Электронов из материала фотокатода

И ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАБОТЫ ВЫХОДА

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 124

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА

Печать офсетная Типография МГУДТ, 113806

Формат 60 х 88 1/16 МГУДТ, 113806

Лицензия ЛР №021296 от 18.06.1998

Вопросы к защите работы.

Вопросы для допуска к работе.

1.Какой свет называется поляризованным?

2.Для чего нужны поляризатор и анализатор?

3.Что такое угол Брюстера?

4.Сформулируйте закон Малюса.

1.Что представляет собой явление поляризации света?

2.В чем заключается явление двойного лучепреломления?

3.Чем отличаются свойства обыкновенного и необыкновенного лучей?

4.В чем заключается закон Брюстера и что с его помощью можно определить? Выведите Закон Брюстера.

5.В чем особенности лазерного излучения? Объяснить принцип работы лазера.

6.Объяснить принцип работы лазера.

7.Какие причины могут вызвать полученную вами ошибку?

Литература

1.Методические указания к лабораторным работам по разделу “Оптика”. М.: МГАЛП, 1994

2.Методические указания к лабораторным работам по разделу “Оптика” “Лазерный оптический практикум”. М.: МГАЛП, 1993

3.И.В.Савельев. “Курс общей физики” т.2. “Наука” М. 1982 г.

4.Д.В.Сивухин. “Общий курс физики. Оптика”.1980 г

Методические указания к лабораторной работе №123 по разделу физики “Оптика”. “Проверка закона Малюса. Определение показателя преломления вещества с использованием закона Брюстера. ”.

Автор: к.ф-м.н. Родэ Сергей Витальевич

Подписано к печати............... № заказа............

Бумага....................... ул. Садовническая, 33

Объем в усл. печ. л................. ул. Садовническая, 33

Тираж..............экз.

И ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАБОТЫ ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНОВ

ИЗ МАТЕРИАЛА ФОТОКАТОДА”.

Москва - 2000

Печатается по постановлению Редакционно-издательского Совета МГУДТ.

Работа рассмотрена на заседании кафедры физики и рекомендована к печати.

Заведующий кафедрой доц. Шапкарин И.П.

Автор: к.ф-м.н. Родэ С.В.

.

Методические указания к лабораторным работам по разделу "Оптика" “Изучение законов внешнего фотоэффекта и определение работы выхода электронов из материала фотокатода”.

г. Москва

Типография МГУДТ. 2000 г.

Методические указания содержат теоретическое введение и описание практической части к лабораторной работе, связанной с изучением принципов работы квантовых генераторов и свойств их излучения.

@ МГУДТ 2000

Цель работы: изучить зависимость фототока насыщения от интенсивности падающего на фотокатод светового потока и определить “красную границу” фотоэффекта.

Приборы и принадлежности: гелий-неоновый лазер, поляризатор-анализатор, фотоэлемент, блок питания фотоэлемента.

1. Теоретическое введение

Лазер, или оптический квантовый генератор (ОКГ),- источник оптического мощного, монохроматического, когерентного, остро направленного излучения.

Пионерские работы по созданию квантовых генераторов излучения радио и оптического диапазонов электромагнитных волн были в 1964г. удостоены Нобелевской премии (Н.Г.Басов и А.М.Прохоров от СССР и Ч.Таунс от США).

За прошедшее с тех пор время лазеры из лабораторных установок превратились в систему приборов, широко используемых в самых разнообразных технологических системах (от систем связи до систем обработки металлов).

ОКГ содержит два принципиально важных элемента: активную среду, являющуюся источником световой энергии, и оптический резонатор, внутри которого находится активная среда (рис.1).

Активная среда может быть твердой, жидкой или газообразной, но обязательно обладающей свойством усиливать свет на одной или нескольких частотах.

Все свойства лазерного излучения зависят исключительно от совокупности действия активной среды и резонатора. Выбор активной среды определяет длину волны генерации, предельную мощность и КПД. Выбор резонатора определяет пространственную и спектральную структуру излучения, реальную мощность и КПД.

В основе описания любой квантовой системы лежит идея Н.Бора о том, что электрон в атоме может обладать некоторым набором дискретных значений энергий - энергетических уровней.

В связи с этим атом может поглощать или излучать электромагнитные волны, которые обладают энергией, соответствующей разности энергий электрона на "разрешенных" для него уровнях.

Рис.1

1 - активная среда, 2 - оптический резонатор.

Представим себе, что электрон в атоме может переходить с уровня с энергией Е₁ на уровень Е₂ (пусть Е₂ > Е₁) и обратно.

