Фотоэффект наблюдается только при достаточно высокой частоте . различна для разных металлов и называется красной границей фотоэффекта.

Изучение законов внешнего фотоэффекта и определение постоянной Планка.

Цель работы: изучить законы внешнего фотоэффекта; исследовать вольтамперные характеристики вакуумного фотоэлемента; определить работу выхода и постоянную Планка.

Принадлежности: осветлитель типа ОТП; вакуумный фотоэлемент; источник напряжения ВУП-2; два цифровых вольтметра В7-27; оптическая скамья. Конспект.

Явление вырывания электронов из металла под действием света называется внешним фотоэффектом. Открыто это явление было в 1887 г. Г. Герцем, а исследовано А. Г. Столетовым (1888 г.), а так же В. Хальваксом, А. Риги и др.

Фотоэлектроны при движении во внешнем электрическом поле создают фототок. Фотоэффект сыграл важную роль в создании квантовой теории света и широко применяется в технике (системы записи звука, автоматика и телемеханика, телевидение и др.).

Основные законы внешнего фотоэффекта:

1. Фототок насыщения прямо пропорционален световому потоку (закон Столетова):

(1)

Где ɣ – интегральная чувствительность фотокатода (если используется белый, немонохроматический свет), или спектральная чувствительность (если используется монохроматический свет).

2. Скорость (а, следовательно, и кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности света, а зависит только от его частоты (опыты Ф. Ленарда и др.).

Фотоэффект наблюдается только при достаточно высокой частоте. различна для разных металлов и называется красной границей фотоэффекта.

4. Фотоэффект практически безынерционен (при включении света фототок появляется через время порядка , т.е. практически мгновенно).

Теория фотоэффекта, объяснившая указанные закономерности, была разработана в 1905 году А. Эйнштейном, предположившим, что свет не только излучается и поглощается, но и распространяется порциями – квантами. Таким образом, свет обнаруживает в теории фотоэффекта корпускулярные (квантовые) свойства и ведет себя как поток частиц – фотонов. Энергия и импульс фотона соответственно равны

Коэффициент пропорциональности h между энергией E и частотой v называется постоянной Планка.

Согласно теории Эйнштейна, энергия, полученная электроном, доставляется ему в виде кванта hv, которая усваивается им целиком. Часть этой энергии, равная работе выхода, затрачивается на то, что бы электрон мог покинуть металл. Если электрон освобождается светом не у самой поверхности, а на некоторой глубине, то часть энергии, равная E', может быть потеряна вследствие случайных столкновений в веществе. Остаток энергии образует кинетическую энергию Е_к электрона, покинувшего вещество. Энергия Е_к будет максимальна, если Е' =0. В этом случае выполняется соотношение

, (2)

которое называется уравнением Эйнштейна.

Из уравнения (2) вытекают законы внешнего фотоэффекта.

По Эйнштейну величина светового потока пропорционален числу фотонов, а число выбитых электронов равно числу падающих на поверхность металла фотонов. Отсюда и вытекает закон Столетова.

Второй закон фотоэффекта непосредственно вытекает из уравнения (2). Действительно, согласно уравнению Эйнштейна, кинетическая энергия фотоэлектронов зависит только от частоты света v, т.к. работа выхода для данного металла есть величина постоянная.

Существование граничной частоты v_гр также есть очевидное следствие уравнения (2): при уменьшении частоты света энергия фотоэлектронов уменьшается и при некоторой частоте v_гр = обращается в нуль.

Безынерционность фотоэффекта объясняется квантовым характером света с веществом.

Прибор в виде сферического конденсатора (опыты Р. Милликена; П.И. Лукирского и С.С. Прилежаева) имел анод – серебрянные стенки стеклянного сферического балона, в центре балона помещался катод в виде шарика. Определялась кинетическая энергия фотоэлектронов методом задерживающего потенциала. Электроны вылетающие из катода фотоэлемента под действием света, обладают определенной кинетической энергией и достигают анода, создавая в замкнутой цепи, составленной из фотоэлемента и гальванометра, ток. Если между анодом и катодом создать электростатическое поле, приложив разность потенциалов, то можно затормозить электроны. При некотором значении разности потенциалов даже самые быстрые электроны не будут достигать анода, ток в цепи отсутствует. Условие этого

.

