Теория работы. Цель работы: изучение явления внешнего фотоэффекта, изучение устройства и принципа работы вакуумного фотоэлемента

ИЗУЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЗАКОНОВ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4–10

Цель работы: изучение явления внешнего фотоэффекта, изучение устройства и принципа работы вакуумного фотоэлемента, экспериментальное определение характеристик вакуумного фотоэлемента и объяснение с их помощью основных законов внешнего фотоэффекта.

Приборы и принадлежности: вакуумный фотоэлемент, эталонная лампа – осветитель, оптическая скамья, измерительная электрическая установка.

При падении света на вещество он частично поглощается и его энергия передается электронам вещества, переводя их из связанного состояния в свободное. Явление освобождения электронов от связей с атомами и молекулами вещества под действием света называется фотоэлектрическим эффектом.

При полном освобождении от связей и выходе электронов за пределы твердого или жидкого вещества (испускании электронов веществом) осуществляется внешний фотоэффект. Он наблюдается в металлах, полупроводниках и диэлектриках.

При частичном освобождении от связей электроны остаются внутри вещества, увеличивая его электропроводность – это внутренний фотоэффект. Внутренний фотоэффект характерен для полупроводников и диэлектриков.

Принципиальная схема для исследования внешнего фотоэффекта состоит из двух электродов - катода К из исследуемого металла и анода А, в цепь которых включается источник ЭДС, миллиамперметр для измерения тока в цепи и потенциометр для регулировки напряжения между электродами. При облучении катода монохроматическим светом он испускает (эмитирует) электроны (называемые фотоэлектронами), которые ускоряются в электрическом поле между катодом и анодом, создавая фототок.

Явление внешнего фотоэффекта было открыто Г. Герцем, изучалось А.Г. Столетовым, Гальваксом и др. Многочисленными экспериментами были установлены три закона внешнего фотоэффекта:

1) число фотоэлектронов, вырываемых из катода за единицу времени (фототок насыщения), прямо пропорционально интенсивности света;

2) максимальная начальная скорость (кинетическая энергия) фотоэлектронов определяется частотой света и не зависит от его интенсивности;

3) для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. такая наименьшая частота света n _min, при которой еще возможен внешний фотоэффект.

Классическая волновая теория не смогла объяснить законы внешнего фотоэффекта. Это сделал А. Эйнштейн в 1905 году, разработав квантовую теорию фотоэффекта, за которую получил Нобелевскую премию по физике в 1922 году.

Согласно Эйнштейну падающий монохроматический свет частотой n рассматривается как поток световых квантов – фотонов, энергия которых равна

Е=hn, (1)

где h = 6,63 ×10^-34 Дж ×с – постоянная Планка. При поглощении фотона его энергия целиком передается одному электрону. Полученная электроном энергия Е частично затрачивается на освобождение из металла – на работу выхода А, остальная часть переходит в кинетическую энергию вылетевшего из металла электрона:

Уравнение (2) называется уравнением Эйнштейна.

Работой выхода А называется минимальная энергия, необходимая для выхода электрона из металла, т.е. для преодоления потенциального барьера. Потенциальный барьер вблизи поверхности металла появляется из-за теплового движения свободных электронов, которые пересекают поверхность металла, образуя около нее отрицательно заряженное электронное облако. Положительно заряженные ионы кристаллической решетки на поверхности металла как бы оголяются. Образуется разделенный в пространстве двойной электрический слой с разностью потенциалов j ₀- j порядка 3-5 вольт. Работа А по преодолению потенциального барьера е (j ₀- j) и является работой выхода электрона из металла:

А = е (j ₀- j), (3)

где е = 1,6 ×10^-19 Кл – заряд электрона.

Уравнение Эйнштейна (2) объясняет все закономерности внешнего фотоэффекта:

1) т.к. каждый квант света (фотон) поглощается только одним электроном, то число вырванных фотоэлектронов должно быть пропорционально интенсивности света

(1-й закон фотоэффекта);

2) максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты n падающего излучения и не зависит от его интенсивности, т.к. интенсивность обусловливает только количество фотонов, а значит, и фотоэлектронов, но совершенно не влияет на их максимальную кинетическую энергию (2-й закон фотоэффекта);

3) красная граница фотоэффекта соответствует равенству

hn _min =А, (4)

т.е. фотоэлектрон имеет нулевую кинетическую энергию. При меньшей частоте света n <n _min энергии фотона не хватает, чтобы фотоэлектрон мог преодолеть потенциальный барьер и выйти из металла (3-й закон фотоэффекта).

