Исследование явления фотоэффекта.

8.

9. Цель работы: снять вольт-амперную и люкс-амперную характеристики вакуумного фотоэлемента

10. Приборы и принадлежности: оптическая скамья, вакуумный фотоэлемент СЦВ-4, вольтметр, миллиамперметр, выпрямитель, источник света.

11.

Краткие теоретические сведения.

13. Действие фотоэлементов основано на явлениях внешнего и внутреннего фотоэффектов.

14. Внешним фотоэффектом называется явление испускания электронов металлами под действием света. Для внешнего фотоэффекта характерны следующие закономерности.

15. 1. Число электронов, испускаемых веществом в единицу времени, пропорционально интенсивности падающего света.

16. 2. Начальная скорость вылетевших электронов определяется частотой света и не зависит от его интенсивности. С увеличением частоты падающего света скорость электронов увеличивается.

17. 3. Для каждого вещества существует так называемая красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота света n ₀, при которой еще имеет место фотоэффект. Величина n ₀ зависит от химической природы вещества и состояния его поверхности.

18. 4. Фотоэффект практически безынерционен, т.е. между началом освещения и возникновения фотоэффекта нет заметного промежутка времени.

19. Закономерности фотоэффекта не укладываются в рамки классической электромагнитной теории света.

20. Эйнштейн показал, что все основные закономерности фотоэлектрического эффекта непосредственно объясняются, если предположить, что свет поглощается такими же порциями энергии, какими он, по предположению Планка, испускается. В самом деле, при вырывании электрона из металла энергия кванта света идет на работу выхода А электрона из металла и на сообщение электрону кинетической энергии .

21. Так как порция световой энергии, поглощенной электроном при его вырывании, равна h n, то позакону сохранения энергии

22.

23. . (11.1)

24.

25. Это равенство называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Из этого уравнения следует, что минимальная порция энергии, необходимая для вырывания электрона, должна быть равна работе выхода А. Следовательно, частота n ₀, соответствующая красной границе фотоэффекта,

26. n ₀ = A / h. (11.2)

27.

28. На основании фотоэффекта действуют приёмники излучения, преобразующие световой сигнал в электрический. Такие устройства называются фотоэлементам и.

29. Вакуумный фотоэлемент представляет собой откачанный стеклянный баллон, часть внутренней поверхности которого покрыта тонким слоем светочувствительного металла, выполняющего роль фотокатода. Анод А находится в центре баллона (рис.11.1). При освещении фотоэлемента из катода вылетают электроны и под действием электрического поля попадают на анод. По цепи идет ток.

30.

31.

32.

33. Вольт-амперные и люкс-амперные характеристики фотоэлементов.

34.

35. Вольт - амперной характеристикой фотоэлемента называется кривая, выражающая зависимость фототока от напряжения. На рис.11.3 показана вольт-амперная характеристика вакуумного фотоэлемента. Для её объяснения надо учесть следующие обстоятельства.

36. 1. Вылетевшие с катода электроны образуют электронное облако. Под действием внешнего электрического поля часть электронов из электронного облака переходят на анод, создавая фототок. Чем больше электрическое поле, тем больше сила фототока. Фототок возрастает и при увеличении светового потока (увеличения числа фотонов, попадающих в единицу времени на поверхность катода.). Фототок при увеличении напряжения будет возрастать, пока не возникнет динамическое равновесии между числом электронов, вылетевших из поверхности катода, и числом электронов, перешедших на анод. Соответствующая динамическому равновесию сила фототока и определяет величину силы тока насыщения.

37. 2 При изменении полярности приложенного напряжения внешнее поле будет не ускорять электроны, а задерживать их. Напряжение, при котором фототок окажется равным нулю, называется задерживающим напряжением (задерживающая разность потенциалов). Величина задерживающей разности потенциалов зависит от максимальной энергии электронов (11.3), вылетевших с поверхности катода, а также от геометрии электродов.

38.

39. , (11.3)

40.

41. где е, m и V - это заряд, масса и скорость электрона соответственно.

42. Люкс-амперной (или световой) характеристикой фотоэлемента называется зависимость фототока от освещенности катода (Е) при постоянном напряжении. У вакуумных фотоэлементов световая характеристика линейна, так как число выбитых электронов в единицу времени n пропорционально освещенности (I_н = е n ~ E).

43.

Выполнение работы

45.

46. 1. Ознакомиться с имеющимися на лабораторном столе приборами.

47. 2.Снять вольт – ам­пер нуюхарактеристику вакуумного фотоэлемента (СЦВ-4):

Номер	U, В	Iф , А
измерения		r1 =	r2 =
. .

48. 2.1. Поместив фотоэлемент СЦВ-4 на оптическую скамью, собрать электрическую цепь по рис.11.4.

49. 2.2. Подать напряжение сети на выпрямитель и источник света. Изменяя напряжение U, подаваемое на фотоэле Таблица11.1

50. мент, от 0 до (120-150)В, снять зависимость (7-10 точек) силы фототока I_ф от напряжения для двух расстояний r₁ и r₂ фотоэлемента от источника света. Результаты измерений занести в табл. 11.1.

51.

52. П р и м е ч а н и е. Расстояния r₁ и r₂ необходимо подбирать такими, чтобы шкала миллиамперметра использовалась как можно полнее. Фототок можно измерять в относительных единицах (в делениях шкалы прибора).

53. 2.3. По измеренным данным построить графики I_ф = f (U).

54. 3. Снять люкс-амперную характеристику.

55. 3.1. При постоянном напряжении (U = cоnst) снять зависимость силы фототока I_ф от освещенности Е фотоэлемента. Так как освещенность обратно пропорциональна квадрату расстояния r , то изменять ее можно путем изменения r. Результаты измерений занести в табл. 11.2.

56.

57.

58.