48962

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Курсовая

Физика

Внешний фотоэффект Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием электромагнитных излучений. Сила фототока зависит от числа электронов вылетающих из катода электронов или от их начальной скорости а также от разности потенциалов между катодом и анодом. Рисунок 3 – Зависимость I от U При напряжении U равном 0 некоторые из фотоэлектронов долетают до анода поэтому I ≠ 0 при U = 0.

Русский

2013-12-18

365.5 KB

28 чел.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН


ВВЕДЕНИЕ

Среди разнообразных явлений, в которых проявляется воздействие света на вещество, важное место занимает фотоэлектрический эффект, то есть испускание электронов веществом под действием света. Анализ этого явления привел к представлению о световых квантах и сыграл чрезвычайно важную роль в развитии современных теоретических представлений. Вместе с тем фотоэлектрический эффект используется в фотоэлементах получивших исключительно широкое применение в разнообразнейших областях науки и техники и обещающих еще более богатые перспективы.

1 ОПИСАНИЕ ПРЕДЛОЖЕННОГО ФИЗИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА, ВКЛЮЧАЯ ОСНОВНЫЕ ФОРМУЛЫ И РИСУНКИ, ПОЯСНЯЮЩИЕ ЭТОТ ЭФФЕКТ

1.1 Внешний фотоэффект

Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием электромагнитных излучений. Электроны,  которые вылетают из вещества при внешнем фотоэффекте (Рисунок 1), называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком.

Рисунок 1 -  Внешний фотоэффект

    

Внешний фотоэффект можно наблюдать в газах, жидкостях и твердых телах. Практическое значение имеет внешний фотоэффект из твердых тел в вакуум.  

Вакуумный фотоэлемент - один из приборов, основанный на внешнем фотоэффект. Он состоит из стеклянного баллона, часть внутренней поверхности которого покрыта металлом. Баллон является катодом К. Металлическое кольцо А служит анодом (рис. 2).



Рисунок
2 – Вакуумный фотоэлемент

Электрическая цепь на Рисунке 2 разомкнута; ток в ней будет существовать, только если из катода будут вырваны (например, светом) электроны, которые затем достигнут анода. Сила фототока зависит от числа электронов, вылетающих из катода электронов или от их начальной скорости, а также от разности потенциалов между катодом и анодом. Зависимость силы фототока от анодного напряжения (при постоянной освещенности катода) называется вольтамперной характеристикой (ВАХ) фотоэлемента (Рисунок 3).

Рисунок 3 – Зависимость I от U

При напряжении U равном 0  некоторые из фотоэлектронов долетают до анода, поэтому I ≠ 0 при U = 0. С увеличением U анода достигают все большее число электронов, и сила фототока при этом постепенно возрастает. При некотором напряжении (называемым напряжением насыщении Uнас) все фотоэлектроны достигают анода, и при дальнейшем увеличение напряжения не приводит к увеличению силы тока. Полученное значение силы фототока называется током насыщения I нас. По значению силы тока насыщения можно говорить о количестве электронов n , испускаемых катодом за единицу времени:

I нас = en                                                 (1)             

В случае, когда анодное напряжение отрицательно, то оно будет существенно тормозить фотоэлектроны, и в следствии сила тока уменьшится. При некотором значении напряжения U = UЗ < 0 (запирающее напряжение) даже самые быстрые фотоэлектроны не в силах достигнуть анода. В этом случае ток прекращается и вся начальная кинетическая энергия электронов будет расходоваться на совершение работы против сил задерживающего электрического поля:

Ekmax = eUЗ                                            (2)

Таким образом, измерив задерживающее напряжение UЗ, можно определить максимальное значение скорости и кинетической энергии фотоэлектронов. Измеряя величину тока насыщения, можно судить о величине потока излучения, падающего на фотокатод.

Поменяв величину падающего на катод потока излучения при одном  и том же спектральном составе, вольтамперные характеристики будут иметь вид, приведенный на Рисунке 4.

Рисунок 4 – Вольтамперные характеристики одном и том же спектральном составе

При постоянной величине потока излучения менять его спектральный состав (частоту излучения), то вольтамперные характеристики будут меняться, как показано на Рисунке 5.

