ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4

Исследование внешнего фотоэффекта

Краткая теория

Внешним фотоэффектом называется испускание электронов поверхностью металла под действием света. Это явление было открыто Г. Герцем в 1887 году, а в дальнейшем подробно исследовано А.Г. Столетовым и Леонардом и Томсоном. Схема использованной экспериментальной установки приведена на рис. 1.

Свет, проникающий через кварцевое окошко К_в, освещает катод К, изготовленный из исследуемого материала. Электроны, испущенные вследствие фотоэффекта, перемещаются под действием электрического поля к аноду А. В результате в цепи прибора течет фототок, измеряемый микроамперметром mА. Напряжение между анодом и катодом можно изменять

с помощью потенциометра П. Полученная на таком приборе вольтамперная характеристика (т.е. кривая зависимости фототока I от напряжения между электродами U при постоянном потоке света Ф) приведена на рис. 2.

Из кривой видно, что при некотором напряжении фототок достигает насыщения (Iн) - все электроны, испущенные катодом достигают анода. С другой стороны, для обращения силы тока в нуль необходимо приложить напряжение обратной полярности (U_з) - задерживающее напряжение. При таком напряжении ни одному из электронов, даже обладающему при вылете из катода наибольшим значением скорости V_max. не удается преодолеть задерживающее поле и достигнуть анода. В ходе опытов варьировались такие параметры, как длина волны света, величина падающего на катод светового потока и материал катода. Анализ полученных экспериментальных данных позволил сформулировать следующие законы фотоэффекта:

1. Сила тока насыщения не зависит от длины волны света, а определяется лишь интенсивностью освещения катода.

2. Величина задерживающего напряжения не зависит от интенсивности светового потока, а определяется лишь длиной волны падающего света.

3. Для каждого материала существует своя максимальная длина волны света, такая что при освещении светом с большей длиной волны фотоэффект не наблюдается.

Впервые фотоэффект и его закономерности были правильно объяснены в 1905 г. А. Эйнштейном, который предположил, что свет поглощается порциями (квантами). Согласно этому предположению, энергия, полученная электроном, доставляется ему в виде кванта hv, который поглощается электроном целиком. Часть этой энергии, равная работе выхода А (это наименьшая энергия, которая требуется для вырывания электрона с поверхности металла), затрачивается на то, чтобы электрон мог покинуть тело. Если электрон освобождается светом не у самой поверхности, а на некоторой глубине, то кроме этого часть энергии, равная Е`, может быть потеряна вследствие случайных столкновений в веществе. Остаток энергии кванта света переходит в кинетическую энергию Е<sub>К</sub> электрона, покинувшего вещество, Энергия Е<sub>К</sub> будет максимальна, если Е`= 0. В этом случае должно выполняться соотношение

(1)

которое называется формулой Эйнштейна. На практике эту формулу чаще записывают в виде

(2)

где h - постоянная Планка, v - частота света, с - скорость света в вакууме, l - длина волны света, А - работа выхода, е - заряд электрона по модулю, U_з - задерживающее напряжение. Отсюда следует, что

(3)

Описание установки

Установка состоит из объекта исследования и устройства измерительного, выполненных в виде конструктивно законченных изделий, устанавливаемых на лабораторном столе и соединяемых между собой кабелем.

Объект исследования выполнен в виде сборного корпуса, в котором установлены осветитель (ртутная лампа) с источником питания, блок светофильтров (положение «0» соответствует перекрытию фотоэлемента и применяется для установки нуля на измерительном устройстве, а положение «5» соответствует освещению фотоэлемента без светофильтров) и устройство регулировки освещенности. Положения 1-4 на блоке светофильтров соответствуют длинам волн 455 нм (1), 469 нм (2), 522 нм (3) и 538 нм (4). К корпусу прикреплен усилитель фототока, на верхнюю крышку которого устанавливаются сменные фотоприемники с фотоэлементами Ф-8 и Ф-25. При установке фотоприемников их входное окно совмещается с выходным окном осветителя и соединяется с помощью защитной шторки.

На передней панели объекта исследования находится сетевой выключатель с индикатором. На задней панели расположены клемма заземления, держатели предохранителей и сетевой шнур с вилкой. На боковой стенке расположены выходное окно осветителя и устройства для смены светофильтров и регулировки освещенности. Кроме того, на усилителе фототока расположены регуляторы баланса усилителя ГРУБО и ТОЧНО.

В устройстве измерительном применена однокристальная микро­ЭВМ, позволяющая производить измерение тока фотоэлемента, устанавливать и измерять питающие напряжения, а также осуществлять функции управления установкой. На передней панели устройства измерительного размещены следующие органы управления и индикации:

- кнопка ПРЯМАЯ-ОБРАТНАЯ с соответствующими индикаторами -предназначена для включения прямого или обратного режимов измерения;

- кнопки «+», «-» и СБРОС - предназначены для регулировки напряжения на фотоэлементе и его сброса в ноль;

- индикаторы В и мкА - предназначены для индикации значений напряжения и фототока в процессе работы.

На задней панели устройства измерительного расположены выключатель СЕТЬ, клемма заземления, держатели предохранителей, сетевой шнур с вилкой и разъем для подключения объекта исследования.

Принцип действия установки основан на измерении тока через фотоэлемент при изменении полярности и величины приложенного к нему напряжения (т.е. раздельно снимаются прямая и обратная ветви вольтамперной характеристики фотоэлемента) и изменении спектрального состава и величины освещенности катода фотоэлемента.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: