fizick_praktika_III

и Ф, следовательно, для них К = const. В газонаполненных фото-

элементах интегральная чувствительность К const и превышает чувствительность вакуумных фотоэлементов.

Вольт-амперной характеристикой фотоэлемента являет-

ся зависимость фототока IФ от напряжения U между электродами при неизменном световом потоке Ф (см. п. 3.2).

В данной работе рассматриваются разные варианты изучения фотоэффекта. Один из вариантов – экспериментальное проведение работы. Здесь предлагается выполнение двух заданий: 1) изучение световой характеристики фотоэлемента; 2) измерение вольт-амперной характеристики. Второй вариант предполагает компьютерное изучение смоделированного фотоэффекта.

Вариант 1

4. ИЗУЧЕНИЕ ВОЛЬТ-АМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ФОТОЭФФЕКТА И ЕЁ ЗАВИСИМОСТИ

ОТ СВЕТОВОГО ПОТОКА

4.1. Описание рабочей установки и метода измерения

Фотоэлемент ЦГ-4 (цезиевый газонаполненный типа 4), используемый в нашей работе, представляет собой заполненный инертным газом стеклянный баллон (рис. 7.3). Фотокатод из цезия 2 выполнен в виде тонкого слоя металла, нанесённого на внутреннюю поверхность баллона 1. Анод фотоэлемента 3 изготовлен в виде диска или сферы, помещённых в центре баллона. Включение фотоэлемента в электрическую цепь производится

Рис. 7.3

121

Внешний вид установки представлен на рис. 7.4, где 1 – источник питания (ИП); 2 – источник света – лампа (Л); 3 – конденсорная линза; 4 – микроамперметр; 5 – оптическая скамья с линейкой; 6 – фотоэлемент.

11

Рис. 7.4

Электрическая схема установки приведена на рис. 7.5.

Рис. 7.5

На электроды фотоэлемента ФЭ подаётся постоянное напряжение от источника питания (ИП). ИП соединён с потенциометром (R), позволяющим изменять напряжение на катоде ФЭ, измеряемое вольтметром (V). Ток фотоэлемента измеряется микроамперметром (мкА). Источник света – лампа (Л) – питает-

122

ся от сети 220 В. Для увеличения срока службы и улучшения работы фотоэлемент помещён в специальный футляр-оправу с открывающимся окошечком, которое должно быть закрытым, если измерения в данный момент не проводятся.

Сила света J источника (Л) известна, однако на фотоэлемент попадает лишь малая часть света. Световой поток, излучаемый источником в пределах телесного угла (рис. 7.6), определяется по формуле

цессе работы. Для того чтобы изменить величину светового потока, освещающего катод, нужно изменить расстояние между фотоэлементом и лампой – осветителем r. Приборы устанавливаются на оптическойскамье, чтопозволяетпоеёшкалеопределитьвеличинуr.

В работе необходимо измерить световую и вольтамперную характеристики фотоэлемента.

4.2. Порядок выполнения работы

Задание 1. Снятие световой характеристики

1.Ознакомьтесь с установкой на рабочем месте.

2.Включите в электрическую сеть (220 В) источник питания и с помощью потенциометра R подайте напряжение на электроды фотоэлемента, например, 50 В, которое при дальнейшей работе должно оставаться неизменным.

123

3. Откройте окошечко фотоэлемента и измерьте фототок. Запишите его значение и расстояние r в табл. 7.1.

Таблица 7.1

4.Уменьшите расстояние фотоэлемента до осветителя ивновь измерьте расстояние и соответствующий фототок. Вновь уменьшите расстояние его и фототок. Измерение фототока должно производиться при пяти-семи различных расстояниях r, сначала при уменьшении, азатемприувеличении, вобратнойпоследовательности.

5.Подсчитайте по формулам (7.7), (7.8) величину светового потока при различных расстояниях r.

6.Постройте по данным табл. 7.1 график зависимости

IФ = f (Ф); вычислите по формуле (7.6) интегральную чувствительность К и постройте график зависимости К = f (Ф) при постоянном напряжении.

Таблица 7.2

Задание 2. Снятие вольт-амперной характеристики

1. Установите фотоэлементиосветительную лампу (Л) нарасстоянииr1 = 0,2 мдруготдругаидалееегосохраняйтенеизменным.

124

2. Подайте с помощью потенциометра R на электроды фотоэлемента напряжение, изменяя от 0 до 100 В (через 10 вольт) и измерьте фототок IФ. Результаты измерений занести в табл. 7.2.

3.Получите всего 8–10 экспериментальных точек сначала при увеличении, а затем уменьшении напряжения U, сохраняя неизменным световой поток Ф.

4.Установите фотоэлемент и лампу-осветитель на взаим-

ном расстоянии r2 = 0,3 м и снова измерьте фототок, сначала при увеличении напряжения U от 0 до 100 В, а затем при уменьшении от 100 до 0 В, сохраняя поток Ф неизменным.

5.Подсчитайте по формулам (7.7) и (7.8) значение светового потока Ф1 при r1 = 0,2 м и Ф2 при r2 = 0,3 м.

6.Постройте график зависимости IФ = f (U), т. е. вольтамперную характеристику фотоэлемента при двух значениях светового потока.

Контрольные вопросы и задания

1.Перечислите виды фотоэффекта.

2.В чём состоит явление внешнего фотоэффекта?

3.Как изменится при заданной частоте света фототок насыщения с уменьшением освещённости катода?

4.Как из опытов по фотоэффекту определяется постоянная Планка?

5.Как с помощью уравнения Эйнштейна объяснить законы фотоэффекта?

