Визначення інтегральної чутливості фотоелементу

Мета роботи: знайомство з фотоефектом та визначення інтегральної чутливості фотоелемента з запірним шаром.

Дія фотоелемента базується на так званому фотоелектричному ефекті – явищі, при якому світло, взаємодіючи з речовиною, може виривати з неї електрони. В залежності від долі цих електронів розрізняють три види фотоефекту. Якщо вирвані із речовини електрони покидають її поверхню, то це явище носить назву зовнішнього фотоефекту. Якщо ж фотоелектрони не покидають меж тіла, то в цьому випадку спостерігається так званий внутрішній фотоефект. В тому випадку, коли відірвані від атомів речовини електрони не покидають її поверхню, а лише переходять через межу розділу в інше тіло, то таке явище називається фотоефектом в запірному шарі.

Явище зовнішнього фотоефекту було відкрите Генріхом Герцем у 1887 році. Він помітив, що заряджена негативними зарядами цинкова пластина швидко втрачає свій заряд під дією ультрафіолетового проміння. Це показувало на те, що під дією ультрафіолетового проміння з цинкової пластини виривались електрони.

Zn

S

I

V

I G

Рисунок 63.1 Досліди Столєтова

Перші фундаментальні дослідження фотоефекту були виконані російським фізиком Олександром Столєтовим у 1888-1890 роках. Експериментальна установка Столєтова складалась із цинкової пластини (Zn), на яку крізь сітку (С) падало ультрафіолетове проміння від джерела S (рис. 63.1). Вільні електрони цинкової пластини під дією електромагнітних хвиль виривались з поверхні пластини й деяка їх кількість досягала сітки. Цинкова пластина і сітка з’єднувались між собою через гальванометр (G), який показував наявність струму в замкненому колі. Такий струм було названо фотострумом.

Сила фотоструму зростала, якщо між сіткою й пластиною створити електричне поле за допомогою джерела постійного струму. При цьому електричне поле не тільки напрямляло вивільнені електрони від пластини до сітки, але й

прискорювало їх. Експеримент показував, що залежність сили фотоструму від напруги між сіткою й пластиною не підпорядковується закону Ома. Для даної інтенсивності електромагнітних хвиль із збільшенням напруги сила

фотоструму зростала лише до певного значення

I н. Такий фотострум було

назване фотострумом насичення (рис. 63.2). Він свідчив про те, що всі вивільнені електрони досягають сітки.

I

I Н 1 1

I Н2 2

U Г 0 U

Рисунок. 63.2. Залежність фотоструму від напруги між пластиною і

сіткою

(1– ультрафіолетове випромінювання більшої інтенсивності; 2– меншої інтенсивності)

Із графіка залежності сили фотоструму від напруги можна побачити, що зменшувати силу фотоструму до нульового значення можна при умові, якщо між цинковою пластиною і сіткою прикласти зворотну напругу, тобто цинкову пластину з’єднати із плюсом джерела, а сітку – із мінусом джерела. При цьому електричне цьому поле вже не прискорює вивільнені електрони, а гальмує їх.

Дослідження Столєтова та інших вчених привели до встановлення таких

закономірностей фотоефекту:

1. Фотоефект починається тільки при цілком певній для даного металу мінімальній частоті електромагнітних хвиль, яку називають „ червоною межею ” фотоефекту.

2. Сила фотоструму насичення прямо пропорційна інтенсивності електромагнітних хвиль, що падають на металеву пластину.

3. Максимальна швидкість вивільнених електронів прямо пропорційна частоті електромагнітних хвиль й не залежить від їх інтенсивності.

Закономірності фотоефекту не узгоджуються з передбаченнями хвильової теорії про природу світла. Так, явище фотоефекту є без інерційним, тобто фотоефект починається одночасно з освітленням поверхні металу з точністю до однієї міліардної долі секунди, що не можна пояснити хвильовою природою світла.

Явище фотоефекту та його закономірності повністю пояснюються квантовою теорією світла. Згідно гіпотези німецького фізика Макса Планка електромагнітні хвилі випромінюється окремими порціями, які було названо

квантами. При цьому енергія кванта пропорційна частоті електромагнітних хвиль:

E = hn, (63.1)

де n – частота світла,

h =6,63×10-34

Дж × с

– стала Планка.

Розвиваючи гіпотезу Планка, Альберт Ейнштейн дав перше теоретичне пояснення закономірностям фотоефекту. Він висунув думку про те, що електромагнітні хвилі не тільки випромінюються, але й поширюються в просторі і поглинаються речовиною також окремими порціями, тобто квантами. При цьому під час випромінювання, поширення і поглинання кванти поводять себе як особливі елементарні частинки. Такі елементарні частинки отримали спеціальну назву – фотони. Отже, з точки зору квантової теорії, світло – це потік матеріальних частинок, тобто фотонів.

Ейнштейн у 1905 році пояснив закономірності фотоефекту на основі припущення про те, що енергія фотона поглинається тільки одним із вільних електронів металевої пластини, яка освітлюється. При цьому цієї енергії повинно вистачити на виривання електрона з поверхні пластини, тобто на виконання роботи виходу, й на надання електрону кінетичної енергії. Застосовуючи закон збереження енергії до взаємодії фотона з електроном, Ейнштейн одержав рівняння фотоефекту, яке носить його ім’я:

m v2

hn = A + max, (63.2)

де А – робота виходу електрона з металу,

m v

max

– максимальне значення

кінетичної енергії електрона. Робота виходу – це найменша енергія, яку

необхідно надати електрону, щоб вивільнити його з поверхні металу у вакуум.

С

Дата добавления: 2014-10-15