Очевидно, что переходы с нижнего уровня на верхний не могут происходить самопроизвольно (спонтанно). Они могут быть осуществлены благодаря некоторому внешнему воздействию (например, внешнему излучению). Такой переход Е₁ ® Е₂ является индуцированным переходом. При этом происходит поглощение энергии внешнего излучения. Переход же с верхнего уровня на нижний может осуществляться как самопроизвольно (спонтанно), так и под действием внешнего излучения (индуцированный переход). При таком переходе происходит излучение энергии атомами активной среды. Поскольку механизм перехода с уровня Е₂ на уровень Е₁ может быть разным, то и излучение носит название, соответствующее механизму перехода, - СПОНТАННОЕ и ИНДУЦИРОВАННОЕ. Эти представления ввел в 1918 г. А.Эйнштейн.

Вероятность спонтанного перехода зависит только от свойств данного атома и не зависит от интенсивности падающего внешнего излучения. Индуцированные же переходы связаны как со свойствами атома, так и с интенсивностью внешнего вынуждающего излучения.

Исходя из термодинамических представлений, Эйнштейн доказал, что вероятность индуцированных переходов, сопровождающихся поглощением излучения, должна быть равна вероятности индуцированных переходов, сопровождающихся излучением. Другими словами, индуцированные переходы как в одном, так и в другом направлении осуществляются с равной вероятностью.

Индуцированное излучение обладает весьма важными свойствами. Направление его распространения в точности совпадает с направлением распространения вынуждающего излучения. Кроме того, в точности совпадают значения частот и фаз, а также плоскости поляризации индуцированного и вынуждающего излучения. Следовательно, вынуждающее и индуцированное излучения оказываются строго когерентными.

Эта особенность лежит в основе работы лазеров.

Таким образом, прохождение вынуждающего излучения через данную активную среду приводит к двум процессам: 1) ослаблению вынуждающего излучения за счет переходов Е₁ ® Е₂ и 2) усилению вынуждающего излучения за счет переходов Е₂ ® Е₁.

Для работы лазера необходимо преобладание второго процесса.

Чтобы выяснить, при каких условиях это осуществимо, рассмотрим механизм прохождения излучения через слой среды толщиной х.

Известно, что интенсивность света, проходящего через слой среды толщиной х, изменяется по закону

, (1)

где I - интенсивность излучения, падающего на среду, k – модуль коэффициента, который определяет характер взаимодействия излучения со средой. При k < 0 интенсивность уменьшается (происходит поглощение света веществом), при k > 0 - интенсивность увеличивается.

Из (1) следует, что

; (2)

т.е. относительное изменение интенсивности излучения пропорционально толщине слоя dх.

С другой стороны, относительное изменение интенсивности излучения за счет переходов Е₂ ® Е₁ пропорционально энергии этого перехода Е₂ -E₁, числу атомов N₂, находящихся в состоянии Е₂ и времени dt прохождения вынуждающего излучения через слой dх.

Тогда

, (3)

где В₂₁ - коэффициент Эйнштейна (вероятность перехода Е₂ ® Е₁),

dt =(n/c) dx, (4)

где n - показатель преломления среды на участке dх, с - скорость света в вакууме.

Таким образом,

(5)

Сравнивая (5) и (3) получаем выражение для коэффициента k:

(6)

По аналогии

(7)

Учитывая, что вероятности индуцированных переходов Е₂ ® Е₁ и

Е₁ ® Е₂ равны, т.е. В₂₁ = В₁₂ получаем:

. (8)

Из (8) совершенно очевидно, что условие усиления (k > 0) или ослабления (k < 0) интенсивности излучения зависит от знака разности N₂ –N₁.

В термодинамически равновесных системах распределение атомов по различным энергетическим состояниям определяется законом Больцмана:

, (9)

где Е_i - энергия данного состояния атома, Т - абсолютная температура, k - постоянная Больцмана, N_i - число атомов в данном энергетическом состоянии, N₀ - число атомов в основном состоянии.

Из этого уравнения следует, что заселенность уровней с меньшей энергией больше, чем уровней с большей энергией.

Значит в термодинамически равновесных системах N₂ < N₂ и k <0, т.е. интенсивность падающего излучения уменьшается.

Для осуществления усиления интенсивности (k >0) необходимо создать условия, при которых заселенность верхнего из пары уровней всегда превышала бы заселенность нижнего уровня (N₂ > N₁). Такая заселенность называется ИНВЕРСНОЙ ЗАСЕЛЕННОСТЬЮ. Системы, в которых осуществляется инверсная заселенность, являются термодинамически неравновесными.

