Введение. Изучение явления и закономерностей фотоэффекта

Изучение явления и закономерностей фотоэффекта

Цель: Изучение явления и закономерностей внешнего фотоэффекта.

Задачи: Определить зависимость:

- фототока от освещенности катода;

- чувствительности фотоэлемента от анодного напряжения.

Введение

Фотоэффектом называется явление взаимодействия электромагнитного излучения (света) с веществом, в результате которого энергия фотонов передается электронам вещества. На основе этого явления работают многие приборы электронной автоматики. Одними из них являются фотоэлементы, которые находят широкое применение в различных реле, телевидении, звуковом кино.

Такие фотоэлементы состоят из стеклянного или кварцевого баллона, покрытого изнутри слоем металла (полупроводника) - это катод, и укрепленного в центре баллона небольшого электрода - это анод.

При освещении катода фотоэлемента электроны, вырванные из него, ускоряются электронным полем и, попадая на анод, замыкают цепь источника постоянного напряжения U_ан. Небольшой фототок, обусловленный частью электронов, вылетевших в направлении анода, будет иметь место и при U_ан= О. Слабое электрическое поле, увеличивая число электронов, достигающих анода, увеличивает соответственно и силу фототока.

При дальнейшем увеличении анодного напряжения ток в вакуумном фотоэлементе возрастает и достигает значения тока насыщения (I_нас) при котором все электроны, вылетевшие из катода, достигают анода.

Газополные фотоэлементы не имеют тока насыщения. На пути к аноду фотоэлектроны ионизируют газ, причем степень ионизации тем выше, чем выше разность потенциалов между анодом и катодом. Общий ток является суммой электронного и ионного токов. Фототок в газополном фотоэлементе растет при возрастании U_ан. При некотором достаточно большом U_ан ток резко возрастает вследствие самостоятельного разряда.

По Эйнштейну, вся энергия, полученная электроном, доставляется ему светом в виде определенной порции hn, величина которой зависит от частоты света и "усваивается" им целиком. Т.е. (по Эйнштейну) фотоэффект - явление соударения фотона с электроном, и фотон отдает энергию электрону. На основе закона сохранения энергии в квантовых процессах им установлен закон:

где n - частота света, падающего на элемент;

m - масса электрона;

h - постоянная Планка.

J - скорость электрона;

А - работа выхода электрона.

Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта (порог фотоэффекта) - минимальная частота n₀, при которой еще возможен фотоэффект:

; l_кр = ;

Красная граница, также как и работа электрона, представляет характеристику вещества.

При U_ан = const фототок пропорционален числу электронов, вырванных из катода в единицу времени, т.е. пропорционально световому потоку.

Отношение величины фототока к величине светового потока, падающего на катод, называют чувствительностью фотоэлемента. Измеряется она мкА/лм. Она зависит от величины U_ан и спектрального состава света.

где i - величина фототока;

i₀ - величина темнового фототока;

f - световой поток, падающий на катод.

(1)

Ф = kN - весь световой поток источника света;

k - световая отдача (отношение светового потока, испускаемого лампочкой к поглощаемой ею мощности);

N - мощность, поглощаемая лампочкой;

S = - площадь окошка фотоэлемента;

d - диаметр окошка;

r - расстояние от источника до фотоэлемента.

Зависимость чувствительности фотоэлемента от величины U_ан можно определить на опыте, измеряя фототок при U_ани постоянном световом потоке.

Выполнение работы

Установка изображена на рисунке.

Она состоит из оптической скамьи, фотоэлемента (вакуумного или газополного), миллиамперметра, вольтметра, выпрямителя, лампы накаливания.

Задание 1: Определение зависимости величины фототока от освещенности катода фотоэлемента.

1. Расположите фотоэлемент на расстоянии 30 см от лампы,

2. Включив ВУП-2, установите такое анодное напряжение, чтобы стрелка отклонилась на возможно большее число делений.

3. Измерьте величину фототока i.

4. Повторите измерения, увеличивая каждый раз, расстояние между источником света и фотоэлементом на 10 см (следите, чтобы анодное напряжение и ток накала лампы оставались постоянными!!!).

5. Изолируйте фотоэлемент от света и измерьте "темновой" ток i₀. Для нахождения фототока i_ф необходимо учесть "темновой" ток i₀ (i_ф= i - i₀).

6. Данные записать в таблицу.

Измерения сначала сделать для вакуумного фотоэлемента, затем для газополного.

Таблица для вакуумного фотоэлемента

№ пп	U_ан,В	r, м	i, мкA	i₀, мкA	i_ф, мкA	1/r², м^-2

Таблица для газополного фотоэлемента

№ пп	U_ан,В	r, м	i, мкA	i₀, мкA	i_ф, мкA	, м^-2

7. Построить графики зависимости i_ф(1/r²) для обоих фотоэлементов.

Задание 2: Определение зависимости чувствительности фотоэлемента от анодного напряжения.

1. Расположить вакуумный фотоэлемент на расстоянии 0.3-0.4 м от лампы накаливания, включить выпрямитель, установить 240 В.. Зафиксировать величину фототока.

2. Изолировать фотоэлемент от света, измерить "темновой" ток. Записать в таблицу величину фототока с учетом "темнового" тока.

3. Повторять измерения, уменьшая напряжение на 10 В, не меняя положение фотоэлемента. Записать в таблицу значение фототока.

4. Измерить диаметр окошка фотоэлемента. Записать в таблицу.

5. Вычислить f и с для каждого значения U_ан (k = 12лм/Вт).

Таблица к заданию 2