3560

Изучение внешнего фотоэффекта

Лабораторная работа

Физика

Цель работы: изучение внешнего фотоэффекта. Задача: определение световой и вольт-амперной характеристики фотоэлемента. Техника безопасности: напряжение 220 В подается от сети на трансформатор и выпрямитель, поэтому соответствующие токоведущие...

Русский

2012-11-03

67.5 KB

92 чел.

Цель работы: изучение внешнего фотоэффекта.

Задача: определение световой и вольт-амперной характеристики фотоэлемента.  

Техника безопасности: напряжение 220 В подается от сети на трансформатор и выпрямитель, поэтому соответствующие токоведущие части должны быть закрыты.

Приборы и принадлежности: экспериментальная схема, состоящая из фотоэлемента, осветительной лампочки, источников питания фотоэлемента и лампочки, микроамперметра, вольтметра; оптическая скамья, на которой закреплены фотоэлемент и осветительная лампочка.

ВВЕДЕНИЕ

Внешним фотоэффектом называется явление испускания электронов из вещества под действием электромагнитного излучения. Внешний фотоэффект наблюдается в твердых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриках).

Основные закономерности внешнего фотоэффекта, полученные из эксперимента (законы Столетова), следующие.

  1.  Число выбитых из вещества электронов пропорционально интенсивности падающего электромагнитного излучения (при его фиксированной частоте).
  2.  Начальная скорость выбитых из вещества электронов не зависит от интенсивности падающего электромагнитного излучения, а определяется только его частотой.
  3.  Для каждого вещества существует своя минимальная частота падающего электромагнитного излучения, при которой возникает фотоэффект.

Явление внешнего фотоэффекта было объяснено А. Эйнштейном. Он предположил, что электромагнитное излучение распространяется в виде отдельных порций – квантов. Падающий на вещество квант с энергией       (h = 6,62 ∙ 10 – 34 Дж ∙ с – постоянная Планка, ν – частота падающего электромагнитного излучения) может поглотиться электроном. При этом энергия кванта передается электрону, причем часть ее затрачивается на работу по удалению электрона из вещества (работа выхода А) и оставшаяся часть идет на сообщение кинетической энергии  вылетевшему электрону  (здесь m – масса электрона, v – скорость, с которой электрон вылетает из вещества).

Закон сохранения энергии в данном процессе записывается в следующем виде:

                                                                            (1)

и называется уравнением Эйнштейна для фотоэффекта.

Уравнение Эйнштейна легко объясняет все закономерности внешнего фотоэффекта, открытые Столетовым. Действительно, чем больше интенсивность падающего электромагнитного излучения, тем больше квантов падает на вещество и взаимодействует с электронами вещества и, следовательно, тем больше выбивается электронов. Поскольку работа выхода электрона для каждого вещества постоянна, то из уравнения Эйнштейна (1) видно, что чем больше частота падающего электромагнитного излучения, тем больше скорость выбитого электрона. И наконец, как видно из уравнения (1), для того чтобы внешний фотоэффект имел место, энергия падающего кванта должна превышать работу выхода электрона из вещества ( > А). Следовательно, внешний фотоэффект имеет место лишь в том случае, когда частота падающего электромагнитного излучения превышает некоторую минимальную частоту, определяемую из уравнения

0 = А.                                                  (2)

Поскольку частота и длина волны λ связаны соотношением

,                                                   (3)

где с – скорость света, то можно также сказать, что внешний фотоэффект наблюдается в том случае, если длина волны падающего электромагнитного излучения λ меньше длины волны λ0, определяемой из соотношения

.                                                (4)

Минимальная частота ν0 (или максимальная длина волны λ0), при которой возможен внешний фотоэффект, называется красной границей фотоэффекта:

,                            .                             (5)

На явлении внешнего фотоэффекта основано действие вакуумного фотоэлемента (рис. 1). Он представляет собой стеклянный баллон,  из которо-

го  отка

чан воздух. Часть внутренней поверхности баллона покрыта фоточувствительным слоем, служащим фотокатодом. Для регистрации видимого и инфракрасного излучения используется кислородно-цезиевый фоточувствительный   слой.   В    качестве  анода

Рис. 1. Устройство фотоэлемента

обычно используется кольцо или сетка, помещаемая в центре баллона. Фотоэлемент включается в цепь батареи. При попадании на фотокатод электромагнитного излучения из него выбиваются электроны, которые летят к аноду. В результате по цепи протекает электрический ток.

