Лабораторная работа №3. Изучение внешнего фотоэффекта

Изучение внешнего фотоэффекта.

Цель работы: получение вольтамперных и световых характеристик вакуумного фотоэлемента.

Приборы и принадлежности: установка, позволяющая перемещать источник света относительно фотоэлемента, источник тока, микроамперметр, вольтметр.

Краткая теория

Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием света. Это явление впервые было обнаружено Г. Герцем в 1887 году и детально исследовано в 1888 году А.Г. Столетовым, который установил основные законы фотоэффекта:

1. максимальная скорость фотоэлектронов определяется частотой света и не зависит от его интенсивности;

2. фототок насыщения пропорционален световому потоку;

3. для каждой поверхности существует минимальная частота – красная граница фотоэффекта, при которой еще возможен внешний фотоэффект; при фотоэффект отсутствует.

Эйнштейн в 1905 году показал, что все закономерности фотоэффекта легко объясняются, если предположить, что свет распространяется такими же квантами , какими он по предположению Планка, испускается и поглощается. Часть энергии , которую получает электрон от фотона, затрачивается на то, чтобы электрон мог покинуть облученную поверхность вещества. Эта величина, называемая работа выхода , является характерной для каждого металла и зависит от состояния его поверхности. Остальная часть энергии идет на сообщение электрону кинетической энергии.

Если пренебречь потерями энергии в результате неупругих столкновений электрона с атомами вещества, то должно выполняться соотношение, называемое формулой Эйнштейна (закон сохранения энергии)

(1)

где - максимальная скорость фотоэлектрона, вырванного с поверхности металла.

Из формулы (1) вытекает, что для выполнения фотоэффекта необходимо, чтобы выполнялось условие (красная граница фотоэффекта).

Приборы, действие которых основано на явлении фотоэффекта, называются фотоэлементами. Различают вакуумные и газонаполненные фотоэлементы. Схема, поясняющая действие вакуумного фотоэлемента, приведена на рисунке 1.

Свет от источника проникает через кольцеобразный анод и попадает на поверхность катода. Испущенные электроны ускоряются электрическим полем и достигают анода. В результате в цепи возникает постоянный фототок, который может быть измерен микроамперметром.

Зависимость тока от напряжения между катодом и анодом (вольт - амперная характеристика) представлена на рисунке 2.

При некотором напряжении фототок достигает насыщения (горизонтальный участок характеристики). Это означает, что все электроны, испущенные катодом, попадают на анод. При = 0 фототок не исчезает, так как электроны покидают катод со скоростью, отличной от нуля. Для того, чтобы фототок стал равным нулю, необходимо приложить

напряжение обратной полярности (задерживающий потенциал).

Так как световой поток определяется количеством квантов света, падающих на поверхность в единицу времени, то при неизменном спектральном составе сила тока насыщения (т.е. количество испускаемых электронов в секунду) прямо пропорционально световому потоку

(2)

где - интегральная световая чувствительность материала фотокатода, мкА/люмен;

- световой поток, люмен.

Вакуумные фотоэлементы изготовляются в виде стеклянного баллона, внутренняя поверхность которого покрыта слоем чувствительного к свету вещества, являющегося эмиттером фотоэлектронов. Для работы в видимой части спектра особенно широко применяются сурьмяно-цезиевые фотокатоды. Вакуумные фотоэлементы практически безинерционны.

Ток в фотоэлементе может быть усилен, если наполнить баллон газом (неон, аргон) 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 искажение строгой пропорциональности между током и освещенностью.

Фотоэлементы находят широкое применение в науке и технике: счет и сортировка деталей на конвейере, различные автоматические устройства, использование в военной технике, звуковом кино, фотометрии, спектроскопии и т.д.

 

Описание установки

Данная установка (показана в разрезе на рис.3) позволяет перемещать источник света (лампочку накаливания) относительно фотоэлемента. Для этого подвижный шток, на конце которого находится лампочка, снабжен сантиметровыми делениями. Отсчет расстояния от лампочки до фотоэлемента производится относительно корпуса установки. Светонепроницаемые камера и корпус защищают внутреннюю часть установки от попадания туда постороннего света.

Световой поток, падающий от лампочки на поверхность фотоэлемента, определяется формулой

(3)

где 1_св— (1,0 + 0,1), кд - сила света лампочки;

- телесный угол, образованный конусом лучей, попадающих на фотоэлемент.

Так как

, (4)

где см² – площадь катода, то

(5)

Электрическая схема установки приведена на рис.4

Задания

1. Снятие волътамперной характеристики фотоэлемента.

1.1. Включите питание установки. Как микроамперметр, так и вольтметр могут иметь несколько пределов измерений. Предел измерений тока устанавливается преподавателем, исходя из типа и состояния фотоэлемента. Предел измерений напряжения выбирается студентом так, чтобы ток насыщения достигался при напряжении, составляющем 50 ... 80 % от выбранного предела.

1.2. Определите цену деления микроамперметра и вольтметра. Рассчитать шаг изменения напряжения при условии, что для качественного построения графика необходимо иметь в данном случае не менее 15 - 20 точек.

1.3. Расстояние от источника света до фотоэлемента выбирается так, чтобы ток насыщения составлял 90 ... 95 % от (максимального значения шкалы). Изменяя напряжение U с шагом , измерить соответствующие значения тока . Результаты измерений занести в табл.1

 

Таблица 1

1.4. Повторите измерения при двух других значениях расстояния и . Рекомендуется выбирать их так, чтобы I_H составлял в этих случаях около 60 % и 30 % от соответственно.

1.5 Постройте семейство вольтамперных характеристик / = f(U) на одном листе миллиметровой бумаги с учетом требований, предъявляемых к построению графиков.

2. Снятие световой характеристики и определение интегральной чувствительности фотоэлемента.

Световой характеристикой фотоэлемента называется зависимость фототока от величины светового потока, падающего на элемент при постоянном напряжении на аноде. Знание световой характеристики необходимо для выбора типа и правильного использования фотоэлемента на практике.

Отношение величины фототока к величине светового потока, падающего на катод, называется чувствительностью фотоэлемента.

Интегральная чувствительность обозначается символом у и определяется по формуле

(4)

2.1. Установите напряжение U, при котором ток достигает насыщения при малых расстояниях (5…10 см) между лампочкой и фотокатодах. Изменяя расстояние , снимите зависимость фототока I_н от величины светового потока Ф. Так как убывание тока с увеличением расстояния происходит нелинейно, то изменять величину следуете нарастающим шагом. Диапазон варьирования выбирите так, чтобы фототок изменялся от максимального до минимального значения, а число измерений составляло не менее 10 - 15. Полученные результаты занесите в таблицу 2.

Таблица

2 2 По формуле (3) рассчитайте значения Ф для каждого . Постройте график зависимости (световая характеристика).

2.3 Для каждой точки характеристики по формуле (4) рассчитайте значения интегральной чувствительности .

После этого найти среднее значение и абсолютную ошибку , используя соотношение

 

Контрольные вопросы

 

1. Объясните явление насыщения фототока.

2. Законы внешнего фотоэффекта.

3. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

4. Что такое задерживающий потенциал?

5. Что такое краснаяграница фотоэффекта?

6. Типы фотоэлементов. Типы фотоэффектов.

7. Практическое использование фотоэффекта.

8. Принцип работыфотоумножителя.

9. Интегральная и дифференциальная чувствительности фотоэлемента. 10.Почему не наблюдается прямолинейная зависимость фототока от светового потока в газонаполненных фотоэлементах?

11 .Объясните поведение построенных графиков.