Изучение основных законов внешнего фотоэффекта

 

Цель работы: изучение явления внешнего фотоэффекта, изучение устройства и принципа работы вакуумного фотоэлемента, экспериментальное определение характеристик вакуумного фотоэлемента и объяснение с их помощью основных законов внешнего фотоэффекта.

Приборы и принадлежности: вакуумный фотоэлемент, эталонная лампа – осветитель, оптическая скамья, измерительная электрическая установка.

 

Теория работы

 

При падении света на вещество он частично поглощается и его энергия передается электронам вещества, переводя их из связанного состояния в свободное. Явление освобождения электронов от связей с атомами и молекулами вещества под действием света называется фотоэлектрическим эффектом.

При полном освобождении от связей и выходе электронов за пределы твердого или жидкого вещества (испускании электронов веществом) осуществляется внешний фотоэффект. Он наблюдается в металлах, полупроводниках и диэлектриках.

При частичном освобождении от связей электроны остаются внутри вещества, увеличивая его электропроводность – это внутренний фотоэффект. Внутренний фотоэффект характерен для полупроводников и диэлектриков.

Принципиальная схема для исследования внешнего фотоэффекта состоит из двух электродов - катода К из исследуемого металла и анода А, в цепь которых включается источник ЭДС, миллиамперметр для измерения тока в цепи и потенциометр для регулировки напряжения между электродами. При облучении катода монохроматическим светом он испускает (эмитирует) электроны (называемые фотоэлектронами), которые ускоряются в электрическом поле между катодом и анодом, создавая фототок.

Явление внешнего фотоэффекта было открыто Г. Герцем, изучалось А.Г. Столетовым, Гальваксом и др. Многочисленными экспериментами были установлены три закона внешнего фотоэффекта:

1) число фотоэлектронов, вырываемых из катода за единицу времени (фототок насыщения), прямо пропорционально интенсивности света;

2) максимальная начальная скорость (кинетическая энергия) фотоэлектронов определяется частотой света и не зависит от его интенсивности;

3) для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. такая наименьшая частота света n _min, при которой еще возможен внешний фотоэффект.

Классическая волновая теория не смогла объяснить законы внешнего фотоэффекта. Это сделал А. Эйнштейн в 1905 году, разработав квантовую теорию фотоэффекта, за которую получил Нобелевскую премию по физике в 1922 году.

Согласно Эйнштейну падающий монохроматический свет частотой n рассматривается как поток световых квантов – фотонов, энергия которых равна

Е=hn, (1)

где h = 6,63 ×10^-34 Дж ×с – постоянная Планка. При поглощении фотона его энергия целиком передается одному электрону. Полученная электроном энергия Е частично затрачивается на освобождение из металла – на работу выхода А, остальная часть переходит в кинетическую энергию вылетевшего из металла электрона:

Уравнение (2) называется уравнением Эйнштейна.

Работой выхода А называется минимальная энергия, необходимая для выхода электрона из металла, т.е. для преодоления потенциального барьера. Потенциальный барьер вблизи поверхности металла появляется из-за теплового движения свободных электронов, которые пересекают поверхность металла, образуя около нее отрицательно заряженное электронное облако. Положительно заряженные ионы кристаллической решетки на поверхности металла как бы оголяются. Образуется разделенный в пространстве двойной электрический слой с разностью потенциалов j ₀- j порядка 3-5 вольт. Работа А по преодолению потенциального барьера е (j ₀- j) и является работой выхода электрона из металла:

 

А = е (j ₀- j), (3)

где е = 1,6 ×10^-19 Кл – заряд электрона.

Уравнение Эйнштейна (2) объясняет все закономерности внешнего фотоэффекта:

1) т.к. каждый квант света (фотон) поглощается только одним электроном, то число вырванных фотоэлектронов должно быть пропорционально интенсивности света

(1-й закон фотоэффекта);

2) максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты n падающего излучения и не зависит от его интенсивности, т.к. интенсивность обусловливает только количество фотонов, а значит, и фотоэлектронов, но совершенно не влияет на их максимальную кинетическую энергию (2-й закон фотоэффекта);

3) красная граница фотоэффекта соответствует равенству

 

hn _min =А, (4)

 

т.е. фотоэлектрон имеет нулевую кинетическую энергию. При меньшей частоте света n <n _min энергии фотона не хватает, чтобы фотоэлектрон мог преодолеть потенциальный барьер и выйти из металла (3-й закон фотоэффекта).

