Изучение законов фотоэффекта

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

В настоящее время в науке и технике широкое применение нашли фотоэлементы. Фотоэлементами называются приборы, служащие для превращения световой энергии в энергию электрического тока. Принцип действия этих приборов основан на использовании фотоэффекта. Кванты света при взаимодействии с некоторыми веществами могут вырвать из атомов этих веществ электроны, которые окажутся свободными. Эти электроны получили название фотоэлектронов. Само явление вырывания электронов из вещества под действием падающего света называется фотоэлектрическим эффектом.

Фотоэффект устанавливает непосредственную связь между электрическими и оптическими явлениями. Различают три вида фотоэффекта: внешний, внутренний и фотоэффект в запирающем слое.

Внешний фотоэффект заключается в испускании поверх­ностью металла электронов во внешнее пространство (вакуум или газ) под действием падающего на эту поверхность потока световой энергии.

Внутренним фотоэффектом называется изменение электрической проводимости тел, как правило полупроводников, вследствие увеличения электронов проводимости при облучении их поверхности световым потоком.

Фотоэффектом в запирающем слое называется возникновение тока на границе между полупроводником и металлом, когда фотоэлектроны покидают пределы тела, переходя через поверхность раздела в другое твердое тело (полупроводник) или жидкость (электролит) под действием потока световой энергии без участия посторонней электродвижущей силы.

Трем видам фотоэффекта соответствуют три основные группы фотоэлементов: фотоэлементы с внешним фотоэффектом, которые делятся, в свою очередь, на вакуумные и газонаполненные; фотоэлементы с внутренним фотоэффектом (фотосопротивления); фотоэлементы с запирающим слоем, или вентильные фотоэлементы (фотодиоды, фототранзисторы).

Многочисленные исследования испускания электронов поверхностью металлов (фотокатодом) под действием падающего на неё потока световой энергии привели к выводу следующих основных законов внешнего фотоэффекта.

1. Сила фотоэлектрического тока насыщения, а следовательно, и количество фотоэлектронов, вылетающих в единицу времени с единицы поверхности фотокатода, при освещении монохроматическим светом пропорциональна величине интенсивности падающего излучения, если при изменении интенсивности спектральный состав остается неизменным (закон Столетова), т.е.

i = kФ, (1)

где k - коэффициент пропорциональности, характеризующий чувствительность данной поверхности к свету.

2. Максимальная энергия фотоэлектронов и их скорость не зависят от интенсивности падающего на фотокатод излучения и являются функцией частоты падающего излучения (закон Эйнштейна).

3. Число фотоэлектронов, вылетающих в единицу времени с единицы поверхности, при постоянной интенсивности излучения увеличивается с ростом частоты падающего излучения.

Перечисленные законы внешнего фотоэффекта не объясняются классической электродинамикой. Фотоэффект принадлежит к числу явлений, в которых обнаруживаются корпускулярные свойства света, поэтому количественное объяснение закономерностей фотоэффекта в современной физике можно дать только на основе квантовых представлений о свете.

Согласно квантовой теории света, все тела излучают и поглощают световую энергию не непрерывно, а отдельными порциями - квантами света (фотонами). Каждому фотону может быть приписана определенная частота. Энергия фотона пропорциональна частоте колебаний и равна

E = hv, (2)

где h - постоянная Планка; v - частота. Энергия светового кванта, упавшего на поверхность вещества, в результате столкновения с электронами поглощается и приводит к "выбиванию" электронов из фотокатода.

Основное уравнение фотоэффекта представляет собой закон сохранения энергии и устанавливает связь между энергией кванта, вызывающего фотоэффект, работой выхода электронов из металлов и максимальной энергией вылетающего электрона. Уравнение имеет вид:

, (3)

где m_е - масса электрона; V - максимальная скорость электрона при выходе из поверхности металла; - эффективная работа выхода. Это выражение называется уравнением Эйнштейна. Следует обратить внимание на то, что даже при монохроматическом освещении энергия фотоэлектронов, вылетающих из фотокатода, оказывается неодинаковой. Фотоэлектроны проходят внутри фотокатода некоторый, и притом различный для разных электронов, слой вещества и замедляют своё движение, поэтому их энергия уменьшается. Соотношение (3) определяет кинетическую энергию не всех, а только наиболее быстрых фотоэлектронов.

Закон Эйнштейна непосредственно приводит к представлению о красной границе (пороге) фотоэффекта. Из уравнения (3) следует, что если работа выхода фотоэлектрона меньше энергии фотона, то величины hv - > 0 и mV²/2 > 0, т.е. V > 0.

Для каждого металла должна существовать некоторая минимальная частота света, при которой ещё возможен вылет электронов. Эта минимальная частота v ₀ определяется из равенства:

hv ₀= , V = 0. (4)

Для частоты v = v ₀ энергия фотона такова, что может быть совершена только работа выхода, и вылетевший электрон покидает поверхность катода со скоростью, равной нулю.

Для кванта энергии с частотой v < v ₀ (т.е. при hv < ) электроны проводимости не могут выйти из катода за счет энергии поглощенного кванта, так как энергия эта недостаточна для преодоления работы выхода, и фотоэффект не наблюдается. Частота, определяемая из выражения (4), дает ту минимальную частоту, при которой возможен фотоэффект, т.е. определяет порог фотоэффекта и называется предельной частотой (или граничной) фотоэффекта. Длина волны l ₀, соответствующая предельной частоте v ₀ и определяемая по формуле

l ₀ = hc/j, (5)

называется красной границей фотоэффекта. Величина l ₀ зависит от природы вещества, состояния поверхности катода и особенно от наличия плёнок адсорбированного газа. Для большинства веществ l ₀ лежит в ультрафиолетовой области спектра. Но у некоторых металлов с малой работой выхода (особенно у щелочных - K, Na, Rb, Cs) наблюдается фотоэффект при видимом свете и красная граница лежит в видимой области спектра.

