ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 48

Тема: Исследование характеристик вакуумного

Фотоэлемента.

Цель работы: 1) изучить устройство и принцип работы вакуумного фотоэлемента; 2) построить вольтамперную характеристику вакуумного фотоэлемента; 3) построить световую характеристику вакуумного фотоэлемента.

Приборы и принадлежности: фотоэлемент, микроамперметр, вольтметр, лампа накаливания, линейка.

Краткая теория: Фотоэлектрическим эффектом или фотоэффектом называется явление влияния световых электромагнитных волн на электрические процессы. Выделяют внешний фотоэффект ( фотоэлектронная эмиссия ), испускание электронов твердыми телами (металлами ) и жидкостями под действием электромагнитного излучения в вакуум или другую среду. А.Г.Столетовым установлены следующие законы: 1) величина испускаемого телом заряда пропорциональна поглощенной им световой энергии (фототок насыщения пропорционален световому потоку); 2) начальная кинетическая энергия электронов зависит от частоты падающего излучения и с повышением ее увеличивается. Поток электронов, испускаемый с поверхности катода, образует фототок.

Ток равен нулю при некотором запирающем потенциале, затем линейно возрастает и достигает насыщения. Фототок насыщения I_фн, прямопорционален лучистому потоку, падающему на металл:

I_фн = k Ф ,

где Ф - поток энергии, k - коэффициент пропорциональности (чувствительность фотоэлемента).

Фотоэффект подтверждает квантовую природу света. А.Эйнштейн показал, каким образом расходуется энергия кванта, поглощенная атомом. Часть энергии кванта, равная работе выхода А_вых. , затрачивается на то, чтобы электрон мог покинуть тело. Если электрон освобождается не у самой поверхности, а на некоторой глубине, то часть энергии может быть потеряна за счет случайных столкновений. Остаток энергии образует кинетическую энергию электрона.

Формула Эйнштейна имеет вид:

h = (1/2) mv² + А_вых. .

Фотоэффект будет происходить только при энергии фотона, превышающей работу выхода, или только при длине волны, меньше некоторой граничной. Такая максимальная длина волны, при которой возможен фотоэффект, называется красной границей фотоэффекта _кр.гр.:

_кр.гр = hc/А_вых. ,

где с - скорость света в вакууме, h - постоянная Планка ( h = 6,62 10^-34 Дж ×с ).

Конструктивно фотоэлементы с внешним фотоэффектом выполнены в виде стеклянного баллона, имеющего в верней части сферическую форму, в которой создается вакуум порядка 10^{-6 мм рт.ст. Электрод, выполняющий роль фотокатода, наносится на внутреннюю поверхность колбы. Анод представляет собой металлический стержень или проволочное кольцо и помещается внутри баллона так, чтобы не препятствовать попаданию света на катод.}

Зависимость фототока от величины светового потока называется световой характеристикой фотоэлемента. Световой поток, падающий на фотоэлемент, зависит от освещенности Е, которую создает источник света. В свою очередь освещенность обратно пропорциональна квадрату расстояния между источником света и точкой пространства, в которой определяется освещенность. Отношение фототока I_ф к вызывающему этот ток световому потоку Ф называют чувствительностью фотоэлемента:

k = I_ф / Ф . В СИ [ k ] = 1 мкА/лм .

Чувствительность, измеряемую при освещении фотоэлемента белым светом, называют интегральной чувствительностью. Чувствительность, измеряемую при монохроматическом световом потоке, называют спектральной чувствительностью.

Зависимость фототока от приложенного между электродами напряжения при постоянном световом потоке I_ф = f(U) называется вольтамперной характеристикой.

Световой поток, падающий на фотоэлемент, будет неизменным при постоянном расстоянии от источника света (лампочки). Рабочим участком характеристики фотоэлемента является ток насыщения.

Схема установки

Ход работы: Т А Б Л И Ц А 1

Вольтамперная характеристика фотоэлемента

Т А Б Л И Ц А 2

Зависимость фототока от расстояния до источника света

Работа выполнена:

Дата ___________ _______________________

Подпись преподавателя __________________

Вольтамперная характеристика фотоэлемента

Зависимость фототока фотоэлемента от расстояния до источника света

Вывод:

Работу выполнил студент: _____________________________

Работа зачтена: Дата _______________ _______________

Подпись преподавателя ______________