Работа 5.6. Изучение внешнего фотоэффекта

Цель работы: изучение законов внешнего фотоэффекта, определение постоянной Планка.

Теоретическое введение

Наряду с волновыми свойствами свету присущи также и корпускулярные (квантовые) свойства, на основе которых находит объяснение, в частности, такое явление, как фотоэлектрический эффект. Фотоэффектом называется освобождение (полное или частичное) электронов от связей с атомами и молекулами вещества под действием света. Если электроны выходят за пределы освещаемого вещества (полное освобождение), то фотоэффект называется внешним.

Зависимость фототока, образуемого потоком электронов, испускаемых катодом под действием света, от напряжения между электродами называется вольтамперной характеристикой фотоэффекта (ВАХ). На рисунке 5.6.1 приведена вольтамперная характеристика фотоэлемента

Рисунок 5.6.1 – Вид вольтамперной характеристики фотоэлемента

При достаточно больших ускоряющих напряжениях  фототок достигает насыщения: все испускаемые катодом электроны попадают на анод. При задерживающих потенциалах (U<0) анод достигают лишь электроны, обладающие достаточно высокой кинетической энергией,  в то время как электроны с малой кинетической энергией заворачиваются полем и возвращаются на катод. При некотором значении  задерживающего напряжения U₀ даже наиболее быстрые электроны не могут достичь анода. Следовательно, при U=-U₀ ни один из электронов, даже обладающие при вылете из катода максимальной скоростью υ_max, не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода.

Теория фотоэффекта разработана А.Эйнштейном. В основу теории положены квантовые представления о природе света, согласно которым излучение, распространение и поглощение света происходит порциями - квантами (фотонами).

Энергия кванта определяется формулой Планка

W = h·ν                                                    (5.6.1)

где ν – частота излучения, h = 6,625·10^-34Дж·с – постоянная Планка.

Для внешнего фотоэффекта выполняется закон Эйнштейна:

                                           (5.6.2)

где А_вых – работа выхода электрона из металла, - кинетическая энергия освободившегося электрона, hν – энергия падающего кванта света. Уравнение (5.6.2) дает теоретическое обоснование экспериментальных законов фотоэффекта.

1) Первый закон фотоэффекта (закон Столетова). Световой поток, т.е. световая энергия, излучаемая в единицу времени, согласно квантовой теории определяется числом квантов. Каждый квант, падающий на поверхность металла, взаимодействует только с одним электроном, поэтомуфототок насыщения (максимальное число фотоэлектронов, испускаемых металлом в единицу времени) пропорционален падающему световому потоку:

I_нас = kФ                                                         (5.6.3)

где k – коэффициент пропорциональности или фоточувствительность катода.

2)Второй закон фотоэффекта.Из уравнения (5.6.2) следует, что с ростом частоты падающего света ν возрастает кинетическая энергия выбитых электронов, т.к. А_вых = const для данного металла. Следовательно,кинетическая энергия фотоэлектронов зависит лишь от частоты падающего света.

3) Третий закон фотоэффекта.При частоте падающего света ν = ν₀, при которой                

h·ν₀ = А_вых                                                          (5.6.4)

кинетическая энергия электрона равна 0. При меньших частотах излучения фотоэффект наблюдаться не будет. Частота ν₀ или соответствующая ей длина волны  называется красной границей фотоэффекта.

Согласно (5.6.4), красная граница  зависит, как и работа выхода, лишь от материала фотокатода. Для каждого материала существует красная граница, т.е. минимальная частота излучения ν₀, при которой еще существует фотоэффект.

Внутренним фотоэффектомназывается явление образования добавочных свободных носителей тока в полупроводнике под действием падающего на него света. Добавочную проводимость, обусловленную внутренним фотоэффектом, называют фотопроводимостью. Полупроводниковый прибор, в котором используется явление внутреннего фотоэффекта, называют фоторезистором. Сопротивление фоторезистора при освещении светом уменьшается.

Явления внешнего и внутреннего фотоэффекта находят широкое практическое применение.  

Описание установки

Лабораторная установка (рисунок 5.6.2) состоит из объекта исследования (1) и измерительного устройства (2), которые соединены между собой кабелем (3). Объект исследования выполнен в виде сборного корпуса (4), в котором находятся осветитель (спектральная ртутная лампа) с источником питания, блок интерференционных светофильтров (5) и устройство регулировки освещенности (6).

\Рисунок 5.6.2 –Внешний вид лабораторной установки

Положение «0» блока светофильтров соответствует прохождению света без светофильтров и может применяться для снятия интегральных вольтамперных и люксамперных характеристик, а положение «5» – перекрывает лампу и используется для установки ноля. К корпусу с помощью кронштейна (7)  крепится усилитель фототока (8), на верхнюю крышку которого устанавливается фотоприемник (9). При установке фотоприемника его приемное окно совмещается с выходным окном осветителя и закрывается при помощи насадки (10).