Для металла красная граница фотоэффекта т.е. зависит от работы выхода А, определяемой химической природой металла и состоянием его поверхности.

Для большинства металлов красная граница фотоэффекта лежит в ультрафиолетовой (УФ) области спектра. У щелочных металлов она лежит в видимой и инфракрасной (ИК) областях спектра, поэтому они чувствительны к широкому диапазону длин световых волн.

В измерительной, кино- и фототехнике, фотометрии используются фотоэлектронные приборы на внешнем фотоэффекте – фотоэлементы, фотоэлектронные умножители, электронно-оптические преобразователи. Простейший из них – вакуумный фотоэлемент.

Вакуумный фотоэлемент представляет собой пустотный стеклянный или кварцевый баллон с двумя электродами – фотокатодом К и анодом А (рис. 1). Фотокатодом служит фоточувствительный слой из щелочных металлов (сурьмяно-цезиевый, кислородно-серебряно-цезиевый и др.), который наносится на металлический слой (подложку), предварительно осажденный на стекло, либо на металлическую пластину внутри баллона. Анод имеет вид металлического кольца или сетки. На катод подается отрицательный потенциал – «минус» источника питания, на анод – положительный. Падающий на фототокатод световой поток вызывает фотоэлектронную эмиссию (испускание электронов) с поверхности катода, а электрическое поле направляет вылетающие электроны к аноду, образуя ток в цепи.

 

Рис. 1 Рис. 2

 

Основные характеристики фотоэлемента – вольтамперная характеристика

I = f (U) при Ф =const и световая I = f (Ф) при U =const.

Из вольтамперной характеристики I = f (U) (рис. 2 а) видно, что при неизменном световом потоке Ф фототок I зависит от напряжения U между катодом и анодом. Хотя число электронов, эмитированных с фотокатода в единицу времени, постоянно (Ф= сonst), при низких напряжениях U только небольшая часть фотоэлектронов попадает на анод. С ростом анодного напряжения все большее число электронов достигает анода и ток увеличивается почти линейно. Начиная с некоторого значения анодного напряжения все фотоэлектроны попадают на анод и наступает состояние насыщения, при котором сила тока равна I _нас. Режим насыщения является рабочим режимом фотоэлемента. При увеличении светового потока Ф ток насыщения увеличивается, т. к. увеличивается число фотоэлектронов в единицу времени.

Из световой характеристики I = f (Ф) (рис. 2 б) следует, что при неизменном анодном напряжении U ток I пропорционален световому потоку Ф: чем больше

световой поток, тем большее число фотонов попадает на фотокатод, выбивая большее число электронов, которые и увеличивают фототок.

Основными параметрами фотоэлемента являются квантовый выход g, световая чувствительность S _ф, спектральная чувствительность S _l. Квантовый выход g есть число эмитированных фотоэлектронов, приходящихся на каждый из падающих на фотокатод фотонов. Величина фототока насыщения, отнесенная к световому потоку в один люмен (лм) при номинальном анодном напряжении, называется световой чувствительностью фотоэлемента . Спектральная чувствительность характеризует реакцию фотоэлемента на монохроматический с длиной волны l световой поток. У современных вакуумных фотоэлементов световая чувствительность составляет S _ф = 30-150 мкА/лм.

Более высокую чувствительность имеют газонаполненные (инертным газом) фотоэлементы. В них эмитированные катодом фотоэлектроны при движении к аноду ионизируют молекулы инертного газа, благодаря чему к аноду движется все более нарастающая лавина электронов. Однако их работа нестабильна и световая характеристика нелинейна, что сильно ограничивает использование.

