Изучение явления фотоэффекта

Цель работы:

1. Установить зависимость величины фототока от анодного напряжения (снять вольтамперную характеристику фотоэлемента) и построить график I_ф = f( U_a) при различных значениях освещенности фотокатода.

2. Установить зависимость между величиной светового потока и силой фототока (снять световую характеристику фотоэлемента) и построить график I_ф= f(Ф)  при различных значениях анодного напряжения.

Литература:

Детлаф А.А., Яворский Б.М., Курс физики, 1999 §§§ 36.1, 36.2, 36.6

Трофимова Т.И. «Курс физики», –М.: «Высшая школа»,2002,гл.26 §202-204

Теоретическое введение:

Фотоэлектрическим эффектом (внешним) называется вырывание электронов из металла под действием света. Экспериментально законы фотоэффекта были исследованы А.Г.Столетовым.

Для изучения внешнего фотоэффекта можно воспользоваться установкой, показанной на рис.42.

.

                                         Рис.42

Свет проникает через кварцевое окошечко Кв в баллон, из которого выкачен воздух, и освещает катод К, изготовленный из исследуемого материала. Электроны, вырванные светом, перемещаются под действием электрического поля к аноду А. В результате в цепи прибора течет фототок, измеряемый гальванометром Г. Напряжение между анодом и катодом можно изменять с помощью потенциометра R.

На рис. 43 изображены вольтамперные характеристики, т.е. кривые, показывающие зависимость фототока I _ф от напряжения между электродами при различных потоках света Ф.

Рис. 43

I_н - ток насыщения, т.е. такой ток, при котором все электроны, вырванные из катода, попадают на анод. Величина тока насыщения тем больше, чем больше световой поток. При напряжении U = 0 фототок I_ф ≠ 0. Это значит, что электроны вырываются из катода со скоростью, отличной от нуля.

Если полярность катода К и анода А изменить, то электрон, вырванный светом с катода, движется в тормозящем электрическом поле. При увеличении напряжения все меньшее число электронов достигает анода, и фототок I _ф  уменьшается. Задерживающее напряжение U ₃ - это такое, при котором фототок I _ф = 0 (см. рис. 43). Величина задерживающего напряжения U ₃  зависит от максимальной кинетической энергии, которую имеют вырванные светом электроны. Из закона сохранения энергии следует, что уменьшение кинетической энергии фотоэлектронов равно работе сил электрического поля

                                              (109)

где m – масса электрона

  e – заряд электрона

Измеряя задерживающее напряжение U ₃ , можно найти максимальное значение кинетической энергии фотоэлектронов.

Законы фотоэффекта:

1. Количество электронов, вырванных светом с поверхности металла в единицу времени (сила фототока насыщения), прямо пропорционально световому потоку, т.е. интенсивности падающего света.

2. Скорость (энергия) вылетающих электронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется частотой света. Энергия фотоэлектронов линейно растет с увеличением частоты падающего света.

Зависимость задерживающего напряжения U₃  (т.е. энергии вылетающих из металла электронов) от частоты света n имеет вид прямой (рис.44)

Рис. 44

Второй закон фотоэффекта невозможно было объяснить, исходя из волновой природы света.

Эйнштейн теоретически объяснил законы фотоэффекта (1905г.), исходя из представлений о световых квантах. Он развил квантовую теорию света, созданную Планком, и предположил, что свет не только испускается, но и поглощается квантами с энергией h n , где h - постоянная Планка. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта имеет вид:

                                                 (110)

Это означает, что энергия светового кванта h n  расходуется на работу выхода электрона из металла  А и на сообщение электрону кинетической энергии . Уравнение Эйнштейна хорошо объясняет законы фотоэффекта. Действительно, световой поток определяется числом квантов света, падающих на поверхность в единицу времени, а число вырванных электронов должно быть пропорционально числу падающих квантов. Поэтому величина фототока пропорциональна световому потоку (первый закон фотоэффекта). Из этого уравнения видно также, что кинетическая энергия вылетающих электронов линейно зависит от частоты света (второй закон фотоэффекта). Отметим, что, как показывает опыт, лишь малая часть квантов света передает свою энергию электронам, остальные расходуются на нагревание металла в целом.

По мере уменьшения частоты падающего света кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается, и при некоторой частоте n₀ скорость электронов u = 0. При этом энергия светового кванта равна работе выхода электрона из данного металла

                                                (111)

Частота n _o называется граничной частотой или красной границей фотоэффекта (см. рис.44). Она зависит от рода металла. Если освещать металл светом частоты n < n _o , то электроны не выйдут из металла, и фотоэффект не наблюдается. Уравнение Эйнштейна (110) можно также переписать с учетом (109) и (111) в виде:

                                         (112)

Поскольку длина волны излучения связана с частотой соотношением

граничная длина волны (красная граница) фотоэффекта

                                                (113)

где с – скорость света в вакууме.

Фотоэлементы –это приборы, в которых явление фотоэффекта используется для превращения энергии излучения в электрическую энергию. Они применяются в телевидении, звуковом кино, фотореле.