ИССЛЕДОВАНИЕ ВАКУУМНОГО ФОТОЭЛЕМЕНТА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение свойств и характеристик вакуумного фотоэле­мента, проверка законов фотоэффекта.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: установка, включающая в себя выпрями­тель, микроамперметр, вольтметр, фотоэлемент, лампу накаливания.
Особое место в квантовой теории света, а также огромное практи­ческое значение для многих отраслей современной техники имеет явление. высвобождения или образования свободных зарядов в теле под действием света - фотоэффект.

Различают несколько видов фотоэффекта.

Внутренний фотоэффект, наблюдаемый в диэлектриках и полупроводни­ках. Он заключается в перераспределении электронов по энергетическим уровням под действием света. Если энергия кванта hv превышает ширину запрещенной зоны, то поглотивший этот квант электрон переходит из ва­лентной зоны в зону проводимости. В результате появляется дополнитель­ная пара носителей тока - электрон и дырка, что проявляется в повышении значения электропроводности вещества.

Фотогальванический эффект - фотоэффект, при котором под действием света на границе металла и полупроводника (например, Си и Cu₂O) или на границе двух полупроводников возникает -электродвижущая сила.

Внешний фотоэффект, при котором поглощение света приводит к. выходу электронов за пределы облучаемого тела.

Впервые явление внешнего фотоэффекта было обнаружено Г.Герцем в 1887г. и детально исследовано в 1888 - 90 тт. А.Столетовым. Схема опыта Столетова приведена на рис.1. Свет от источника S проникает через сетчатый анод на поверхность катода. Испущенные вследствие фотоэффекта электроны, попадая в электрическое поле, перемешаются к аноду (прост­ранство между анодом и катодом вакуумируется). В результате в цепи прибора возникает постоянный фототок, измеряемый гальванометром G.

Следует отметить, что при некотором напряжении фототок достигает насыщения i_H (прямой участок кривой - плато) - все электроны, испущен­ные катодом, попадают на анод. На рис.2 изображена вольт-амперная характеристика, т.е. кривая, показывающая зависимость фототока I_Ф от напряжения между электродами U при неизменном световом потоке Ф.

При напряжении равном нулю фототок не исчезает. Значит, электроны покидают катод со скоростью, отличной от нуля. Для того, чтобы фототок стал равным нулю I_Ф=0 необходимо приложить задерживающее напряжение U₃ (задерживающий потенциал). При таком напряжении даже самые "быс­трые" электроны, обладающие максимальной скоростью Vmax, не смогут преодолеть задерживающего поля и достичь анода. Поэтому

(1)

где m - масса электрона, е - его заряд.

Таким образом, при неизменном спектральном составе падающего на катод света, сила тока насыщения (т.е. количество испускаемых электро­нов в одну секунду) прямо пропорциональна световому потоку.

I_н ~ Ф (2)

Задерживающее напряжение U_З не зависит от интенсивности света.

Впервые в 1916 г. Милликеном, а затем в 1928 г. Лукирским и При­лежаевым, которые выполнили тщательные измерения фотоэмиссии у многих различных веществ, было установлено, что при освещении катода монохро­матическим светом U3 изменяется с частотой света v по линейному закону:

(3)

где а и ф - константы, причем а не зависит от материала катода.

Умножив (3) на заряд электрона е и заменив eU₃ = 1/2 mV²_max сог­ласно (1), получим

(4)

Из уравнения (4) следует, что для того, чтобы электроны могли по­кинуть катод под действием света (т.е., чтобы U_max была вещественной величиной) необходимо выполнение условия: av > ф или

(5)

Уравнение (5) можно записать через длину волны λ как

(6)

где с - скорость света.

Частота v_o (5) или длина волны λ_о (6) называется красной границей фотоэффекта.

Ее можно найти, определив частоту, при которой задерживающее нап­ряжение обращается в нуль. Эйнштейн в 1905 г. показал, что все законо­мерности фотоэффекта легко объясняются, если предположить, что свет поглощается такими же квантами hv, какими он по предположению Планка, испускается. Энергия, которую получает электрон, в виде фотона hv, идет на работу выхода электрона из тела еф = А_Вых и на сообщение ему некоторой кинетической энергии W=W’’+ W_K, где W’’ - часть кинетичес­кой энергии, приобретаемой электроном внутри вещества до выхода на по­верхность (в частном случае W’’=0); W_K - часть кинетической энергии, приобретаемой электроном после выхода на поверхность тела. При W’’ = 0 максимальная энергия будет численно равна W_k =1/2 mV²_max

В этом случае выполняется соотношение, называемое формулой Эйн­штейна:

(7)

Легко видеть, что выражение (7) совпадает с эмпирической формулой (4). Отсюда следует, что еф=А_Вых>а коэффициент а = h/e, где h -постоянная Планка, равная 6,62*10^-34 Дж*сек.

Теория Эйнштейна объясняет также пропорциональность силы тока на­сыщения i_H падающему световому потоку Ф. Действительно, величина Ф оп­ределяется числом квантов света, а число освобожденных электронов должно быть пропорционально числу падающих квантов.

Следовательно, законы внешнего фотоэффекта, открытые Столетовым, могут быть сформулированы следующим образом:

Ток насыщения (число электронов,, вырываемых в единицу времени)
при данной длине волны излучения пропорционален мощности падающего из­
лучения (или световому потоку Ф).