6.Нарисуйте и объясните вольт-амперную характеристику фотоэффекта.

7.Запишите уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта и поясните его.

8.Как построить вольт-амперные и световые характеристики фотоэлемента?

125

Вариант 2

5. ИЗУЧЕНИЕ ФОТОЭФФЕКТА

В данной работе моделируется явление фотоэффекта. В результате компьютерного исследования изучается теория фотоэффекта, снимается вольт-амперная характеристика фотодиода, определяются красная граница фотоэффекта, работа выхода фотоэлектронов данного металла из материала, задерживающий потенциал и постоянная Планка.

Порядок выполнения работы

1.Включите компьютер

2.На рабочем столе компьютера, на ярлыке папки «Физ. лаб.» щелкните дважды левой кнопкой мышки. В открывшемся окне выберите раздел «Оптика», из списка лабораторных работ запустите «Изучение фотоэффекта», дважды щелкнув по названию левой кнопкой мышки. Появится экран, в котором будет присутствовать таблица с командами:

О работе

Ход работы

Эксперимент.

Выбирая пункты меню в таблице, необходимо предварительно ознакомиться с лабораторной работой и порядком ее выполнения. После обращения к команде «Эксперимент» появится экран, на котором задаются начальные условия виртуального эксперимента (рис. 7.7).

Для выполнения работы необходимы следующие действия:

3.Введите значение длины волны падающего света. Длину волныпадающегосветазадайтевведениемчиславпредназначенное дляэтогоокно. Установитеэтувеличинувдиапазоне400–700 нм.

4.Введите значение анодного напряжения. Анодное напряжение задайте введением числа в предназначенное для этого окно. Рекомендуется установить эту величину 15–20 В.

126

6.Проделайте опыты, уменьшая напряжение от 15–20 В до тех пор, пока величина N не будет стабильно обращаться в ноль. Рекомендуется проводить измерения с интервалом 1–2 В. При каждом напряжении опыт следует провести 3–5 раз.

7.Исследуйте более детально область задерживающего (отрицательного) напряжения. При приближении к значениям запирания измерения необходимо проводить с шагом 0,1 В. При каждом напряжении опыт следует провести 3–5 раз (игнорируя первое измерение).

8.Вычислите среднее число электронов <N>, достигших анода, при каждом напряжении.

9.Постройте вольт-амперную характеристику для данной длины волны. Необходимо построить график зависимости среднего числа достигших анода электронов <N> от напряжения. По графику найдите ток насыщения, ток при нулевом напряжении, оцените задерживающее напряжение.

10.Найдите задерживающее напряжение для 4–5 длин волн. Длины волн следует брать в интервале 300–700 нм с шагом 50–100 нм. Для каждой длины волны подберите отрицательное задерживающее напряжение без построения вольтамперной характеристики. Для этого найдите сначала грубо такое напряжение, при котором число частиц мало. Затем, медленно уменьшая напряжение, добейтесь того, чтобы частицы перестали достигать анода. Последний опыт проведите 5 раз (игнорируя первое измерение). Результаты занесите в табл. 7.4.

11. Для каждой длины волны вычислите частоту. Занесите результаты в табл. 7.3 и 7.4.

128

12.Поданнымтабл. 7.4 постройтеграфикзависимостизадерживающего напряжения от частоты. График должен представлять собой прямую линию, которую следует провести так, чтобы экспериментальныеточкивсреднембылиотнеёнанаименьшемрасстоянии.

13.Определите постоянную Планка h. Из формулы Эйнштейна следует, что тангенс угла наклона графика зависимости задерживающего напряжения от частоты равен отношению постоянной Планка к заряду электрона, уравнения (7.3) и (7.5). Тангенс угла наклона можно найти из графика как отношение катетов. Зная заряд электрона, вычислитепостояннуюПланкапоформуле:

h e U1 U2 .

1 2

14.Определите красную границу фотоэффекта (с точностью до 1 нм) и вычислите работу выхода фотоэлектронов А. Для этого необходимо найти методом подбора максимальную длину вол-

ны 0, при которой фотоэффект происходит, затем по 0 определить 0 и по формуле (7.4) вычислить А.

15.Проверьте правильность формулы (7.5) для нескольких длин волн и потенциалов запирания из пп. 10–14.

Контрольные вопросы и задания

1.В опыте цвет падающего света примерно соответствует длине задаваемой волны. Почему при < 390 нм цвет исчезает, хотя фотоэффект происходит?

2.Как выглядит график зависимости количества вырванных из катода фотоэлектронов от длины волны (или частоты) падающего излучения? Как он изменяется при изменении интенсивности света? Показатьнанёмкраснуюграницу фотоэффекта.

3.Разбейте полученный график зависимости количества достигших анода электронов N(U) на 3 характерных участка, назовите ихипояснитеосновныефизическиепроцессывкаждомизних.

4.Как и почему величина задерживающего напряжения зависит от частоты (или длины волны) падающего света?

129

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Основная литература

1. Трофимова, Т.И. Курс физики (учебное пособие для технических специальностей вузов) / Т.И. Трофимова. М. : Издательский центр «Академия», 2007, 2008. 560 с.

Дополнительная литература

1.Курс лекций по общей физике. Ч. 3 / С.В. Старенченко,

В.Б. Каширин, Н.А. Конева ; под ред. Н.А. Коневой. – Томск : Изд-

воТГАСУ, 2002. – 88 с.

2.Савельев, И.В. Курс общей физики. Т. 1 / И.В. Савельев. –

М. : Наука, 1989. 430 с.

130