На передней панели объекта исследования находятся сетевой выключатель с индикатором включения сети (11). На задней панели объекта исследования расположены клемма заземления, держатели предохранителей и сетевой шнур с вилкой. На боковой стенке расположено выходное окно осветителя и устройства для смены интерференционных светофильтров и регулировки освещенности. На боковых поверхностях усилителя фототока (8) расположены соединительный шнур с разъемом для подключения объекта исследования к устройству измерительному и регуляторы ГРУБО и ТОЧНО (12) установки ноля при отсутствии освещенности.

На передней панели устройства измерительного размещены следующие органы управления и индикации:

– кнопки РЕГУЛИРОВКА НАПРЯЖЕНИЯ  ГРУБО и ТОЧНО (13,14) для регулировки напряжения на фотоэлементе;

– индикаторы В (16) и мкА(15) — предназначены для индикации значений величин напряжения на фотоэлементе и фототока в процессе работы

Принцип действия установки основан на измерении тока через фотоэлемент при изменении полярности и величины приложенного к нему напряжения и изменения спектрального состава и величины освещенности катода фотоэлемента.

В процессе выполнения лабораторных работ снимаются зависимости тока через фотоэлемент от приложенного к нему напряжения. При этом меняется полярность напряжения (т.е. раздельно снимаются прямая и обратная ветви вольтамперной характеристики фотоэлемента). Характеристики снимаются при различных значениях освещенности и при изменении длины волны освещения фотоэлемента. По результатам измерений строятся семейства вольтамперных характеристик и, используя соответствующие методы расчета, численно оценивается значение постоянной Планка.

Порядок выполнения работы

1. Включить устройство измерительное выключателем СЕТЬ, при этом должен загореться индикаторы, В и мкА устройства измерительного. После 10 минутного прогрева ручками УСТАНВКА НОЛЯ (ГРУБО и ТОЧНО) на объекте исследования установить нулевое значение на индикаторе (15) (мкА) устройства измерительного при этом поворотное колесо со светофильтром находится в положении 0, соответствующему перекрытию светового потока, идущего от лампы к фотоэлементу.

2. Включить объект исследования выключателем СЕТЬ на его передней панели. При этом должен загореться индикатор СЕТЬ объекта исследования.

3. Дать лампе осветителя прогреться в течение 15 мин.

4. Установить указанный преподавателем светофильтр.

5. Увеличивать значения напряжения от 0 с помощью ручек (13,14) до 340 мВ с шагом, заданным преподавателем. Снять показания фототока с индикатора (15) («мкА») и записать результаты в таблицу 5.6.1

Таблица 5.6.1- Таблица опытных данных (Прямой ход ВАХ)

U, мВ
I,мкА

6. Установить напряжение на объекте исследования 0. Уменьшать напряжение на лампе с шагом 50 мВ до тех пор, пока не установится ток равный или меньший 5 мкА. Занести полученные значения в таблицу 5.6.2.

7. Тумблером “Точно” медленно уменьшать напряжение на исследуемом объекте до тех пор, пока фототок не примет значение равное 0. Записать значение запирающего напряжения.

 

Таблица 5.6.2- Таблица опытных данных (Обратный ход ВАХ)

U, мВ
I, мкА
Uзап =……мВ

ВНИМАНИЕ: Не рекомендуется устанавливать значение напряжения ниже запирающего. Запирающему напряжению соответствует ток, равный нулю.

8. Повторить п.п. 5-7 для другого светофильтра, указанного преподавателем. Заполнить новые таблицы 5.6.1 и 5.6.2 для этого светофильтра

9. По окончании работы выключить объект исследования и устройство измерительное.

10. Построить ВАХ.

11. Определить число фотоэлектронов, выбитых в единицу времени:

                                  n = i_н/е,                                                                     (5.6.5)

где е =1.6*10^-19 Кл.

12. Оценить постоянную Планка для найденных задерживающих потенциалов U_0, соответствующих двум l (значения длин волн приведены в таблице 5.6.3)по формуле:

                                                        (5.6.6)

Таблица 5.6.3 – Характеристика светофильтров

№ светофильтра	1	2	3	4
λ, нм	407	435	546	578
Uзап,мВ

Контрольные вопросы

1.Что называется внешним фотоэффектом?

2. Как выглядит вольтамперная характеристика фотоэлемента?

3. Дайте определение фототока насыщения?

4. Определите задерживающий потенциал (напряжение).

5. Что такое “красная граница ” фотоэффекта.

6. Сформулируйте гипотезу Планка.

7. Запишите уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.