Рисунок 5  – Вольтамперные характеристики при изменении спектрального состава

Экспериментально установлены следующие закономерности фотоэффекта:
           1. При фиксированной частоте света сила фототока насыщения (и число фотоэлектронов вырываемых из катода за единицу времени) прямо пропорционально интенсивности света).

Iнас = kФ                                                   (3)

где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от природы материала катода. (n = k*Ф).

2. Величина запирающего напряжения (и максимальная скорость фотоэлектронов) определяется частотой света и не зависит от его интенсивности.
           3.   Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота излучения ν
0, при которой еще возможен внешний фотоэффект.

Значение ν0 зависит от материала фотокатода и состояния его поверхности.

Качественную сторону явления внешнего фотоэффекта можно объяснить с точки зрения волновой теории света. Под действием поля электромагнитной волны в металле возникают вынужденные колебания электронов в атоме.  От  этого электроны могут покидать металл и выходить  из него, т.е. может наблюдаться внешний фотоэффект. Но из теории вынужденных колебаний следует, что чем больше амплитуда вектора напряженности электрического поля Eo, тем выше скорость вылетевших электронов. Таким образом кинетическая энергия  фотоэлектронов  должна зависеть от интенсивности излучения, что противоречит опытным данным. По этой теории излучение любой частоты, но достаточно большой интенсивности должно вырывать электроны из металла, т.е. красной границы фотоэффекта не должно быть.

1.2 Квантовое истолкование законов фотоэффекта

Явление фотоэффекта и все его закономерности хорошо объясняются с помощью квантовой теории света, что подтверждает квантовую природу света.

Как уже было отмечено, Эйнштейн (1905 г.), развивая квантовую теорию Планка, выдвинул идею, согласно которой не только излучение и поглощение, но и распространение света происходит порциями (квантами), энергия и импульс которых:

                                                  (4)                                         

                                              (5)

где  – единичный вектор, направленный по волновому вектору. Применяя к явлению фотоэффекта в металлах закон сохранения энергии, Эйнштейн предложил следующую формулу:

                                          (6)  

где - работа выхода электрона из металла,  – скорость фотоэлектрона. Согласно Эйнштейну, каждый квант поглощается только одним электроном, причем часть энергии падающего фотона тратится на совершение работы выхода электрона металла, оставшаяся же часть сообщает электрону кинетическую энергию .

Как следует из (6), фотоэффект в металлах может возникнуть только при , в противном случае энергия фотона будет недостаточной для вырывания электрона из металла. Наименьшая частота света , под действием которого происходит фотоэффект, определяется, очевидно, из условия

                                (7)

откуда

                                            (8)

Частота света, определяемая условием (8), называется «красной границей» фотоэффекта. Слово «красная» не имеет никакого отношения к цвету света, при котором происходит фотоэффект. В зависимости от рода металлов «красная граница» фотоэффекта может соответствовать красному, желтому, фиолетовому, ультрафиолетовому свету и т. д.

С помощью формулы Эйнштейна можно объяснить и другие закономерности фотоэффекта.

Рисунок 6 - Линейная зависимость U0 от частоты падающего излучения

Положим, что , т. е. между анодом и катодом существует тормозящий потенциал. Если кинетическая энергия электронов достаточна, то они, преодолев тормозящее поле, создают фототок. В фототоке участвуют те электроны, для которых удовлетворяется условие . Величина задерживающего потенциала определяется из условия

                                           (9)

где  – максимальная скорость вырванных электронов. Рис. 6.

Подставив (9) в (6), получим

                                    (10)

откуда

                                       (11)

Таким образом, величина задерживающего потенциала не зависит от интенсивности, а зависит только от частоты падающего света.

Работу выхода электронов из металла и постоянную Планка можно определить, построив график зависимости  от частоты падающего света (рис. 6). Как видно,  и отрезок, отсекаемый от оси потенциала, дает .

Ввиду того, что интенсивность света прямо пропорциональна количеству фотонов, увеличение интенсивности падающего света приводит к увеличению числа вырванных электронов, т. е. к увеличению фототока.