Рассмотрим, каким образом создается инверсная заселенность на примере газового лазера, активной средой в котором служит смесь газов Не и Nе. В такой смеси газов зажигается электрический тлеющий разряд, в плазме которого и происходят основные процессы, обуславливающие работу лазера.

Напомним, что плазмой называют газ в сильно ионизированном состоянии при условии, что суммарный заряд электронов и ионов в каждом элементарном объеме равен (или почти равен) нулю. Плазма представляет собой особое (четвертое, наряду с твердым, жидким и газообразным) состояние вещества. Плазма, возникающая вследствие высокой температуры вещества, называется высокотемпературной или изотермической. Плазма, возникающая в тлеющем разряде, называется низкотемпературной или газоразрядной.

Электроны в газоразрядной плазме участвуют в двух движениях: 1) - хаотическом тепловом движении со средней скоростью и 2) - упорядоченном движении в направлении, противоположном направлению вектора напряженности электрического поля со средней скоростью < u >, гораздо меньшей, чем <v>. Под действием электрического поля кинетическая энергия электронов постепенно возрастает и достигает, в конце концов, значения, достаточного для того, чтобы возбудить или ионизировать молекулу. С этого момента часть столкновений электронов с молекулами перестает носить упругий характер и сопровождается большой потерей энергии электронами.

Обозначим е^* - те электроны, которые способны возбудить молекулы, а Nе^* и Не^* молекулы соответствующих газов в возбужденном состоянии. Кроме того, обозначим через е "медленные" электроны, т.е. такие электроны, которые отдали свою энергию молекулам газа, а Nе и Не - молекулы соответствующих газов, находящихся в основном (невозбужденном) состоянии.

Тогда процессы возбуждения, происходящие в плазме тлеющего разряда в смеси Не-Nе при неупругом столкновении электронов с молекулами газа, будут выглядеть следующим образом:

Ne + e^* = Ne ^*+ e; He + e^* = He^* + e (10)

Необходимо помнить, что рабочим газом в этой смеси является Nе.

Если бы все состояния возбужденного неона имели одинаковые характеристики, такие как время жизни, сечение (вероятность) возбуждения электронным ударом, они заселялись бы в соответствие с законом Больцмана (9).

Однако, эти характеристики различны для различных энергетических уровней. Поэтому заселенность уровней неона в тлеющем разряде может существенно отличаться от больцмановского.

Кроме того, переходы с испусканием кванта света (фотона) возможны лишь между теми уровнями, которые соответствуют определенным требованиям - правилам отбора. Эти правила можно строго обосновать с использованием законов квантовой механики.

С точки зрения создания инверсной заселенности целесообразно, чтобы верхний рабочий уровень имел большее сечение возбуждения и большее время жизни по сравнению с нижним.

Для дальнейшего понимания работы гелий-неонового лазера необходимо рассмотреть схему энергетических уровней Не и Nе, показанную на рис.2.

Из основного состояния 1s атом Не может перейти в состояния 2s (два уровня, отвечающие двум различным ориентациям спинов электронов возбужденного атома Не). Эти уровни не могут быть возбуждены оптически, т.к. переход 1s - 2s с поглощением фотона запрещен правилами отбора. Возбуждение этих уровней возможно лишь за счет неупругих столкновений электронов с атомами (по схеме (10)).

Рис.2.

Обратный переход 2s - 1s с излучением фотона также запрещен правилами отбора. Возбуждение этих уровней возможно лишь за счет неупругих столкновений электронов с атомами (по схеме (10)).

Уровни 5s и 4s атома неона близки по энергиям к уровням 2s гелия. При столкновении атомов гелия в состоянии 2s с атомами неона в основном состоянии происходит передача энергии от атомов гелия к атомам неона по схемам

; (11)

Процесс передачи энергии от атомов Не к атомам Nе показан на рис.2 жирной горизонтальной стрелкой.

Для неона разрешены оптические (с излучением фотона) переходы из состояний 4s и 5s в состояние 3p и дальше в состояние 3s. Поэтому убыль электронов на уровнях 4s и 5s неона осуществляется за счет излучения.

Как показали специальные исследования, время жизни состояний 4s и 5s атома неона составляет 10^-6с, а состояния 3p -10^-8с. В силу этого в газовом разряде при непрерывной подкачке энергии, т.е. пополнении уровней 4s и 5s, создается стационарная инверсная заселенность уровней неона 4s и 5s относительно уровней 3p.

