микроамперметр не показывает тока. Если при этом возникает ток,
значит, имеются световые помехи, которые надо ликвидировать.
3. Устанавливают фотоэлемент на таком расстоянии от лампы, чтобы
стрелка микроамперметра отклонилась больше, чем на половину
шкалы, но не выходила за ее пределы. Записывают показания в
таблицу.
4. Удаляя фотоэлемент от лампы на 5 см, каждый раз записывают
значения расстояния и силы фототока.
5. Повторяют измерения, возвращая фотоэлемент теми же этапами к
первоначальному положению.
6. Такие же измерения проводят еще при двух постоянных напряжениях
по указанию преподавателя.
7. Результаты измерений заносят в таблицу.
U = ______В
R, см
Iпрямое, mkA
Iобратное, mkA
8
Iсреднее, mkA
1/R2, см-2
8. Стоят график зависимости I = f(1/R2) при трех значения напряжения,
откладывая на оси абсцисс 1/R2, на оси ординат – фототок I.
УПРАЖНЕНИЕ 2
Снятие вольтамперных характеристик фотоэлемента.
I = f(U) при E = const
1. Помещают фотоэлемент на некотором расстоянии от лампы, по
указанию преподавателя.
2. Изменяя напряжение от 0 до 250 В через каждые 20 В, фиксируют
силу тока по микроамперметру.
3. Такие же измерения проводят еще при двух постоянных расстояниях
R от лампы до фотоэлемента.
4. Результаты измерений заносят в таблицу.
R = ______см.
U, В
I,
mkA
5. Cтроят графики зависимости I = f (U) при трех значения
освещенности, т.е. при трех значениях R, откладывая по оси абсцисс
значения напряжения, а по оси ординат – значение фототока.
9
Контрольные вопросы:
1. Почему при U, равном нулю, в вакуумных фотоэлементах фототок отличен
от нуля, а в газонаполненных – равен нулю?
2. В чем отличие внутреннего и внешнего фотоэффекта?
3. На рисунке 7 дана вольтамперная характеристика вакуумного фотоэффекта.
Начертить вольтамперные характеристики
А) При увеличении частоты падающего света;
В) При увеличении падающего светового потока.
Рис.7
4. С какого момента начинается испускание фотоэлектронов?
5.
Что
такое
многофотонный
(нелинейный)
фотоэффект?
Когда
он
наблюдается? Как выглядит уравнение закона сохранения энергии?
6.
Что
означает
наличие
10
фототока
насыщения?
ПРИЛОЖЕНИЕ
При использовании света обычных ламп накаливания наиболее выгодным
является цезиевый фотоэлемент, т.к. максимум его чувствительности лежит
примерно в той же области, где и максимум обычных ламп накаливания.
Чувствительность фотоэлемента ЦГ-4 – 75-150 mkA/Lm
Максимальный темновой ток – 1∙10-7mкА
11
12