Формула Эйнштейна для фотоэффекта в неметаллах имеет вид

                                       (12)                     

Наличие  – работы отрыва связанного электрона от атома внутри неметаллов – объясняется тем, что в отличие от металлов, где имеются свободные электроны, в неметаллах электроны находятся в связанном с атомами состоянии. Очевидно, при падении света на неметаллы часть световой энергии тратится на фотоэффект в атоме – на отрыв электрона от атома, а оставшаяся часть тратится на работу выхода электрона и сообщение электрону кинетической энергии.

Рисунок 7 – Двойной электрический слой

Электроны проводимости не покидают самопроизвольно металл в заметном количестве. Это объясняется тем, что металл представляет для них потенциальную яму. Покинуть металл удается только тем электронам, энергия которых оказывается достаточной для преодоления потенциального барьера, имеющегося на поверхности. Силы, обуславливающие этот барьер, имеют следующее происхождение. Случайное удаление электрона от наружного слоя положительных ионов решетки приводит к возникновению в том месте, которое покинул электрон, избыточного положительного заряда. Кулоновское взаимодействие с этим зарядом заставляет электрон, скорость которого не очень велика, вернуться обратно. Таким образом, отдельные электроны все время покидают поверхность металла, удаляются от нее на несколько межатомных расстояний и затем поворачивают обратно. В результате металл оказывается окруженным тонким облаком электронов. Это облако образует совместно с наружным слоем ионов двойной электрический слой (рис. 7; кружки – ионы, черные точки – электроны). Силы, действующие на электрон в таком слое, направлены внутрь металла. Работа, совершаемая против этих сил при переводе электрона из металла наружу, идет на увеличение потенциальной энергии электрона (рис. 7).

Рисунок 8 –Схема нахождения потенциальной энергии электрона

Таким образом, потенциальная энергия валентных электронов внутри металла меньше, чем вне металла, на величину, равную глубине потенциальной ямы  (рис. 8). Изменение энергии происходит на длине порядка нескольких межатомных расстояний, поэтому стенки ямы можно считать вертикальными.

Потенциальная энергия электрона  Рис. 8.

и потенциал  той точки, в которой находится электрон, имеют противоположные знаки. Отсюда следует, что потенциал внутри металла больше, чем потенциал в непосредственной близости к его поверхности, на величину .

Сообщение металлу избыточного положительного заряда увеличивает потенциал как на поверхности, так и внутри металла. Потенциальная энергия электрона соответственно уменьшается (рис. 9).

Рисунок 9 –Потенциальная энергия при разных зарядах

За начало отсчета приняты значения потенциала и потенциальной энергии на бесконечности. Сообщение отрицательного заряда понижает потенциал внутри и вне металла. Соответственно потенциальная энергия электрона возрастает (рис. 9).

Полная энергия электрона в металле слагается из потенциальной и кинетической энергий. При абсолютном нуле значения кинетической энергии электронов проводимости заключены в пределах от нуля до совпадающей с уровнем ферми энергии . На рис. 10 энергетические уровни зоны проводимости вписаны в потенциальную яму (пунктиром изображены незанятые при 0К уровни). Для удаления за пределы металла разным электронам нужно сообщить не одинаковую энергию. Так, электрону, находящемуся на самом нижнем уровне зоны проводимости, необходимо сообщить энергию ; для электрона, находящегося на уровне Ферми, достаточна энергия .

Наименьшая энергия, которую необходимо сообщить электрону для того, чтобы удалить его из твердого или жидкого тела в вакуум, называется работой выхода. Работа выхода электрона из металла определяется выражением

                                        (13)

Рисунок 10 – Схема расположений энергетических уровней

Мы получили это выражение в предположении, что температура металла равна 0К. При других температурах работу выхода также определяют как разность глубины потенциальной ямы и уровня Ферми, т. е. распространяют определение (13) на любые температуры. Это же определение применяется и для полупроводников.

Уровень Ферми зависит от температуры. Кроме того, из – за обусловленного тепловым расширением изменения средних расстояний между атомами слегка изменяется глубина потенциальной ямы . Это приводит к тому, что работа выхода немного зависит от температуры.

Работа выхода очень чувствительна к состоянию поверхности металла, в частности к ее чистоте. Подобрав надлежащим образом Рис. 10.

