Изучение явления фотоэффекта

Приборы и принадлежности: сурьмяно-цезиевый фотоэлемент, микроамперметр, вольтметр, реостат, выпрямитель, осветительная лампа накаливания.

Цель работы: изучить зависимости фототока от освещенности фотокатода и напряжения между фотокатодом и анодом.

Теоретическое введение

В конце XIX века опыты В. Гальвакса, А. Риги (1888 г.) и А. Столетова (1888 –
1890 гг.) показали, что под действием света из металлического катода искрового разрядника вырываются отрицательные заряды.

Явление эмиссии (вырывания) электронов из твердых и жидких веществ под действием света называется внешним фотоэлектрическим эффектом (внешним фотоэффектом).

Принципиальная схема опытов Столетова показана на рис 5.4.

На металлический катод К из источника S падает пучок света. Вырванные под действием света электроны направляются к аноду A, сделанному в виде сетки, и образуют фототок, измеряемый гальванометром Г. Зависимость фототока от приложенного напряжения изображена на рис. 5.5 и называется вольтамперной характеристикой (освещенность E = const).

Опытным путем были установлены следующие основные закономерности внешнего фотоэффекта:

1. Максимальная скорость фотоэлектронов определяется частотой света и не зависит от его интенсивности E.

2. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота n₀, при которой еще может быть внешний фотоэффект. Величина n₀ зависит от химической природы вещества и состояния его поверхности.

3. Количество электронов n, которые вырываются из катода за единицу времени, пропорционально интенсивности света (n ~ E), фототок насыщения i _н = ne.

В закономерностях фотоэффекта четко проявляются квантовые свойства света. Энергия кванта света идет на работу выхода электрона с поверхности катода и придания ему кинетической энергии:

, (5.19)

где n - частота падающего на катод света; h - постоянная Планка; A – работа выхода электрона с поверхности катода (зависит от материала катода и качества его поверхности); u _mах, m – максимальная скорость и масса электрона соответственно.

Эта формула была установлена Эйнштейном и является следствием применения закона сохранения энергии к явлению фотоэффекта.

Из формулы видно, что при уменьшении частоты падающего света кинетическая энергия вырванных электронов уменьшается. При некоторой граничной частоте (u _maх = 0) электроны перестанут выходить из металла и фотоэффект будет невозможен. Это будет при условии , т.е.

(5.20)

– красная граница фотоэффекта.

Для большинства металлов красная граница лежит в ультрафиолетовой области спектра. Если на фотокатод K подать положительный потенциал, а на анод A – отрицательный, то электроны будут замедляться. Кинетическая энергия электронов пойдет на работу по преодолению разности потенциалов. Можно подобрать такую разность потенциалов U_з, при которой фотоэффекта не будет. В этом случае задержатся все электроны вблизи поверхности фотокатода и при этом

. (5.21)

Эта разность потенциалов называется задерживающим потенциалом.

Описание установки

Для исследования законов фотоэффекта используют вакуумный сурьмяно-цезиевый фотоэлемент с центральным анодом. Фотоэлемент представляет собой откачанный стеклянный сферический баллон. Половина внутренней поверхности баллона покрыта слоями сурьмы и цезия. В этом случае образуется соединение CsSb, которое служит материалом фотокатода. Металлический анод помещен в центральной части фотоэлемента.

Схема включения вакуумного фотоэлемента показана на рис. 5.6.

Задание 1. Провести исследования зависимости фототока от энергетической освещенности катода.

Освещенность фотокатода можно изменять, варьируя расстояние между лампочкой и фотоэлементом. Если считать лампочку точечным источником, то освещенность E фотокатода изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния r от лампочки до фотоэлемента:

, (5.22)

где I – сила света точечного источника. (В данной работе I = 10 кд).