Цель работы: изучение внешнего фотоэффекта
|
Скачать 89.47 Kb.
|
Цель работы: изучение внешнего фотоэффекта. Задача: определение световой и вольт-амперной характеристики фотоэлемента. Техника безопасности: напряжение 220 В подается от сети на трансформатор и выпрямитель, поэтому соответствующие токоведущие части должны быть закрыты. Приборы и принадлежности: экспериментальная схема, состоящая из фотоэлемента, осветительной лампочки, источников питания фотоэлемента и лампочки, микроамперметра, вольтметра; оптическая скамья, на которой закреплены фотоэлемент и осветительная лампочка. ВВЕДЕНИЕВнешним фотоэффектом называется явление испускания электронов из вещества под действием электромагнитного излучения. Внешний фотоэффект наблюдается в твердых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриках). Основные закономерности внешнего фотоэффекта, полученные из эксперимента (законы Столетова), следующие.
Явление внешнего фотоэффекта было объяснено А. Эйнштейном. Он предположил, что электромагнитное излучение распространяется в виде отдельных порций – квантов. Падающий на вещество квант с энергией hν (h = 6,62 ∙ 10 – 34 Дж ∙ с – постоянная Планка, ν – частота падающего электромагнитного излучения) может поглотиться электроном. При этом энергия кванта передается электрону, причем часть ее затрачивается на работу по удалению электрона из вещества (работа выхода А) и оставшаяся часть идет на сообщение кинетической энергии  вылетевшему электрону (здесь m – масса электрона, v – скорость, с которой электрон вылетает из вещества).Закон сохранения энергии в данном процессе записывается в следующем виде:  (1)и называется уравнением Эйнштейна для фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна легко объясняет все закономерности внешнего фотоэффекта, открытые Столетовым. Действительно, чем больше интенсивность падающего электромагнитного излучения, тем больше квантов падает на вещество и взаимодействует с электронами вещества и, следовательно, тем больше выбивается электронов. Поскольку работа выхода электрона для каждого вещества постоянна, то из уравнения Эйнштейна (1) видно, что чем больше частота падающего электромагнитного излучения, тем больше скорость выбитого электрона. И наконец, как видно из уравнения (1), для того чтобы внешний фотоэффект имел место, энергия падающего кванта должна превышать работу выхода электрона из вещества (hν > А). Следовательно, внешний фотоэффект имеет место лишь в том случае, когда частота падающего электромагнитного излучения превышает некоторую минимальную частоту, определяемую из уравнения hν0 = А. (2) Поскольку частота и длина волны λ связаны соотношением  , (3)где с – скорость света, то можно также сказать, что внешний фотоэффект наблюдается в том случае, если длина волны падающего электромагнитного излучения λ меньше длины волны λ0, определяемой из соотношения  . (4)Минимальная частота ν0 (или максимальная длина волны λ0), при которой возможен внешний фотоэффект, называется красной границей фотоэффекта:  ,  . (5)На явлении внешнего фотоэффекта основано действие вакуумного фотоэлемента (рис. 1). Он представляет собой стеклянный баллон, из которо- го откач      + − ан воздух. Часть внутренней поверхности баллона покрыта фоточувствительным слоем, служащим фотокатодом. Для регистрации видимого и инфракрасного излучения используется кислородно-цезиевый фоточувствительный слой. В качестве анода Рис. 1. Устройство фотоэлемента обычно используется кольцо или сетка, помещаемая в центре баллона. Фотоэлемент включается в цепь батареи. При попадании на фотокатод электромагнитного излучения из него выбиваются электроны, которые летят к аноду. В результате по цепи протекает электрический ток. Зависимость фототока от напряжения (вольт-амперная характеристи- к     U3 Jн Jф U Рис. 2. Вольт-амперная характеристика фотоэлемента а) изображена на рис. 2. Электроны вылетают из фотокатода в различных направлениях, но приложенное напряжение заставляет их перемещаться к аноду. С ростом напряжения фототок возрастает, т.е. все большее количество выбитых электронов достигает анода. Максимальное значение фототока Jн (называемое фототоком насыщения), определяется таким значением U, при котором все электроны, испускаемые фотокатодом, достигают анода. По- скольку вылетевшие из фотокатода электроны обладают некоторой начальной скоростью v и отличной от нуля кинетической энергией, то они могут достигать анода при U = 0, т.е. при U = 0 фототок не прекращается. Для того чтобы Jф = 0, необходимо приложить задерживающее напряжение U3, т.е. на анод подать небольшой отрицательный потенциал. Кроме внешнего фотоэффекта еще существуют внутренний фотоэффект и вентильный фотоэффект. Внутренним фотоэффектом называется переход электронов в полупроводниках или диэлектриках из связанных состояний в свободные (без вылета наружу) под действием электромагнитного излучения. В результате внутреннего фотоэффекта концентрация свободных электронов в веществе возрастает и увеличивается его проводимость. Вентильным фотоэффектом называется возникновение электродвижущей силы (генерации электронов и дырок) при облучении электромагнитным излучением контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ С  хема установки, на которой проводится исследование фотоэлемента, приведена на рис. 3. Питание фотоэлемента Ф осуществляется от выпря-м      Выпрямитель        μА U П 220 В        220 В R АТ  ителя. Выпрямленное напряжение регулируется потенциометром П и измеряется вольтметром U. Величина фототока Jф измеряется микроамперметром μА. Лампа Л осветителя питается от автотрансформатора АТ. Фотоэлемент и осветитель закреплены стопорными винтами на оптической скамье, причем осветитель может перемещаться по ней. Рис. 3. Схема установки для исследования фотоэлемента ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
 ,где I – сила света лампы осветителя; S – площадь фотокатода. В единицах СИ значение S измеряется в м2, ℓ в м, I в кд, световой поток Ф в лм. Значения силы света лампы и диаметра фотокатода указаны на установке. Полученные значения ℓ, Ф и Jф занести в табл. 3. Построить на миллиметровке график зависимости Jф от Ф. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ОБРАЗЕЦ ОТЧЕТА Лабораторная работа № 55 Исследование фотоэлемента Цель работы: Задача: Приборы и принадлежности: Таблица 1 Основные метрологические характеристики приборов
Основные понятия и законы: Таблица 2 Вольт-амперная характеристика
График зависимости JФ от U Вычисление значений светового потока Ф при разных расстояниях между осветителем и фотоэлементом Таблица 3 Световая характеристика
График зависимости Jф от Ф Выводы: |
Добавить документ в свой блог или на сайт
Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка: 