покрытие поверхности, можно сильно снизить работу выхода. Так, например, нанесение на поверхность вольфрама слоя окисла щелочноземельного металла (Ca, Sr, Ba) снижает работу выхода с 4,5 эВ (для чистого W) до 1,5 – 2 эВ.

2 МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛЕЧИН НА ОСНОВЕ ДАННОГО ФИЗИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА, ВКЛЮЧАЯ РИСУНКИ, ПОЯСНЯЮЩИЕ ПРОЦЕСС ИЗМЕРЕНИЯ

2.1. Приемники оптического излучения основанные на внешнем фотоэффекте

В настоящее время на основе внешнего фотоэффекта строится бесчисленное множество приемников излучения, преобразующих световой сигнал в электрический и объединенных общим названием – фотоэлементы. Они находят весьма широкое применение в технике и в научных исследованиях. Самые разные объективные оптические измерения немыслимы в наше время без применения того или иного типа фотоэлементов. Современная фотометрия, спектрометрия и спектрофотометрия в широчайшей области спектра, спектральный анализ вещества, объективное измерение весьма слабых световых потоков, наблюдаемых, например, при изучении спектров комбинационного рассеяния света, в астрофизике, биологии и т. д. трудно представить себе без применения фотоэлементов; регистрация инфракрасных спектров часто осуществляется специальными фотоэлементами для длинноволновой области спектра. Необычайно широко используются фотоэлементы в технике: контроль и управление производственными процессами, разнообразные системы связи от передачи изображения и телевидения до оптической связи на лазерах и космической техники представляют собой далеко не полный перечень разнообразнейших технических вопросов в современной промышленности и связи.

Электровакуумные фотоэлементы. Работа электровакуумного фотоэлемента (или вакуумного фотодиода) основывается на эффекте фотоэлектронной эмиссии (внешний фотоэффект), сущность которого состоит в испускании электронов твердыми телами под действием электромагнитного излучения в вакууме. Электровакуумный фотоэлемент представляет собой стеклянный баллон (рис. 11), во внутренней полости которого размещены фотокатод и анод. Причем обычно фотокатод нанесен на половину внутренней поверхности стеклянного баллона, а анод выполнен в виде кольца и расположен в центре баллона. Остаточное давление во внутренней полости баллона составляет 10~б мм рт.ст. В качестве материала фотокатода применяют цезий (металл, имеющий минимальную работу выхода электрода), активированный кислородом, или цезий в соединении с сурьмой.

1 — стеклянный корпус; 2 — фотокатод; 3 — анод; 4 —

стабилизированные источники питания;

Рисунок 11 Схема электровакуумного фотоэлемента

Баллон фотоэлемента выполнен либо целиком из стекла, прозрачного в спектральной области чувствительности фотокатода, либо, если фотоэлемент предназначен для работы в ультрафиолетовом диапазоне. Баллон снабжен окном из прозрачного в этой области спектра материала (увиолевое стекло, кварц или сапфир).

При работе вакуумные фотоэлементы включаются последовательно со стабилизированным источником питания и резистором нагрузки RH. Напряжение питания источника составляет 80-300 Вольт. Преобразуемое излучение поступает через проницаемую для него часть баллона фотоэлемента на фотокатод. Вылетающие из фотокатода под действием потока Ф оптического излучения фотоэлектроны за счет электрического поля собираются анодом, т. е. между фотокатодом и анодом протекает электронный ток, называемый фототоком. При этом на нагрузочном резисторе формируется падение напряжения 1/вык, пропорциональное силе фототока.

Статическая характеристика электровакуумного фотоэлемента, которую принято называть световой характеристикой, линейна в широком диапазоне значений потока излучения. Спектральная характеристика чувствительности электровакуумных фотоэлементов располагается в диапазоне (этот диапазон называют областью спектральной чувствительности) длин волн 0,16—1,20 мкм, а их чувствительность составляет 30—70 мкА/лм. Очень важным достоинством вакуумных фотоэлементов является их высокое постоянство и линейность связи светового потока с фототоком. Поэтому они длительное время преимущественно использовались в объективной фотометрии, спектрометрии, спектрофотометрии и спектральном анализе в видимой ультрафиолетовой областях спектра. Главным недостатком вакуумных фотоэлементов при световых измерениях следует считать малость электрических сигналов, вырабатываемых этими приемниками света. Последний недостаток полностью устраняется в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ).