Величина U называется задерживающией разностью потенциалов. Тогда из уравнения (2) следует, что

(3)

Из формулы (3) следует, что U зависит от частоты света, падающего на фотоэлемент. Поэтому, если измерить зависимость задерживающей разности потенциалов U от частоты v

,

то из графика этой зависимости можно определить постоянную Планка и работу выхода электрона. Уравнение (3) можно переписать в виде уравнения прямой

.

Величина равна тангенсу угла наклона этой прямой, а – отрезку на оси U, отсекаемому прямой от начала координат (рис. 1).

В качестве фотоэлемента в работе применяется серийный вакуумный фотоэлемент СЦВ-4. Он выполнен в виде стеклянного баллона, воздух из которого откачан до давления 10^-6 – 10^-7 мм.рт.ст. На одну половину внутренней поверхности баллона на подкладочный слой магния или серебра нанесен тонкий слой сурьмы, а затем тонкий слой цезия. Образующееся при этом соединение Cs₃Sb служит катодом. Такой катод обладает малой работой выхода и, следовательно, красная граница фотоэффекта для данного фотоэлемента находится в видимой части спектра. В центральной части баллона расположен металлический анод А, имеющий форму сферы (рис. 2, а). Если на катод К направить пучок света и создать между анодом и катодом разность потенциалов, то ускоряемые электрическим полем электроны летят к аноду и обуславливают прохождение тока. Получаемый ток зависит от освещенности.

Фототок растет с напряжением, но при определенном напряжении достигает насыщения и дальнейшее повышение напряжения уже не приводит к увеличению тока. Зависимость фототока от напряжения выражают кривой, называемой вольтамперной характеристикой фотоэлемента (рис. 2, б). При постоянном напряжении величина фототока

пропорциональна потоку световой энергии , где – интегральная чувствительность фотоэлемента – величина фототока, отнесенная к одному люмену потока световой энергии. Величина для различных вакуумных фотоэлементов имеет значение от нескольких микроампер на люмен до 100 мкА/лм.

Если считать лампу точечным источником света, то зависимость освещенности от расстояния описывается известной формулой:

,

Где Е1 и Е2 – освещенности, соответствующие расстояниям r1 и r2 до источника света. Если, в частности, Е1 – минимальная освещенность на максимальном расстоянии r1 (длина оптической скамьи), то отношение пропорционально освещенности фотокатода. Это отношение представляет собой, таким образом, относительную освещенность фотокатода.

Выполнение работы.

Таблица 1

r₂, см

i, мкА => 0, 620 0, 552 0, 440 0, 346 0, 283 0, 240 0, 210 0, 186

i, мкА < = 0, 710 0, 535 0, 415 0, 335 0, 276 0, 237 0, 202 0, 186

i, мкА 0, 665 0, 5435 0, 4275 0, 3405 0, 2795 0, 2385 0, 206 0, 186

1. Построить зависимость .

r₁ – const = 50 см = 0, 5 м

r₂ – переменная от 15 до 50 см.

r₂, см

11, 11 6, 25 2, 7 2, 04 1, 56 1, 23

При увеличении расстояния, относительная освещенность фотокатода уменьшается.

Таблица 2

15 см 25 см 35 см

u, В i, мкА u, В i, мкА u, В i, мкА

0, 218 0, 135 0, 081

0, 267 0, 163 0, 099

0, 325 0, 195 0, 118

0, 391 0, 229 0, 142

0, 445 0, 270 0, 170

0, 512 0, 315 0, 199

0, 588 0, 362 0, 232

0, 670 0, 410 0, 263

0, 770 0, 460 0, 295

0, 850 0, 514

0, 950 0, 580

<== предыдущая лекция	\|	следующая лекция ==>
ПРИНЦИП 1. Право людей на получение правдивой информации.	\|	Управление качеством и конкурентоспособностью

Поделиться с друзьями:

mylektsii.su - Мои Лекции - 2015-2025 год. (0.01 сек.)Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав Пожаловаться на материал