Зависимость фототока от напряжения  (вольт-амперная  характеристи-

ка) изображена на рис. 2. Электроны вылетают из фотокатода в различных   направлениях, но приложенное напряжение заставляет их перемещаться к аноду. С ростом напряжения фототок возрастает, т.е. все большее количество выбитых электронов достигает анода. Максимальное значение фототока Jн (называемое фототоком насыщения), определяется таким значением U, при котором все электроны, испускаемые фотокатодом,   достигают   анода.   По-

скольку  вылетевшие  из  фотокатода электроны обладают некоторой начальной скоростью v и отличной от нуля кинетической энергией, то они могут достигать анода при   U = 0, т.е. при U = 0 фототок не прекращается. Для того чтобы Jф = 0, необходимо приложить задерживающее напряжение U3, т.е. на анод подать небольшой отрицательный потенциал.

Кроме внешнего фотоэффекта еще существуют внутренний фотоэффект и вентильный фотоэффект.

Внутренним фотоэффектом называется переход электронов в полупроводниках или диэлектриках из связанных состояний в свободные  (без вылета наружу) под действием электромагнитного излучения. В результате внутреннего фотоэффекта концентрация свободных электронов в веществе возрастает и увеличивается его проводимость.

Вентильным фотоэффектом называется возникновение электродвижущей силы (генерации электронов и дырок) при облучении электромагнитным излучением контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Схема установки, на которой проводится исследование фотоэлемента, приведена на рис. 3. Питание фотоэлемента  Ф  осуществляется   от   выпря-

мителя. Выпрямленное напряжение регулируется потенциометром П и измеряется вольтметром U. Величина фототока Jф измеряется микроамперметром μА. Лампа Л осветителя питается от автотрансформатора АТ. Фотоэлемент и осветитель закреплены стопорными винтами на оптической  скамье,  причем  осветитель может перемещаться по ней.

        

        Рис. 3. Схема установки для

        исследования фотоэлемента

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

  1.  Определить самостоятельно основные метрологические характеристики микроамперметра (ток измеряется в мкА) и вольтметра (напряжение измеряется в В). Результаты занести в табл. 1.
  2.  Подать напряжение на фотоэлемент; включить осветитель.
  3.  Снять вольт-амперную характеристику. Для этого установить осветитель на расстоянии 40 см от фотоэлемента и, меняя напряжение на фотоэлементе от 10 В до 140 В через 10 В, измерить соответствующее значение фототока Jф. При этом стрелка микроамперметра не должна зашкаливать. Если стрелка микроамперметра зашкаливает, установить расстояние между фотоэлементом и осветителем 50 см и повторить измерения. Результаты измерений занести в табл. 2. Построить на миллиметровке график зависимости Jф от U.
  4.  Снять световую характеристику. Для этого установить на фотоэлементе постоянное напряжение 140 В. Изменяя расстояние ℓ от осветителя до фотоэлемента от 80 см до 40 см через каждые 5 см, измерить значения фототока Jф. Для каждого значения вычислить световой поток Ф по формуле    

,

где I – сила света лампы осветителя; S – площадь фотокатода.

В единицах СИ значение S измеряется в м2, ℓ в м, I в кд, световой поток Ф в лм. Значения силы света лампы и диаметра фотокатода указаны на установке. Полученные значения ℓ, Ф и Jф занести в табл. 3. Построить на миллиметровке график зависимости Jф от Ф.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

  1.  Почему фототок пропорционален световому потоку?
  2.  Почему скорость фотоэлектронов не зависит от величины светового потока?
  3.  Объясните уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.
  4.  Что такое красная граница фотоэффекта?
  5.  При попадании на некоторое вещество красного света внешний фотоэффект наблюдался. Будет ли наблюдаться фотоэффект при облучении этого же вещества синим светом?

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1.  Трофимова Т. И. Курс физики. М.: Высшая школа, 1999. 542 с.
  2.  Савельев И. В. Курс общей физики: В 3 т. М.: Наука, 1989. Т. 3. 320 с.