Фотоэлектронные умножители. Фотоэлектронный умножитель представляет собой вакуумный фотоэлемент, снабженный дополнительным устройством, называемым вторично-электронным умножителем, способным самостоятельно усиливать электрический ток, который возникает при воздействии на фотокатод оптического излучения.

Фотоэлектронный умножитель (рис.12) обычно выполняется в виде цилиндрического стеклянного баллона, внутренняя полость которого вакуумирована и в ней расположены: фотокатод (в виде тонко-прозрачной пленки или отдельного электрода), фокусирующее электронно-оптическое устройство с диафрагмой, несколько (10—14) ковшеобразных электродов, называемых динодами или эмиттерами.

1 — стеклянный корпус; 2 — фотокатод; 3 — анод; 4 — стабилизированные источники питания; 5 — фокусирующее электронно-оптическое устройство; 6— диафрагма; 7— диноды; 8стабилизированный источник питания высокого напряжения; 9— электропроводящий трубчатый слой

Рисунок 12 - Фотоэлектронный умножитель (а)

Для формирования на названных элементах соответствующих электрических потенциалов используется стабилизированный источник питания напряжением 650—3500 В и делитель напряжения на резисторах.

В работе фотоэлектронного умножителя используют фотоэлектронную и вторичную электронную эмиссию.

При воздействии потока оптического излучения на фотокатод из него вылетают электроды, которые собираются со всей поверхности фотокатода фокусирующей электронно-оптической системой и через диафрагму, ускоряясь под действием электрического поля, направляются на первый динод. Эти электроны, называемые первичными, попадая на первый динод, взаимодействуют с электронами его вещества и возбуждают их до более высоких энергетических состояний. Часть этих электронов перемещается к границе динода с вакуумом. При этом электроны, достигающие поверхности с энергией, превышающей поверхностный потенциал барьера, переходят в вакуум (эффект вторичной электронной эмиссии). Они ускоряются электрическим полем и перемещаются ко второму диноду, а со второго динода на третий и т. д.

1 — стеклянный корпус; 2 — фотокатод; 3 — анод; 4 — стабилизированные источники питания; 5 — фокусирующее электронно-оптическое устройство; 6— диафрагма; 7— диноды; 8стабилизированный источник питания высокого напряжения; 9— электропроводящий трубчатый слой

Рисунок 13 - Фотоэлектронный умножитель (б)

Как видно из рис.13, диноды подключены к делителю напряжения так, что между ними создается электрическое поле, ускоряющее электроны. Разность потенциалов между соседними динодами составляет 100—150 В. При ударе электронов о каждой из динодов, в зависимости от материала динода и энергии электронов из динода, может выбиваться несколько вторичных электронов. Отношение числа вторичных электронов к числу первичных называют коэффициентом вторичной электронной эмиссии ст. Высоким коэффициентом вторичной электронной эмиссии ( = 3—4) обладают сурьмяно-цезиевые и кислородно-цезиевые диноды. Совокупность динодов, размещенных во внутренней полости баллона, и представляет собой вторично-электронный умножитель, который от динода к диноду за счет эффекта вторичной электронной эмиссии умножает число первичных электронов, вылетающих из фотокатода под действием потока излучения Ф.

Число электронов, собираемых на аноде, можно определить из выражения

                                                                                                                   (14)

где Nk — число первичных электронов; ук — коэффициент сборов первичных электронов (отношение числа фотоэлектронов, достигших первого динода, к общему эмиттированному фотокатодом числу электродов);  — коэффициент вторичной электронной эмиссии i-го динода;  у — коэффициент эффективности динодного каскада (отношение числа электронов, попавших на последующий динод, к числу электронов, вышедших из предыдущего динода); К — коэффициент усиления фотоэлектронного умножителя.

В современных фотоэлектронных умножителях коэффициент эффективности динодных каскадов составляет 0,70—0,95.  

