Фотоэффектом называется отрыв электронов от атомов различных веществ под влиянием световой энергии

Законы фототока

Фотоэлектрические методы измерения интенсивности окраски связаны с использованием фотоэлементов. В отличие от визуальных колориметров, в фотоэлектроколориметрах приёмником световой энергии является прибор -фотоэлемент.

Фотоэлементом называется устройство, в котором световая энергия преобразуется в электрическую. Фотоэлементы позволяют проводить исследования не только в видимой части, но и в ультрафиолетовой и инфракрасной частях спектра. Измерение световых потоков с помощью фотоэлементов более точно и не зависит от особенностей глаза наблюдателя. Применение фотоэлементов позволяет автоматизировать определение концентраций при химическом контроле технологических процессов. Преобразование световой энергии в электрическую в фотоэлементе связано с явлением фотоэффекта.

Если поместить две металлические пластины в стеклянный баллон (рис. 3), из которого выкачан воздух, и включить их электрическую цепь, то в темноте

гальванометр покажет отсутствие тока в цепи, а при освещении поверхности катода светом гальванометр покажет появление тока. Это объясняется тем, что при освещении катода происходит электронная эмиссия, то есть испускание электронов с его поверхности. Под действием электростатистического поля электроны будут двигаться к аноду и цепь окажется замкнутой.Способность металлов испускать электроны со своей поверхности под действием света называется внешним фотоэлектрическим эффектом.

Основными законами фотоэффекта являются закон Эйнштейна и закон Столетова.

Закон Эйнштейна: максимальная энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой падающего света и не зависит от интенсивности облучения.

Поглощение и испускание света телами происходит отдельными порциями - квантами, которые характеризуются энергией:

.

Данная энергия расходуется в двух направлениях:

1. На преодоление сил, удерживающих электрон в металле, то есть на
совершение так называемой работы выхода электрона А..

2. И как результат на сообщение электрону кинетической энергии:

.

Отсюда ,

где m - масса электрона, V - скорость его движения.

Из вышесказанного можно сделать вывод, что фотоэффект наблюдается не при любом освещении любого предмета, а только лишь в том случае, когда , то есть энергия светового кванта будет больше работы, затраченной на выход электрона. Из этой формулы можно вычислить порог фотоэффекта, то есть такую наименьшую частоту света, при которой ещё наблюдается явление фотоэффекта. При этом энергии кванта достаточно только на совершение работы выхода электрона из металла, но сообщить кинетическую энергию квант уже не может (V = 0). Отсюда понятно, что порог фотоэффекта определяется только работой выхода электрона (А) из поверхности данного металла. Учитывая, что , вводят понятие о красной границе фотоэффекта.

Красная граница фотоэффекта - та наибольшая длина волны света, при которой еще наблюдается фотоэффект. Для различных металлов порог фотоэффекта, а, следовательно, и красная граница фотоэффекта будут иметь различные величины, например:

Металл Cs К Na Zi Та Ag Ni Pt

λ, нм1400 760 680 526 305 268 246 196

Электроны из атомов Cs выбиваются квантами света, обладающими меньшей энергией, чем из калия, натрия, лития. Их порог фотоэффекта лежит в видимой области; следовательно, при облучении этих элементов лучами видимого света и даже инфракрасной частью спектра (Cs, К, Na, Zi) фотоэффект будет наблюдаться. У всех оставшихся элементов красная граница фотоэффекта лежит в ультрафиолетовой области; следовательно, чтобы получить фотоэффект у этих металлов необходимо ультрафиолетовое облучение, а не освещение видимым или инфракрасным светом, так как в этом случае кванты света не обладают нужным запасом энергии. Поэтому для изготовления фотоэлементов обычно применяют щелочные металлы.

Закон Столетова: Фотоэлектрический ток прямопропорционален падающему лучистому потоку (1888 г.).

Таким образом, закон Столетова выполним только при соблюдении закона Эйнштейна; то есть сначала металл нужно облучить светом, способным дать фотоэффект, а лишь потом величина полученного фототока будет зависеть от интенсивности светового потока.

Ясно, что чем интенсивнее световой поток, тем большее число электронов будет вырвано и тем, следовательно, будет больше фототок:

i = k ∙ J,

где i - величина фототока,

к- коэффициент пропорциональности,

J - интенсивность света.

Фотоэлементы принято сравнивать по их чувствительности. Чем больший фототок дает элемент, тем он чувствительней. Чувствительность фотоэлементов измеряют в микроамперах на единицу светового потока в один люмен.

Различают два вида чувствительности: общую (интегральную) и спектральную (цветовую). Общая чувствительность определяется по отношению к свету, излучаемому обыкновенными электрическими лампами накаливания с вольфрамовой нитью, которые дают почти белый свет с небольшим содержанием инфракрасного. В таком свете нет ультрафиолетовых лучей, которые поглощаются стеклом колбы. За стандартный источник света принято считать лампу, нить которой имеет температуру 2850К.

Спектральная чувствительность - это чувствительность фотоэлемента к свету различных длин волн. Спектральную чувствительность индивидуальных фотоэлементов изображают графически, откладывая по оси координат величину фототока, а по оси абсцисс - длину волны света. Для измерения интенсивности светового потока применяют следующие типы фотоэлементов:

1. Вентильные фотоэлементы, основанные на так называемом «фронтальном» фотоэффекте (фотоэлементы с запирающим слоем).

2. Фотосопротивления, основанные на внутреннем сопротивлении.

3. Вакуумные или газонаполненные (фотоэлементы с внешним фотоэффектом).

При работе с фотоэлементами следует всегда иметь в виду ряд факторов, влияющих на получение точных и воспроизводимых результатов. Во-первых, спектральная и интегральная чувствительность фотоэлементов может со временем меняться, то есть наблюдается "старение" фотоэлементов, что требует необходимость их периодической замены. Во-вторых, для фотоэлементов характерно явление "утомления" (уменьшения силы фототока), которое наблюдается при длительном непрерывном освещении фотоэлемента достаточно ярким светом. Поэтому во время работы фотоэлементу необходим "отдых".В-третьих, чувствительность фотоэлемента бывает неодинаковой по всей его поверхности, поэтому большое значение следует уделять настройке осветителя, чтобы при параллельных измерениях всегда освещался один и тот же участок фотоэлемента, площадь этого участка должна быть примерно равной 1 см². Равномерность освещения может быть достигнута путем применения матовых рассеивателей.В-четвертых, следует отметить, что на точность фотоэлектроколориметрических измерений существенно влияет качество гальванометра, с помощью которого измеряют силу фототока. Главное требование к гальванометру - его сопротивление должно быть возможно малым и не должно превышать внутреннего сопротивления фотоэлемента.

ВНИМАНИЕ! Подавать свет на фотоэлементы можно лишь в момент измерения, всё остальное время фотоэлементы должны быть прикрыты светонепропускающими шторками!

Дата добавления: 2015-06-28