Лабораторная работа 3.1 и 3.2

Проверка закона освещенности на фотометрической скамье

1-я часть

В первой части работы на фотометрической скамье следует выполнить следующие задания:

1. Проверить закон обратных квадратов при помощи фотоэлементов

2. Снять вольтамперную характеристику фотоэлементов

Теория работы

1. Рассмотрим, в чем заключается явление фотоэффекта. Если на отрицательно заряженное металлическое тело подействовать светом, то можно заметить уменьшение заряда. Явление потери металлическими телами отрицательного электрического заряда при освещении лучами света получило название фотоэффекта, открытого Г.Герцем в

1887 г.

2. Явление фотоэффекта объясняется с квантовой точки зрения. Кванты света, падающие на поверхность металла, могут вырывать из него электроны. Энергия кванта расходуется на работу выхода электрона из металла через потенциальный барьер и на сообщение электрону кинетической энергии.

По закону сохранения и превращения энергии, как показал Эйнштейн, в этом случае имеем:

Где h – постоянная Планка, υ – частота падающего света, A – работа выхода,

m – масса электрона, v – его скорость.

Законы фотоэффекта установлены опытным путем А.Г.Столетовым.

1. Фотоэффект для каждого металла начинается при облучении определенной частотой υ₀, которая характеризует порог или красную границу фотоэффекта. hυ₀=A при v=0.

2. Сила фототока возрастает прямо пропорционально интенсивности внешнего облучения (число выбитых электронов прямо пропорционально числу поглощенных квантов энергии). Явление фотоэффекта используется в устройстве фотоэлементов. Фотоэлементы делятся на два основных типа: а) фотоэлементы с внешним фотоэффектом – вакуумные и газонаполненные; б) фотоэлементы с внутренним фотоэффектом – твердые медно-закисные селеновые фотоэлементы.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом представляют собой стеклянный баллон, в центре которого в виде небольшого кольца устанавливается положительный электрод, а катодом служит тонкий слой какого-либо материала, нанесенный на часть внутренней стенки баллона против кольцевого анода. Если баллон заполнен газом, то имеем газонаполненный фотоэлемент. Наличие газа ведет к увеличению чувствительности фотоэлемента, так как при достаточной разности потенциалов между катодом и анодом фотоэлектрон может ионизировать атомы газа и . следовательно, создавать лишние электроны.

Фотоэлемент с внешним фотоэффектом дает фототок только под напряжением от внешнего источника тока.

Из фотометрии известно, что освещенность

где Φ – световой поток, т.е. количество световой энергии, переносимое через некоторую поверхность за единицу времени.

Освещенность поверхности обратно пропорциональна квадрату расстояния от нее до точечного источника света. С другой стороны, сила фототока прямо пропорциональна освещенности поверхности электрода. Стало быть, для двух положений фотометра имеем:

следовательно,

.

Величина фототока в цепи зависит от приложенного напряжения. Кривая, изображающая зависимость фототока от напряжения носит название вольтамперной характеристики фотоэлемента.

Вольтамперные характеристики вакуумного и газонаполненного фотоэлементов различны. Вакуумный фотоэлемент имеет вольт –амперную характеристику, содержащую ток насыщения. Ток насыщения наступает при такой разности потенциалов на фотоэлементе, когда все электроны, вышедшие из катода, достигают анода. Ток насыщения не зависит от изменения напряжения на электродах фотоэлемента. У газонаполненных фотоэлементов ток насыщения отсутствует, в этом случае ток всюду растет с увеличением напряжения. Происходит это вследствие ударной ионизации, которая усиливается с ростом напряжения.

I для газонаполненных