Если принять, что 1 = 2 = ... , а ук = у1 = ...1, то коэффициент К= . Считая, что Na является количеством электронов, попадающих на анод в единицу времени, анодный ток фотоэлектронного умножителя можно описать выражением

                                                                                                          (15)

где I — ток эмиссии фотокатода.

Ток в анодной цепи фотоэлектронного умножителя измеряется но падению напряжения на нагрузочном резисторе Rн.

Для современных фотоэлектронных умножителей при значении , равном 4, и числе динодов, равном 12, коэффициент усиления составляет 10 в 7-ой. Такой коэффициент усиления достаточен для того, чтобы измерять в анодной цепи импульс напряжения, вызванный единичным электроном, вылетевшим из фотокатода.

Фотоэлектронные умножители являются достаточно громоздкими устройствами: цилиндр имеет диаметр 15—80 и длину 60—240 мм.

Большие возможности для их миниатюризации представляются при использовании так называемых канальных фотоэлектронных умножителей, в которых применяется динод с распределенным электрическим сопротивлением (рис. 13). Такой динод представляет собой электропроводящий слой, сформированный на внутренней поверхности изготовленного из специального стекла корпуса. Слой наносится путем термообработки в водороде и имеет сопротивление 10 в 7-ой—10 в 8-ой Ом. Слой непосредственно подключается к высоковольтному источнику питания. При подаче высоковольтного напряжения к концам этого трубчатого слоя (канала) по нему протекает электрический ток, создавая падение напряжения вдоль канала. Электрон, выметающий из фотокатода, под действием электрического поля направляется в канал, а вторичный электрон, выбитый при этом из внутренней стенки канала, под действием электрического поля ускоряется и, перемещаясь вдоль канала, ударяется о стенки этого канала и точке с более высоким потенциалом. Значение коэффициента усиления зависит от отношения длины канала к его диаметру, напряжения на концах канала, вторично-эмиссионных свойств электропроводящего слоя и может составлять 10 в 6-ой—10 в 7-ой при напряжении питания 2500 Вольт. Для увеличения коэффициента усиления канальных фотоэлектронных умножителей их иногда изготовляют в форме винтовой спирали (спиральтрон).

Спектральная характеристика чувствительности фотоэлектронных умножителей находится в диапазоне длин волн 0,16—1,20 мкм, а их чувствительность составляет 1—5000 А/лм. 

2.2 Измерение постоянной Планка на основе закона фотоэффекта

Постоянная Планка может быть определена из уравнения Эйнштейна при исследовании вольтамперных характеристик фотоэффекта. Указанный метод носит название метода Милликена и Лукирского-Прилежаева.  

Если записать уравнение Эйнштейна для двух различных частот возбуждающего света 1 ν и 2 ν , а затем почленно их вычесть, то при этом исключается работа  выхода P , и уравнение позволяет выразить h через кинетическую энергию фотоэлектронов и частоту возбуждающего света:

                  

                                                                                                                        (16)

Для измерения кинетической энергии фотоэлектронов часто используют метод задерживающего потенциала, состоящий в том, что фотоэлектроны заставляют проходить отрицательную разность потенциалов Vзад, способную скомпенсировать полностью их кинетическую энергию:

                                                                                                                          (17)

Электроны в металле движутся с различными скоростями. Поэтому даже при действии света строго одной частоты вылетающие из фотокатода электроны имеют непрерывный набор скоростей, и для определения Vзад следует учитывать их максимальную скорость. Подставляя (17) в (16), получаем основное уравнение, из которого определяется постоянная Планка:

                    

                                                                                                                              (18)                                                                                                                                           

                                                                                                                                                                              

Получение точных результатов, однако, сильно затрудняется тем, что кривая зависимости фототока J от величины тормозящего потенциала Vзад (рис. 14) не пересекает ось абсцисс, а асимптотически к ней приближается.

Поэтому величина Vзад оказывается в известной степени неопределенной. Наличие фототока в области отрицательного потенциала указывает на то, что фотоэлектроны действительно обладают кинетической энергией и распределены по скоростям.

