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

66631. Жизнь и научная деятельность Ильи Андреевича Соколова 147.83 KB
  В то время этот лозунг действовал не только безотказно, но он завораживал всех, включая и ученый мир, своей, казалось бы, легкостью, целесообразностью его выполнения и что именно реализация освоения создаст "счастливую жизнь", в которой так нуждались народы СССР.
66632. Биография М.В.Ломоносова. Вклад Ломоносова в почвоведение 48.3 KB
  Внутренние противоречия в социально-экономическом развитии России неизбежно отражались на состоянии русской науки и культуры XVIII столетия. Ломоносов отдавший всю свою жизнь развитию науки и культуры России. Ломоносов показавший своей многогранной деятельностью какие творческие возможности народа скованы крепостничеством.
66633. Предмет исследования искусственного интеллекта 589 KB
  Обучение нейронной сети в первую очередь заключается в изменении силы синаптических связей между нейронами. Искусственный нейрон узел искусственной нейронной сети являющийся упрощённой моделью естественного нейрона. Нейрон представляет собой своеобразную единицу обработки информации...
66634. Научный вклад Павла Андреевича Костычева в почвоведение 922 KB
  Началом подготовки крестьянской реформы стало учреждение по указу Александра II в январе 1857 секретного комитета для обсуждения мер по устройству быта помещичьих крестьян главной задачей которого была отмена крепостного права с обязательным наделением крестьян землей.
66635. Народознавство: суть, принципи, функції та засоби 99.5 KB
  Таким чином до сфери народознавства входили б і такі науки як історія політична й історія розвитку державних інститутів історія наук і історія промислу все звичайно в сфері щонайобмеженішій наскільки це стосується певного конкретного народу. Народознавство у вузькому значенні етнографія наука про культуру побут народу його походження розселення національні традиції та обряди.
66636. Развитие психоанализа в работах А.Адлера и К.К. Г. Юнга 142.5 KB
  Психоанализ возник на рубеже ХIХ–ХХ столетий. Термин «психоанализ» впервые был использован австрийским невропатологом Зигмундом Фрейдом в статье «Наследственность и этиология неврозов», опубликованной на французском языке 30 марта 1896 года.
66637. Ассоциативная психология: история, идеи факты 96 KB
  Заметим, что понятие ассоциации возникло довольно давно и историю его возникновения мы можем проследить, начиная с работ Аристотеля и Платона. В ходе развития науки различные философские системы вкладывали в понятие ассоциации различный смысл.
66638. Гештальтпсихология: идеи и факты 131.5 KB
  Гештальттерапия которой я учусь уже два с половиной года в той или иной степени унаследовала идеи гештальтпсихологии. А появились эти понятия в 1910е годы прошлого века и именно гештальтпсихологии они обязаны своим появлением....
66639. Концепция «физиологии активности» 142.5 KB
  Бернштейн изучал естественные движения неповрежденного организма. Ученый утверждал что организм своими движениями активно воздействует на окружающую среду стремясь изменить ее в потребном ему направлении. Принцип сенсорных коррекций Ранее механизм движения описывался...