Переходы 5s ® 3p (на рис.2 они показаны волнистой сплошной стрелкой) сопровождаются излучением в видимой области спектра. Переходы 4s ® 3p (на рис.2 они показаны волнистой пунктирной стрелкой) - сопровождаются излучением в инфракрасной области спектра. Переходы же 3p ® 3s (белая стрелка на рис.2) существенны только в том смысле, что с их помощью "очищаются" уровни 3p.

Усиление проходящего через газ потока излучения происходит только за счет индуцированных переходов 5s ® 3p и 4s ® 3p. Фотон, излучаемый при таком переходе, имеет направление, совпадающее с направлением фотона, вызывающего этот переход. Спонтанные же переходы приводят к появлению фотона, направление которого произвольно. Большое число спонтанных переходов нежелательно, т.к. не усиливая проходящего потока, спонтанное излучение нарушает инверсную заселенность верхних уровней атома.

Вероятность индуцированного перехода пропорциональна плотности вынуждающего излучения. Следовательно, для того, чтобы индуцированное излучение значительно превышало спонтанное, необходимо добиться высокой плотности усиливаемого излучения в веществе. Достигается это тем, что каждый фотон проходит активную среду несколько раз.

Для осуществления такого многократного прохождения фотона через активную среду используют систему зеркал, расположенных у торцов трубки, содержащей активную среду (рис.1). Эта система зеркал носит название ЛАЗЕРНОГО РЕЗОНАТОРА.

Одно зеркало резонатора имеет коэффициент отражения равный единице, а другое - "полупрозрачное". Оно имеет коэффициент пропускания от нескольких процентов до нескольких долей процента.

Рис.3

- атомы Ne в основном состоянии

- атомы Ne в состояниях 5s и 4s

Процесс усиления излучения в резонаторе показан на рис.3 Отдельные фотоны, спонтанно излучаемые возбужденными атомами, имеют случайное направление. Эти фотоны и вызванные ими фотоны индуцированного излучения покидают активную среду, не вызывая усиления излучения вдоль оси лазера (рис.3а, пунктирные стрелки). Те же из фотонов, которые движутся вдоль оси активной среды (рис.3а, сплошная стрелка) вызывают индуцированное излучение фотона того же направления. Таким образом, число фотонов, летящих вдоль оси активной среды, растет, вовлекая в процесс индуцированного излучения все большее число возбужденных атомов. Процесс нарастает лавинообразно (рис.3б).

Отражаясь от непрозрачного зеркала, это излучение вновь движется вдоль активной среды, вызывая все новые индуцированные переходы и, тем самым, увеличивая поток индуцированного излучения. При "взаимодействии" с полупрозрачным зеркалом малая часть этого излучения выходит из активной среды, а большая часть излучения вновь возвращается в активную среду и, таким образом, продолжается процесс усиления потока индуцированного излучения. При этом выход спонтанного излучения становится пренебрежимо малым. Однако, бурный лавинообразный рост интенсивности излучения возможен лишь в первые моменты времени, т.к. затем часть излучения уходит через полупрозрачное зеркало и, кроме того, уменьшается заселенность верхних уровней и увеличивается заселенность нижних уровней, что замедляет процесс.

При работе в непрерывном режиме устанавливается равновесие между всеми этими процессами (излучение и возбуждение) и достигается стационарная плотность излучения лазера (рис.3в).

Значительная мощность и высокая степень когерентности лазерного излучения дает возможность наглядно показать и изучить некоторые специфические свойства электромагнитных волн оптического диапазона. Поэтому лазеры нашли широкое применение в лекционных демонстрациях и лабораторных практикумах.

2.Описание установки и метода измерений.

Схема установки представлена на рис. 4.

4 3 2

12 1

Рис.4

На фотоскамье (1) установлен лазер (2), поляризатор-анализатор (3), фотоэлемент в непрозрачном корпусе (4). Рядом с фотоскамьей расположен блок питания фотоэлемента (5). Блок питания фотоэлемента позволяет изменять разность потенциалов между анодом и фотокатодом фотоэлемента от 0 до 50 В при потенциале анода большем, чем потенциал фотокатода, и от 0 до 1В при потенциале анода меньшем, чем потенциал фотокатода. Лицевая панель управления блоком питания показана на рис.5.

7 8

6 9 10

Рис.5.

На этом рисунке (6) - кнопка включения сетевого питания самого блока, (7) - вольтметр, измеряющий напряжение между анодом и фотокатодом фотоэлемента, (8) - миллиамперметр, фиксирующий ток фотоэлемента, (9) - кнопка переключения полярности напряжения между анодом и фотокатодом фотоэлемента, (10) - ручка регулятора напряжения между электродами фотоэлемента.

