Цель работы: | изучение основных законов внешнего фотоэффекта на основе измерения световой и вольт-амперной характеристик вакуумного фотоэлемента. |
Краткая теория внешнего фотоэффекта
Внешним фотоэффектом называется явление испускания электронов металлом под действием света. Закономерности, которым подчиняется явление фотоэффекта, формулируются в виде трех законов Столетова:
1. Фототок насыщения (Iнас) пропорционален световому потоку.
2. Максимальная скорость фотоэлектронов определяется частотой света и не зависит от его интенсивности.
3. Для каждого материала существует минимальная частота света (максимальная длина волны), при которой еще возможен внешний фотоэффект, т.е. существует «красная граница фотоэффекта».
|
Рис. 2.1
Внешний фотоэффект в данной работе наблюдается в фотоэлементе. Используется сурьмяно-цезиевый вакуумный фотоэлемент типа СЦВ-4 (рис. 2.1). Фотоэлемент состоит из стеклянного баллона (1), фотокатода (2) в виде тонкого слоя сурьмяно-цезиевого сплава на внутренней поверхности баллона, металлического анода (3) и внешних выводов (4).
|
|
Согласно современным воззрениям, свет обладает корпускулярно - волновым дуализмом, энергия каждого фотона равна h n (n – частота света, h – постоянная Планка). При поглощении света веществом фотон отдает свою энергию только одному электрону (монофотонный фотоэффект), который может покинуть вещество, если энергия электрона h nбольше работы выхода Авых из катода. Количество фотоэлектронов, покидающих вещество в единицу времени, а значит, и фототок прямо пропорциональны числу фотонов, падающих на поверхность вещества в единицу времени, т.е. и световому потоку. При этом энергия фотона не оказывает влияния на количество фотоэлектронов.
Проверка первого закона фотоэффекта заключается в подтверждении линейной зависимости между фототоком насыщения Iнас и световым потоком, падающим на фотоэлемент. Изменять световой поток можно изменением расстояния r между источником света и фотоэлементом. Действительно, если N – число фотонов, испускаемых точечным источником света в единицу времени, то число фотонов N 1, попадающих на фотоэлемент (которое пропорционально световому потоку), равно
(2.1)
где S – площадь катода фотоэлемента.
Таким образом, задача сводится к подтверждению линейной зависимости между фототоком насыщения Iнас и 1/ r 2, поскольку коэффициент перед 1/ r 2 в выражении (2.2) есть константа в условиях постоянства накала источника света:
(2.2)
где сonst = N/ 4p · S.
Получив энергию от фотона, электрон теряет часть ее вследствие случайных столкновений в веществе. Энергия, равная работе выхода Авых, идет на преодоление потенциального барьера на границе металл – вакуум. Максимальной кинетической энергией обладают фотоэлектроны, вышедшие в вакуум непосредственно с поверхности вещества. Для таких электронов потери на столкновения равны нулю, и их кинетическая энергия Т связана с энергией фотона h n и работой выхода А формулой Эйнштейна:
|
|
Т = h n – A. (2.3)
Или h n = Авых + , т.е энергия h n кванта света, падающего на катод расходуется на работу выхода электрона и сообщения ему кинетической энергии.
Проверка выражения (2.3) состоит в установлении линейной зависимости между кинетической энергией фотоэлектронов и частотой света, а саму зависимость (2.3) можно использовать для определения постоянной Планка h и работы выхода А. Частоту света можно изменять плавно, используя монохроматор, или дискретно, располагая перед фотоэлементом светофильтры. В настоящей работе используется второй способ. При этом следует иметь в виду, что светофильтры пропускают свет только в некотором интервале длин волн. Максимальной кинетической энергией обладают фотоэлектроны, выбитые фотонами с наименьшей длиной волны. Наименьшую длину волны света, пропускаемого светофильтром, называют граничной длиной волны lгр, а соответствующую ей частоту – верхней частотой nв. Определение кинетической энергии фотоэлектронов проще всего произвести методом задерживающего потенциала, подавая на фотоэлемент напряжение в запорном направлении и увеличивая его до тех пор, пока фототок не станет равным нулю. При этом максимальная кинетическая энергия Т фотоэлектронов и напряжение запирания U 3 фотоэлемента оказываются связанными соотношением:
eU 3 = Т = , (2.4)
где eU 3 – энергия электрического поля, препятствующая продвижению фотоэлектронов к аноду,
e – заряд электрона.
В этом случае кинетической энергии фотоэлектрона хватает только на то, чтобы преодолеть задерживающий потенциал и выйти из катода на поверхность.
С учетом (2.4), выражение (2.3) преобразуется в
еU 3 = h n – А. (2.5)
После деления на e, получим:
(2.6)
Выражение (2.6) отражает линейную зависимость задерживающего потенциала U 3от частоты n.
Сравнить с линейным уравнением вида: y=kx-b
Описание экспериментальной установки
Рис. 2.2 |
Экспериментальный макет (рис. 2.2) включает в себя источник постоянного напряжения (Е), потенциометр (R1) для регулировки напряжения, подаваемого на фотоэлемент, переключатель (К) для смены полярности напряжения и приборы для измерения фототока и напряжения на фотоэлементе. Органы регулировки напряжения, подаваемого на фотоэлемент, и переключатель полярности этого напряжения выведены на лицевую панель макета. Регулировка напряжения в прямом и запорном направлениях осуществляется разными рукоятками. В качестве источника света используется лампа накаливания (ЛН), регулировка свечения которой осуществляется резистором (R2), расположенным в левой части макета на отдельной панели. Расстояние между фотоэлементом и лампой накаливания может изменяться с помощью рукоятки на лицевой панели (перемещая фотоэлемент). Между лампой и фотоэлементом через щель в панели помещаются сменные светофильтры (СФ).
Порядок выполнения работы
1. Перед началом работы повернуть все потенциометры против часовой стрелки в крайнее положение.
2. Включить в сеть установку. Поворачивая потенциометр регулировки накала лампочки, убедиться в ее исправности (лампочка должна загореться).