ОБРАЗЕЦ ОТЧЕТА

Лабораторная работа № 55

Исследование фотоэлемента

Цель работы:

Задача:

Приборы и принадлежности:

Таблица 1

Основные метрологические характеристики приборов

 

Прибор  

Диапазон

измерений

Цена деления шкалы прибора

Погрешность измерения

Микроамперметр

Вольтметр

Основные понятия и законы:

Таблица 2

Вольт-амперная характеристика

 

U (B)

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

JФ (мкА)

График зависимости JФ от U

Вычисление значений светового потока Ф при разных  расстояниях между осветителем и фотоэлементом

Таблица 3

Световая характеристика

ℓ (см)

80

75

70

65

60

55

50

45

40

Ф (лм)

Jф (мкА)

График зависимости Jф от Ф

Выводы:


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

32386. Восприятие 14.1 KB
  Различие процессов восприятия и ощущения заканчиваются в том что ощущение – это отражение отдельных свойств предметов и явлений а восприятие – целостное отражение предметов в единстве и во взаимосвязи их свойств. Свойства восприятия Предметность – это способность отражать предметы и явления реального мира в соответствии с их функциональным значением. Она тесно связана с целостностью восприятия. В результате их взаимодействия и достраивания посредством памяти и мышления приобретает структурную целостность это не сумма ощущений это...
32387. Естественн-научные основы психологии. Физиологические механизмы психики 14.55 KB
  Физиологические механизмы психики. Изучая отдельные факты психической жизни человека выявляется закономерности их развития раскрываются механизмы лежащие в основе. 4 этап психологии наука изучает факты закономерности механизмы психики. Физиологические механизмы психики.
32388. Внимание 15.34 KB
  Успешность освоения систематизированных знаний и выполнение той или иной деятельности зависит в значительной степени от уровня развития и индивидуальных особенностей внимания человека. Наличие внимания является обязательным условием обеспечивающим успешность протекания каждого психического процесса. В качестве обоснования этой точки зрения указывается на то что в мозге человека можно обнаружить и выделить особого рода нервные структуры связанные именно с процессом внимания. Функции внимания: Отбор значимых воздействий которые...
32389. Содержание, задачи, функции, методы, основные направления и этические принципы работы практического психолога в системе образования 13.8 KB
  Осуществление работы по направлениям личности. Методы работы: Индивидуальная форма работы для детей – игра и рисунок. Групповая форма работы для детей – ролевые игры и психодрама.
32390. Общие представления о мышлении 16.24 KB
  Физиологические основы мышления выявить и исследовать достаточно трудно это объяснятся той специфической ролью которую мышление играет в психологической деятельности человека. Следовательно для функционирования мышления необходимы отделы коры головного мозга отвечающие за познавательные процессы. Установлено также что особую значимую роль для процессов мышления играет лобная доля и речевые центры коры головного мозга. Функции мышления: Понимание решение проблемы и задачи целеобразование рефлексия – деятельность человеческого...
32391. Особенности развития личности ребенка на различных возрастных этапах 14.83 KB
  Внутри этого вида деятельности формируется новая ведущая деятельность характерная для следующего этапа возрастного развития. ведущая деятельность способствует появлению характерных только для этого возраста качественных особенностей. Ведущая деятельность: непосредственно эмоциональное общение внутри и на фоне которой формируются ориентировочные и сенсомоторные манипулятивные действия т. Ведущая деятельность: предметноманипулятивная в процессе которой ребенок овладевает общественными выработанными способами действий с предметами в...
32392. Метод эксперимента 15.17 KB
  Отличительные признаки эксперимента: Исследователь не дожидается проявлений интересующих его психических свойств а сам создает условия чтобы вызвать их у испытуемых. В эксперименте обязателен строгий учет и регистрация условий протекания исследования. Эксперимент может быть повторен другими исследователями и в другое время что позволяет проверить результаты исследования.
32393. Психодиагностика как наука. История, предмет и методы психодиагностики. Классификация методов психодиагностического исследования 16.22 KB
  Задачи психодиагностики: Разработка теоретических принципов оценки и измерения индивидуальных психологических свойств человека. Этапы становления психодиагностики: Донаучный до начала 19 века Стихийное использование некоторых заданий для определения индивидуальных особенностей человека. Пифагор допускал в свою школу лишь тех кто проходил череду испытаний смех и походка считались отражением характера человека. Экспериментальная психология накопила огромное количество методик для исследования психических функций человека многие из...
32394. Представление о личности в отечественной и зарубежной психологии. Личность и индивидуальность 14.43 KB
  Личность и индивидуальность. Личность – специфическое человеческое образование производится общественными отношениями в которых индивид вступает в своей деятельности. Личность понятие социальное возникает в результате культурного и социального развития есть своя позиция жизни к которой пришел в итоге большой сознательной работы; самостоятельность мысли; глубина и богатство связей с миром с другими людьми; разрыв этих связей самоизоляция опустошают. Личность – как субъект межличностных социальных отношений и сознательной деятельности...