В настоящее время наиболее широкое применение имеют полупроводниковые фотоэлектронные устройства на внутреннем фотоэффекте в силу своей миниатюрности, низкого напряжения питания, высокой экономичности, надежности, длительного срока службы, низкой стоимости, которые применяются в системах сбора, передачи, обработки и отображения информации.

В лабораторной работе исследуются характеристики вакуумного фотоэлемента. Исследование проводится при помощи установки, состоящей из оптической скамьи с масштабной линейкой, на которой расположен вакуумный фотоэлемент и эталонная лампа-осветитель. На рис. 3 EL - эталонная лампа-осветитель, BL – исследуемый фотоэлемент; PA – микроамперметр для измерения фототока; RP1 – потен циометр, регулирующий анодное напряжение, измеряемое вольтметром PV1. Реостат RP2 служит для установления напряжения на эталонной лампе–осветителе, измеряемого вольтметром PV2.

 

 

 

Рис. 3

 

Порядок выполнения работы

 

1. Для снятия вольтамперной характеристики фотоэлемента I = f (U)при

Ф = сonst включить электрическую цепь. Установить эталонную лампу на оптической скамье на расстоянии l от фотоэлемента (этим задают постоянный световой поток Ф, падающий на фотоэлемент). Изменяя потенциометром RP1 напряжение от 0 до U _max с шагом, указанным преподавателем, измерить фототок I, соответствующий каждому значению анодного напряжения U. Снять вольтамперную характеристику при двух значениях светового потока Ф. Измеренные значения записать в левую часть таблицы измерений и результатов расчетов.

2. Для снятия световой характеристики I = f (Ф)при U = сonst установить потен-

циометром RP1 заданное преподавателем анодное напряжение U. Установить фотоэлемент на такое минимальное расстояние l от лампы–осветителя, чтобы фототок был максимален. Изменяя расстояние l от минимального l _min до максимального l _max с шагом 5 см, измерить фототок для каждого положения лампы-осветителя. Измеренные значения записать в правую часть таблицы измерений и результатов расчетов.

3. В дополнении дается площадь S фотокатода и сила света J эталонной лампы. Для

каждого значения l величина светового потока Ф рассчитывается по формуле .

4. Построить графики вольтамперных характеристик фотоэлемента I = f (U)при

двух значениях светового потока Ф ₁, Ф ₂в одной системе координат.

5. По графикам I = f (U) найти световые чувствительности исследуемого фотоэле-

мента по формуле при U = сonst.

6. Построить график световой характеристики фотоэлемента I = f (Ф) при U =

= сonst.

 

Таблица измерений и результатов расчетов

 

 

Вольтамперная характеристика Световая характеристика

 

 

№ п/п

U

l1

I

Sф

l2

I

Sф

J

l

I

Ф

S

U

Ед. изм.

В

м

10^-6 А

м

10^-6 А

кд

м

10^-6А

лм

м^2

В

:

:

Контрольные вопросы

 

 

1. В чем заключается явление фотоэффекта?

2. Виды фотоэффекта.

3. Сформулируйте экспериментальные законы внешнего фотоэффекта.

4. Что такое потенциальный барьер вблизи поверхности металла, работа выхода электронов из металла?

5. Запишите уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта и объясните с его помощью экспериментальные законы фотоэффекта.

6. Устройство вакуумного фотоэлемента и принцип его работы.

7. Устройство газонаполненного фотоэлемента и принцип его работы.

8. Объясните вольтамперную и световую характеристики вакуумного фотоэлемента.

9. Область применения фотоэлементов.

10. В чем недостатки и преимущество фотоэлементов на основе внешнего фотоэффекта по сравнению с фотоэлементами на внутреннем фотоэффекте?

 

Литература

1. Трофимова Т. И. Курс физики. М.: Высш. шк., 1994. Часть 5, гл. 26, § 1202-204.

2. Савельев И. В. Курс общей физики. М.: Наука, 1977. Том 3, часть 1, гл. II, § 9.

3. Грабовский Р. И. Курс физики. С-Пб.: Лань. 2002. Часть П, гл. VIII, § 68.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4-11