Скорость электронов, вырываемых из тела при фотоэффекте, тем

больше, чем больше частота v поглощаемого света: начальная кинетическая энергия фотоэлектронов возрастает линейно с возрастанием частоты света v.

Фотоэффект наблюдается только при облучении светом с частотой

v>v_o, где v_o - критическая частота, называемая красной границей фото­
эффекта.

В металлах наблюдается внешний фотоэффект. Приборы в которых используется фотоэффект, называются фотоэлементами. На внешнем фотоэффекте основано устройство вакуумных и газонаполненных фотоэлементов.

Вакуумные фотоэлементы изготавливаются в виде стеклянного балло­на, внутренняя поверхность которого покрыта слоем чувствительного к свету вещества (являющегося эмиттером фотоэлектронов - фотокатод).

Для работы в видимой области спектра особенно широко применяются сурьмяно-цезиевые фотокатоды. Анодом служит металлическая петелька или сетка, помещенная в центре баллона. Вакуумные фотоэлементы практически безинерционны.

Ток в фотоэлементе может быть усилен, если наполнить баллон инертным газом (газовые фотоэлементы) и создать между электродами та­кое напряжение, чтобы фотоэлектроны могли, ускоряясь, производить ио­низацию газа. Вновь образовавшиеся электроны и положительные ионы уст­ремляются к аноду и катоду соответственно, усиливая общий ток. Значи­тельное увеличение тока в газонаполненных фотоэлементах обуславливает повышение инерционности фотоэлемента и искажения строгой пропорцио­нальности между током и освещенностью.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

Познакомиться со схемой установки и отдельными ее узлами в соот­ветствии с рис.3 и приступить к выполнению заданий.

Рис.3, а) общий вид установки для изучения фотоэффекта, б) элект­рическая схема. 1 - оптическая скамья для фотоэлемента, 2 - выпрями­тель, 3 - микроамперметр, 4 - вольтметр.

Задание 1. Построение вольт-амперной характеристики фотоэлемента.

1. Перед началом измерений записать в таблицу 1 классы точности и

ошибки измерительных приборов.

Таблица 1.

Класс точности вольтметра	Класс точности амперметра	Цена деления шкалы линейки	Абсолютная ошибка величины силы света	Абсолютная ошибка площади окна фотоэлемента

2. Установить источник света на расстоянии L₁.

3. Включить питание (сеть 220 В).

4. Изменяя с помощью потенциометра (на выпрямителе) напряжение U

от нуля до 150 В с интервалом 10 В, отмечать показания микроамперметра
I_Ф и полученный результат занести в таблицу 2.

5. Повторить опыт (по пункту 4) при расстояниях L₂ и L₃.

6. Построить все три графика вольт-амперных характеристик на од­ном рисунке (I_Ф=f(U)), откладывая по оси ОХ значения напряжений, а по оси 0Y значения фототока с учетом погрешностей AU и Ai, определен­ных по классу точности приборов.

Таблица 2.

L, м	U, В	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100	110	120	130	140
L1=	I
L2=	I
L3=	I

Задание 2. Снятие световой характеристики фотоэлемента.

1. Установить источник света на расстоянии L от фотоэлемента.

2. На фотоэлемент подать напряжение, соответствующее току насыщения
для верхней Вольт-амперной характеристики (порядка 150 В).

3. Передвигая источник света в сторону фотоэлемента, через каждые 5 см записывать значения фототока IФ в зависимости от взаимного распо­ложения источника света и фотоэлемента.

4. Значения записать в таблицу 3.

5. Зная силу света лампы Iсв, рассчитать для всех расстояний соответствующие значения светового потока Ф:

где: S - площадь фотоэлемента; L - расстояние от фотоэлемента до лампы.

6. Результат вычислений занести в таблицу 3.

Таблица 3.

U, В L, М

I, мкА

Ф, лм

7. о данным таблицы 3 построить световую характеристику фотоэлемента.

Задание 3. Определение интегральной чувствительности фотоэлемента.

1. Определить интегральную чувствительность фотоэлемента по формуле

Для этого на прямолинейном участке световой характеристики взять три точки и для каждой из них определить j. Из трех величин найти среднее.

2. Оценить сшибку величины j, записав результат в виде

j=j_ср±Δj

3. После работы питание установки отключить

Контрольные вопросы:

1. 
   Законы внешнего фотоэффекта.
   
2. 
   Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.
   
3. 
   Что такое задерживающий потенциал?
   
4. 
   Что такое красная граница Фотоэффекта?
   
5. 
   Как определить опытным путем значение постоянной Планка?
   
6. 
   Как задерживающая разность потенциалов зависит от частоты света?
   
7. 
   Типы фотоэффектов. Типы фотоэлементов.
   
8. 
   Практическое использование фотоэффекта.
   
9. 
   Принцип работы фотоумножителя.
   

10. Что понимают под интегральной и дифференциальной чувствитель­ностью фотоэлемента?

11.Почему не наблюдается прямолинейная зависимость фототока от светового потока в газонаполненных фотоэлементах?

Литература:

1. И.В.Савельев. Курс общей физики. Т.З., М. "Наука", 1982, §9.

2. Б.М.Яврский, А.А.Детлаф. Курс физики. Т.З.,М."Высш. шк.",1969,
§11.1.

3. Г.А.Зисман, О.М.Тодес. Курс общей физики. Т.2.М.,"Наука".1965,

#35 - §38. "

4. А.А.Детлаф,Е.М.Яворский. Курс физики.,М."Высш.шк.",1989,

§36.1 - §36.2."