Лабораторная работа № 5. Изучение основных законов фотоэффекта

Цель работы: изучить устройство фотоэлемента, снять его вольтамперную характеристику, построить световую характеристику фотоэлемента.

Приборы и принадлежности:

• 1. оптическая скамья
• 2. фотоэлемент
• 3. микроамперметр
• 4. вольтметр
• 5. цифровой комбинированный прибор Щ-4300
• 6. лампа накаливания
• 7. ЛАТР
• 8. выпрямитель ВУП-2

Теоретическое введение

Фотоэлектрическим эффектом или фотоэффектом называется освобождение (полное или частичное) электронов от связей с атомами или молекулами вещества при воздействии светового излучения.

При облучении вещества светом может проявляться внутренний или внешний фотоэффект.

Внутренний фотоэффект — переход электронов в зону проводимости (свободные электроны) при ионизации атомов или ионов диэлектрических и полупроводниковых материалов в результате поглощения электромагнитного излучения оптического диапазона. В полупроводниках и диэлектриках в результате внутреннего фотоэффекта концентрация «свободных» электронов увеличивается, что приводит к изменению электропроводности среды (фотопроводимости), её диэлектрической проницаемости (фотодиэлектрический эффект) или возникновению электродвижущей силы. Разновидность внутреннего фотоэффекта — вентильный фотоэффект. Он заключается в появлении ЭДС при освещении контакта двух разных полупроводников или металла и полупроводника.

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов твёрдыми телами или жидкостями при поглощении электромагнитного излучения. При этом испускаемые веществом электроны, называются фотоэлектронами.

Фотоэффект был обнаружен Г. Герцем (1887 г.), который установил, что при освещении отрицательного электрода искрового разрядника ультрафиолетовыми лучами разряд происходит при меньшем напряжении между электродами, чем в отсутствие такого облучения.

А.Г. Столетов (1889 г.) провел исследование фотоэффекта и на основе полученных результатов сделал следующие выводы:

• 1. Фотоэффект наблюдается под действием ультрафиолетового излучения.
• 2. Сила тока возрастает с увеличением освещенности пластины.
• 3. Испускаемые пластиной под действием света частицы имеют отрицательный заряд.
• 4. Эффективность фотоэффекта зависит от химической природы и состояния поверхности металлической пластины.

Ф. Ленард и Дж. Томсон, измерив, заряд частиц, испускаемых под действием света, установили, что это — электроны.

Схема установки для исследования фотоэффекта, усовершенствованная П. И. Лукирским и С. С. Прилежаевым приведена на рисунке 1.

Рис. 1. Схема экспери-ментальной установки для исследования фотоэффекта В вакуумный стеклянный баллон помещался катод К, покрытый исследуемым металлом. На него через специальное кварцевое окно подавался монохроматический свет. Анод А из меди располагался в противоположном конце баллона. Данное устройство было названо фотоэлементом. Напряжение между анодом и катодом регулировалось специальным потенциометром, который подключался к двум разным по напряжению батареям, соединенным встречно. Ток анода измерялся посредством миллиамперметром. На рисунке 2 приведены вольт — амперные характеристики фотоэлемента — зависимости силы фототока I от напряжения U, соответствующие двум различным значениям интенсивностям светового потока. Частота света в обоих случаях одинакова.

Существование фототока в области отрицательных напряжений на аноде от 0 до (- U_з) объясняется тем, что электроны, выбитые светом из катода, обладают отличной от нуля начальной кинетической энергией. Теряя начальную энергию, при совершении работы против сил электрического поля, электроны достигают анода. Однако при определенном отрицательном напряжении U_з, кинетическая энергия электронов у анода будет равна нулю и ток прекратится. Отсюда очевидно, что максимальная начальная скорость х_max фотоэлектронов связана с запирающим напряжением U_з соотношением.

. (1).

Кривые показывают, что при достаточно больших положительных напряжениях U₁, U₂ на аноде фототок достигает насыщения, так как все электроны, вырванные светом из катода, достигают анода. Ток насыщения I_н прямо пропорционален интенсивности падающего света, но величина U_з не зависит от интенсивности падающего светового потока. Экспериментально установлено, что запирающий потенциал линейно возрастает с увеличением частоты н света.

Таким образом, были установлены следующие основные законы фотоэффекта:

• 1. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты света н и не зависит от его интенсивности.
• 2. Для каждого вещества существует так называемая красная граница фотоэффекта, т. е. наименьшая частота н_min , при которой еще возможен внешний фотоэффект.
• 3. Число фотоэлектронов, вырываемых светом из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности света.
• 4. Фотоэффект практически безынерционный, фототок возникает мгновенно после начала освещения катода при условии, что частота света н > н_min.