Рис. 14. Вольтамперные характеристики фотоэффекта на цинке для разных частот

Наличие контактной разности потенциалов в исследуемом фотоэлементе, а также ряд других затруднений приводили к тому, что подтвердить уравнение Эйнштейна и получить точное значение h удалось не сразу.  Лишь Милликен после целого ряда опытов смог это сделать с помощью чрезвычайно усложненной схемы.

В методе Лукирского-Прилежаева вместо плоского катода и анода, которыми пользовались все экспериментаторы, был применен сферический анод с отверстием для светового луча. В качестве фотокатода использовался шарик из исследуемого материала в центре сферы. Применение такой конструкции значительно повысило точность измерений.

Во-первых, в таком фотоэлементе, благодаря особенностям движения электрона в центрально-симметричном поле, вольтамперные характеристики довольно круто спадают к оси абсцисс. Поэтому максимальный задерживающий потенциал может быть определен достаточно точно.

Во-вторых, и это главное, значительно упрощается и уточняется определение контактной разницы потенциала Vk , знание которой необходимо для вычисления работы выхода. Если бы Vk не было, то точно при нулевом значении Vзад достигался бы ток насыщения, так как все фотоэлектроны, выбиваемые светом из катода в сферическом фотоэлементе, достигнут анода. Дальнейшее увеличение потенциала при той же освещенности не приведет к росту фототока.

Реально контактная разность потенциалов между катодом и анодом из разных металлов существует всегда и, в зависимости от знака, ускоряет или задерживает фотоэлектроны независимо от приложенного внешнего потенциала. Именно поэтому на рис. 14 насыщение фототока наступает не при нулевом приложенном напряжении, а лишь при +1,6 В. Следовательно, в этом фотоэлементе существует Vk = -1,6 В. Только в случае компенсации этого потенциала внешним напряжением все электроны смогут достичь анода, и наступит ток насыщения.

С учетом Vk уравнение Эйнштейна в методе задерживающего потенциала должно быть записано следующим образом:

hν = p + e (Vзад +Vk) .                                         (19)

Очевидно, что при этом не изменится, так как eVk = const.

Тогда для определения h знания Vk не нужно. Подсчитав h и зная Vk и Vзад,  далее находим значение работы выхода P , а затем можно найти красную границу фотоэффекта. Таким образом, метод задерживающего потенциала позволяет определить все константы, входящие в уравнение Эйнштейна.             

3 ИСТОЧНИКИ ПОГРЕШНОСТЕЙ, ОГРАНИЧИВАЮЩИХ ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ НА ОСНОВЕ ДАННОГО ФИЗИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА

Погрешность измерения — оценка отклонения измеренного значения величины от её истинного значения. Погрешность измерения является характеристикой (мерой) точности измерения.

3.1 Источники погрешностей от приемников излучения

Приемники излучения характеризуются чувствительностью. Для электронно-оптических преобразователей (ЭОП), фотоэлектрических и телевизионных приемников чувствительность характеризуют отношением силы возникающего фототока и падающего светового потока; для фотослоя -зависимостью плотности почернения D от логарифма экспозиции, причем экспозиция определяется как    

   Н = Е t,                                    (20)

где E - освещенность, создаваемая элементом оптического изображения на участке светочувствительного слоя; t - время действия данной освещенности - время экспозиции.

Данная зависимость выражается световой характеристикой фотоматериала (график которой - характеристическая кривая, Рисунок 15).

                             D = f (lg H).                                (21)

Длины волны излучения характеризует чувствительность. Практически каждый приемник работает в определенной зоне длин волн. Порог чувствительности - наименьшая яркость или освещенность объекта, на которую реагирует приемник. Недостаточная чувствительность приемника создает неблагоприятные условия, при которых оптических сигнал регистрируется на нелинейном (начальном) участке световой характеристики в условиях снижения контраста. В данном случае резко снижается отношение сигнала к шуму (для фотоматериала - это шум фотографической зернистости). И то, и другое вызывает повышение погрешностей измерений.

Рисунок 15 - Световая характеристика (характеристическая кривая) фотоматериала

Фотоэлектрические приемники излучения могут обладать инерционностью, характеризуемой временем между облучением и появлением тока в цепи или между исчезновением объекта и его изображения. Чувствительность зависит от частоты модуляции при восприятии модулированных световых сигналов.