Наряду с описанным выше фотоэлементом применяются ещё фотосопротивления, действие которых основано на способности некоторых полупроводников, например селена, изменять свою электропроводность под действием света (внутренний фотоэффект). Сущность процесса заключается в том, что поглощенная энергия увеличивает энергию электрона, в результате чего электрон, не вылетая за пределы полупроводника, переходит в зону проводимости и становится носителем тока. Механизм внутреннего фотоэффекта объясняется зонной теорией. Чувствительность фотосопротивления во много раз выше, чем у вакуумных фотоэлементов.

В фотоэлементах с запирающим слоем световая энергия непосредственно переходит в электрическую (фотогальванический эффект), поэтому они могут служить источниками э.д.с. (солнечные батареи).

Электроны, вылетевшие из катода фотоэлемента под действием света, обладают определенной энергией и, достигая анода, создают в замкнутой цепи, составленной из фотоэлемента и гальванометра, ток. Если между катодом и анодом создать электрическое поле, приложив разность потенциалов, то можно затормозить электроны. Методом задерживающего потенциала пользуются обычно при измерении энергии фотоэлектронов при внешнем фотоэффекте. Те электроны, кинетическая энергия которых удовлетворяет условию mV²/2 < eU, не могут достичь анода. Поэтому при увеличении U анодный ток падает, и при некотором значении разности потенциалов U = U_з (потенциал запирания) даже самые быстрые фотоэлектроны не могут достичь анода и анодный ток в цепи прекращается.

Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов связана с задерживающим потенциалом соотношением

. (6)

Экспериментально изучается зависимость электронного тока в фотоэлементе от величины приложенного задерживающего потенциала U. Эта зависимость выражается плавной кривой. Практический интерес представляет точка пересечения кривой i(u) с осью u, определяющая потенциал запирания (рис. 1). Подстановка (6) в (3) даёт hv = + eU_з или U_з = hv/e - /e. При экспериментальной проверке уравнения Эйнштейна можно убедиться в том, что величина задерживающего потенциала зависит только от частоты света (рис. 2).

Если исследовать зависимость задерживающего потенциала от частоты света, можно определить постоянную Планка и работу выхода электронов по формулам:

, (7)

, (8)

где U₃₁ и U₃₂ ^' - задерживающие потенциалы для частот v ₁ и v ₂. Точка пересечения прямой с осью абсцисс дает численное значение граничной частоты v ₀.

Рис. 1. Вольт-амперная характеристика вакуумного фотоэлемента

Рис. 2. Зависимость задерживающего потенциала от частоты

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Изучение внешнего фотоэффекта

Упражнение 1. Собрать установку согласно схеме на рис. 3. Снять вольт-амперную характеристику (ВАХ) фотоэлемента с различной освещенностью (меняя диафрагмы) и ВАХ для трех различных светофильтров (по указанию преподавателя). (Опытная проверка законов Столетова)

Упражнение 2. Используя набор светофильтров с различной спектральной характеристикой, определить спектральную чувствительность фотоэлемента ФЭУ-1.

Из графика зависимости тока от границы пропускания светофильтра определить красную границу фотоэффекта и вычислить работу выхода из материала фотоэлемента (в эВ).

Рис. 3. Схема установки для изучения внешнего фотоэффекта:

Ос - осветитель; Д - диафрагма; К - конденсор; СФ - светофильтр; ФЭ - фотоэлемент; mА - микроамперметр; ИП - регулируемый источник питания.

2.2. Изучение внутреннего фотоэффекта.

Упражнение 3. Собрать установку согласно схеме на рис. 4. Определить спектральную чувствительность фотоэлемента УФ-101, работающего по принципу внутреннего фотоэффекта.

Из графика зависимости тока от границы пропускания светофильтров определить красную границу фотоэффекта и ширину запрещенной зоны для материала фотоэлемента.

Таблица

Тип С/Ф

ЖС- -10

ЖС- -11

ЖС- -12

ЖС- -16

ЖС- -17

ЖС- -18

ОС- -11

ОС- -12

ОС- -13

ОС- -14

КС- -10

КС- -11

КС- -13

КС- -14

КС- -15

lгр nм

Рис. 4. Схема установки для изучения внутреннего фотоэффекта.

Ос - осветитель; К - конденсор; СФ - светофильтр; ФЭ - фотоэлемент.

ВНИМАНИЕ!

Светофильтры во время работы брать только за торцы!!

Протирать чрезвычайно осторожно и только фланелью!!

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1. Сформулируйте закон Столетова.

2. Какова физическая сущность внешнего фотоэффекта?

3. Дайте физическое объяснение работы выхода.

4.Каково устройство фотоэлемента, солнечной батареи, фотосопротивления?

5. Перечислите основные процессы, происходящие при взаимодействии излучения с металлом, диэлектриком и полупроводником.

6. Что означает «красная граница» фотоэффекта?

7. В чем состоит явление фотопроводимости?

8. Каков принцип работы фотоэлемента с запирающим слоем?

9. Каков физический смысл константы в и на графике зависимости U_з() рис. 2?

Дата добавления: 2014-10-23