Установленные закономерности фотоэффекта не могли быть объяснены с точки зрения волновой теории. Согласно волновым представлениям, электрон при взаимодействии с электромагнитной световой волной должен был бы постепенно накапливать энергию, и потребовалось бы значительное время, зависящее от интенсивности света, чтобы электрон вылетел из катода. Однако экспериментально установлено, что фотоэлектроны появляются сразу после освещения катода. Также волновая теория света не объясняла независимость энергии фотоэлектронов от интенсивности светового потока и существование красной границы фотоэффекта.

Объяснение закономерностей фотоэффекта было дано Эйнштейном на основе теории М. Планка о том, что свет излучается определенными порциями, причем энергия каждой такой порции определяется формулой е_о = hн, где h — постоянная Планка. Как следствие, Эйнштейн добавил, что свет поглощается тоже порциями. Электромагнитная волна состоит из отдельных порций-квантов, названных фотонами. Для удобства энергию фотона (кванта) обозначают е = hн, где h = 4,136· 10-¹⁵ эВ· с.

При взаимодействии с веществом фотон целиком передает всю свою энергию hн одному электрону. Часть этой энергии электрон может рассеять при столкновениях с атомами вещества. Кроме того, часть энергии электрона затрачивается на преодоление потенциального барьера на границе металл-вакуум. Для этого электрон должен совершить работу выхода A, зависящую от свойств материала катода. Наибольшая кинетическая энергия, которую может иметь вылетевший из катода фотоэлектрон, определяется законом сохранения энергии:

. (2).

Эту формулу принято называть уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

При облучении металла светом с частотой соответствующей красной границе фотоэффекта, (то есть светом с наименьшей частотой н_min), при которой еще возможен внешний фотоэффект, кинетическая энергия выбитых на поверхность металла фотоэлектронов равна 0. Отсюда работа выхода A определяется:

(3).

где c — скорость света, л_кр — длина волны, соответствующая красной границе фотоэффекта. У металлов работа выхода A составляет несколько электрон-вольт (1 эВ = 1,602· 10-¹⁹ Дж). Наименьшей работой выхода обладают щелочные металлы. Например, у натрия A = 1,9 эВ, что соответствует красной границе фотоэффекта л_кр? 680 нм. Поэтому соединения щелочных металлов используют для создания катодов в фотоэлементах.

Описание установки и порядок выполнения работы

Схема лабораторной установки для исследования фотоэффекта представлена на рисунке 3.

Рис. 3. Структурная схема установки для исследования работы фотоэлемента.

Задание1. Снятие вольтамперной характеристике фотоэлемента.

• 1. С помощью ЛАТРа установить напряжение на лампе 100 В (напряжение может быть задано преподавателем), контролируя его на приборе Щ4−300.
• 2. Установить фотоэлемент на оптической скамье на расстоянии l =15 см от лампы. Расстояние определяется по рискам нанесенным на оптической скамье.
• 3. Изменяя напряжение на фотоэлементе регулятором выпрямителя ВУП-2 с шагом? U = 5 В (от 5 до 70 В), измерить соответствующие значения тока анода I_а микроамперметром. Результаты измерений занести в таблицу 1.
• 4. Передвинуть фотоэлемент на расстояние 25 см от лампы и повторить п. 3. Результаты измерений занести в таблицу 1.
• 5. По полученным данным построить вольтамперные характеристики I = f (U) на одном листе миллиметровой бумаги.

Таблица 1.

Задание 2. Снятие световой характеристики

Световой характеристикой фотоэлемента называется зависимость фототока от величины светового потока, падающего на элемент при постоянном напряжении на аноде.

• 1. Установить фотоэлемент на расстоянии 15 см от лампы
• 2. Установить напряжение на лампе U = 100 В, напряжение на фотоэлементе = 75 В.
• 3. Изменяя расстояние (l) между лампой и фотоэлементом, снять зависимость фототока I_а от величины светового потока. Значения записать в таблицу 2.
• 4. По полученным данным построить график зависимости I = f (l) на листе миллиметровой бумаги.
• 5. Установить фотоэлемент на расстоянии 15 см от лампы. Изменяя напряжение на лампе от 100 до 0 через каждые 10 В измерить значения фототока и данные записать в таблицу 3.
• 6. По полученным данным построить график зависимости I_ф = f (U) на листе миллиметровой бумаги.

Таблица 2.

Таблица 3.

Контрольные вопросы

• 1. Что называется фотоэффектом?
• 2. Дайте определения внутреннего и внешнего фотоэффекта.
• 3. Запишите законы внешнего фотоэффекта и объясните их.
• 4. Запишите уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.
• 5. Что такое задерживающий потенциал?
• 6. Какие типы фотоэлементов Вы знаете?
• 7. Объяснить явление насыщения фототока.
• 8. Почему не наблюдается прямолинейная зависимость фототока от светового потока в газонаполненных фотоэлементах?