Приемники, которые создают изображение объекта (приемники изображения), характеризуются разрешающей способностью - наименьшим расстоянием между двумя точками, которые еще воспринимаются приемником как раздельные. У ЭОП разрешающая сила в центре поля зрения порядка 40 мм--1 (или лин/мм), у фотоматериалов - порядка 90 мм-1. Имеются специальные эмульсии с разрешающей способностью до 1000 и даже до 2000 мм-1, но здесь сравнительно низкая светочувствительность. Разрешающая способность глаза на расстоянии наилучшего видения - около 10 мм-1. Контраст изображения, которое дает приемник, ограничивает реальную разрешающую способность системы.

Чувствительность и разрешающая способность приемника определяют уровень соответствующих погрешностей измерений.

Главное достоинство приборных приемников изображения в том, что они позволяют управлять яркостью, контрастом и четкостью видимого изображения и могут работать в условиях, находящихся за пределами чувствительности глаза. Такие приемники необходимы и при автоматизации оптических измерений, в том числе - для ввода данных в компьютер.

Достоинства оптических измерений, основанных на визуальных наблюдениях:  простота,  надежность,  экономичность,  оперативность, высокая производительность.

3.2  Погрешности от нестабильности условий измерения

При измерении могут меняться температура, давление, влажность воздуха, вибрации прибора. Особенно сильно на точности измерений могут сказаться температурные колебания и вибрации прибора. Для устранения ошибок контактных измерений от изменения температуры ответственные части прибора изготавливаются из того же материала, что и измеряемые объекты, или с близкими коэффициентами линейного расширения. Ответственные узлы приборов или все помещение термостатируются. Измеряемые детали должны длительное время выдерживаться перед измерением в данном помещении для выравнивания температур. На крупных оптических предприятиях для контроля астрономической и другой крупногабаритной оптики создаются специальные помещения.

Вибрации могут привести к неустойчивости установки, увеличению погрешностей и даже к невозможности измерения. Для борьбы с ними применяются фундаменты, не связанные со зданием, амортизация опор, демпфирование колеблющихся частей измерительной установки. Устранение влияния вибраций, особенно при измерении параметров крупногабаритных оптических деталей и систем, гораздо экономичнее осуществлять методом видеозаписи с последующей покадровой расшифровкой. Этот метод показал высокую эффективность и экономичность. 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На явлении внешнего фотоэффекта основано действие  фотоэлектронных приборов, получивших разнообразное применение в различных областях науки и техники. В настоящее время практически невозможно указать отрасли производства, где бы  не использовались фотоэлементы  - приемники излучения, работающие на основе фотоэффекта и преобразующие энергию излучения в электрическую. Они применяются в автоматике, для подачи сигналов точного времени, в химическом производстве для проверки прозрачности жидкости, в телевидении и звуковом кино.   Фотоэффект  широко используется для регистрации и измерения световых потоков, для непосредственного преобразования и измерения света в энергию электрического тока, для преобразования световых сигналов в электрические сигналы.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

  1.  Савельев И.В. Курс общей физики: Учеб. пособие. В 3-х т. Т. 3. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. – 3-е изд. испр. – М.: Наука, Гл. ред. физ. – мат. лит., 1987. – 275 с.

2   Ландсберг Г.С. Оптика. Учеб. пособие. – 6-е изд., стереот.  – М.: Наука. Главная редакция физико – математической литературы, 2003. – 576 с.

3     Физические основы измерений [Текст]: лабораторный практикум / Л.А. Чеснокова, В.С. Айрапетян, В.В. Чесноков. – Новосибирск: СГГА, 2009. 

4 Илясов Л.В.Биомедицинская_измерительная_техника_2007_С4

5     Сивухин  Д.А. Общий курс физики. Т.5. Атомная и ядерная физика. М.: МФТИ, ФМЛ, 2002.

6   В.К.Кирилловский. Оптические измерения. Часть 1. Введение и общие вопросы. Точность оптических измерений. Учебное пособие. СПб. ГИТМО (ТУ). 2003.- 47с.

PAGE   \* MERGEFORMAT 32


EMBED Equation.3