Работа данной установки основана на использовании второго закона фотоэффекта (см.[1] стр.132-136), который гласит, что сила фототока насыщения пропорциональна интенсивности падающего светового потока. Для проверки второго закона фотоэффекта необходимо изменять величину интенсивности падающего на фотокатод светового потока. Этого можно добиться, используя поляризатор-анализатор. Согласно закону Малюса интенсивность света, прошедшего через анализатор, пропорциональна интенсивности света, прошедшего через поляризатор, и квадрату косинуса угла между плоскостями пропускания поляризатора и анализатора (I=I₀ cos²a).

Поскольку лазер дает уже поляризованный луч, поляризатор нам не нужен и поляризатор-анализатор используется нами в данной работе в качестве анализатора. Таким образом, поставив на пути лазерного излучения анализатор, мы можем изменять интенсивность светового потока, падающего на фотоэлемент, путем простого поворота анализатора вокруг оси, совпадающей с направлением распространения лазерного излучения. Этот угол поворота анализатора отсчитывают по лимбу с указателем на оправке анализатора.

Для определения работы выхода электронов из материала фотокатода необходимо определить величину отрицательного потенциала на аноде относительно фотокатода, при котором ни один электрон не может достигнуть анода. Согласно уравнению Эйнштейна для фотоэффекта

A = hc / l - eU_з. (12)

Таким образом, определив потенциал задержки и зная длину волны излучения используемого лазера (l =6,328^.10^-7 м), легко определить работу выхода электронов для данного материала фотокатода.

3 .Порядок выполнения работы.

Задание 1. Проверка зависимости фототока насыщения от величины падающего на фотокатод светового потока.

1.После включения лазера лаборантом визуально убедитесь, что луч лазера попадает в окошко фотоэлемента (11) (рис.4). Если это не так, то вращением опорного винта (12) на корпусе фотоэлемента добейтесь этого.

2.Присоедините фотоэлемент к блоку питания. Включите блок питания фотоэлемента в сеть и включите сам блок питания. Кнопкой (9) включите диапазон напряжений 0-50 В.

3.Установите между лазером и фотоэлементом анализатор. Вращением оправки анализатора добейтесь максимального значения фототока насыщения I_н на миллиамперметре блока питания. Запишите значение соответствующего угла, отсчитанного по лимбу на оправке анализатора, в таблицу 1. Установите максимальное напряжение между анодом и фотокатодом. Запишите в таблицу 1 значения напряжения и соответствующее ему значение фототока I_н.

4.Поверните анализатор в любую сторону на угол от 10⁰ до 15⁰ (по лимбу). Запишите в таблицу 1 значение этого угла. Напряжение между анодом и фотокатодом не изменять! Запишите в таблицу 1 значение фототока насыщения при этом угле. Затем вновь поверните анализатор на такой же угол в прежнем направлении и вновь (не изменяя напряжения между анодом и фотокатодом) запишите в таблицу значение фототока. И так до тех пор, пока угол поворота анализатора относительно первоначального его положения не станет близким к 90⁰. Должно получиться не менее 5 измерений.

5. Уменьшите напряжение между анодом и фотокатодом. Повторите измерения, описанные в п.4 и результаты занесите также в таблицу 1. Таких измерений должно быть не менее трех (число измерений задает преподаватель).

6.По полученным данным строят зависимость I_н = f (U) при постоянном угле поворота анализатора a, и зависимость I_н = f (cos²a). Графики должны быть построены на миллиметровой бумаге.

Задание 2. Определение работы выхода электронов.

1.Кнопкой (9) переключите диапазон напряжений на блоке питания фотоэлемента в положение 0 - (-1)В.

2.Верните анализатор в положение, соответствующее максимальному фототоку насыщения. При этом положении анализатора ручкой регулировки напряжения (10) подберите такое напряжение, при котором фототок обращается в 0. Занесите в таблицу 2 значение угла по лимбу оправки анализатора и значение потенциала задержки U_з.

3.Поверните, как и в первом задании, анализатор на угол 10-15 градусов от первоначального положения и вновь повторите действия, описанные в пункте 2. Результаты этих измерений также занесите в таблицу 2. Проведите аналогичные измерения для всех тех углов поворота анализатора, которые были использованы в первом задании и занесите эти результаты в таблицу 2.

4. Подставьте полученные значения U_з в формулу (1) и рассчитайте работу выхода электронов из материала фотокатода.

Таблица 1

N п/п	U	a	cosa	cos^2a	Iн

Таблица 2

N п/п
Uз
А
Аср

Дата добавления: 2015-06-04