Для металла красная граница фотоэффекта т.е. зависит от работы выхода А, определяемой химической природой металла и состоянием его поверхности.

Для большинства металлов красная граница фотоэффекта лежит в ультрафиолетовой (УФ) области спектра. У щелочных металлов она лежит в видимой и инфракрасной (ИК) областях спектра, поэтому они чувствительны к широкому диапазону длин световых волн.

В измерительной, кино- и фототехнике, фотометрии используются фотоэлектронные приборы на внешнем фотоэффекте – фотоэлементы, фотоэлектронные умножители, электронно-оптические преобразователи. Простейший из них – вакуумный фотоэлемент.

Вакуумный фотоэлемент представляет собой пустотный стеклянный или кварцевый баллон с двумя электродами – фотокатодом К и анодом А (рис. 1). Фотокатодом служит фоточувствительный слой из щелочных металлов (сурьмяно-цезиевый, кислородно-серебряно-цезиевый и др.), который наносится на металлический слой (подложку), предварительно осажденный на стекло, либо на металлическую пластину внутри баллона. Анод имеет вид металлического кольца или сетки. На катод подается отрицательный потенциал – «минус» источника питания, на анод – положительный. Падающий на фототокатод световой поток вызывает фотоэлектронную эмиссию (испускание электронов) с поверхности катода, а электрическое поле направляет вылетающие электроны к аноду, образуя ток в цепи.

Рис. 1 Рис. 2

Основные характеристики фотоэлемента – вольтамперная характеристика

I = f (U) при Ф =const и световая I = f (Ф) при U =const.

Из вольтамперной характеристики I = f (U) (рис. 2 а) видно, что при неизменном световом потоке Ф фототок I зависит от напряжения U между катодом и анодом. Хотя число электронов, эмитированных с фотокатода в единицу времени, постоянно (Ф= сonst), при низких напряжениях U только небольшая часть фотоэлектронов попадает на анод. С ростом анодного напряжения все большее число электронов достигает анода и ток увеличивается почти линейно. Начиная с некоторого значения анодного напряжения все фотоэлектроны попадают на анод и наступает состояние насыщения, при котором сила тока равна I _нас. Режим насыщения является рабочим режимом фотоэлемента. При увеличении светового потока Ф ток насыщения увеличивается, т. к. увеличивается число фотоэлектронов в единицу времени.

Из световой характеристики I = f (Ф) (рис. 2 б) следует, что при неизменном анодном напряжении U ток I пропорционален световому потоку Ф: чем больше

световой поток, тем большее число фотонов попадает на фотокатод, выбивая большее число электронов, которые и увеличивают фототок.

Основными параметрами фотоэлемента являются квантовый выход g, световая чувствительность S _ф, спектральная чувствительность S _l. Квантовый выход g есть число эмитированных фотоэлектронов, приходящихся на каждый из падающих на фотокатод фотонов. Величина фототока насыщения, отнесенная к световому потоку в один люмен (лм) при номинальном анодном напряжении, называется световой чувствительностью фотоэлемента . Спектральная чувствительность характеризует реакцию фотоэлемента на монохроматический с длиной волны l световой поток. У современных вакуумных фотоэлементов световая чувствительность составляет S _ф = 30-150 мкА/лм.

Более высокую чувствительность имеют газонаполненные (инертным газом) фотоэлементы. В них эмитированные катодом фотоэлектроны при движении к аноду ионизируют молекулы инертного газа, благодаря чему к аноду движется все более нарастающая лавина электронов. Однако их работа нестабильна и световая характеристика нелинейна, что сильно ограничивает использование.

В настоящее время наиболее широкое применение имеют полупроводниковые фотоэлектронные устройства на внутреннем фотоэффекте в силу своей миниатюрности, низкого напряжения питания, высокой экономичности, надежности, длительного срока службы, низкой стоимости, которые применяются в системах сбора, передачи, обработки и отображения информации.

В лабораторной работе исследуются характеристики вакуумного фотоэлемента. Исследование проводится при помощи установки, состоящей из оптической скамьи с масштабной линейкой, на которой расположен вакуумный фотоэлемент и эталонная лампа-осветитель. На рис. 3 EL - эталонная лампа-осветитель, BL – исследуемый фотоэлемент; PA – микроамперметр для измерения фототока; RP1 – потен циометр, регулирующий анодное напряжение, измеряемое вольтметром PV1. Реостат RP2 служит для установления напряжения на эталонной лампе–осветителе, измеряемого вольтметром PV2.

Рис. 3

Дата добавления: 2015-06-04