2.2.3 Теоретический минимум

Фотоэффект. Законы внешнего фотоэффекта. Вольт–амперная характеристика внешнего фотоэффекта и ее объяснение. Несостоятельность волновой теории в объяснении законов внешнего фотоэффекта. Квантовая теория фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна. Красная граница фотоэффекта. Фотоэлементы, их характеристики. Применение фотоэлементов.

2.3. Лабораторная работа 3.04. Исследование фотоэлемента

Цель работы: ознакомление с устройством, принципом работы и применением фотоэлементов (ФЭ).

Принадлежности: установка для исследования вакуумного (газонаполненного) фотоэлемента.

2.3.1. Описание установки и методики измерений

Фотоэлементы, действие которых основано на внешнем фотоэффекте, бывают вакуумные и газонаполненные. В качестве наполнителя используются инертные газы при давлении 510^-3 – 1,0 мм. рт. ст.

Основными характеристиками фотоэлементов являются вольт - амперная характеристика и чувствительность. Вольт - амперная характеристика – кривая, выражающая зависимость фототока I от напряжения U, подаваемого на фотоэлемент при постоянной освещенности катода. Световой поток Ф, создаваемый электрической лампочкой, которая находится на расстоянии r от фотоэлемента, падающий на поверхность фотокатода площадью S, определяется по формуле:

Ф = ES = I_c S/r², (2.10)

где I_c – сила света лампочки, E = I_c/r² – освещенность фотокатода.

Отношение фототока I к световому потоку Ф, падающему на фотоэлемент, называют чувствительностью фотоэлемента

 = I/Ф (2.11)

Отношение числа фотоэлектронов, достигающих анода в единицу времени N = I/e (e=1,610^–19 Кл – заряд электрона), к числу фотонов N_п падающего монохроматического света называется квантовым выходом фотоэффекта  (безразмерная величина). В работе проводится оценка квантового выхода фотоэффекта по значению средней энергии светового кванта h.

 = N/N_п=(I/e)(h/AФ) = Ih/(АФе), (2.12)

где h=6,62510^–34 Джс – постоянная Планка; А=1,610^–3 Вт/лм – коэффициент перевода фотометрических величин в энергетические;  – усредненная частота падающего на ФЭ света (510¹⁴ Гц).

Схема установки для снятия вольтамперных характеристик ФЭ представлена на рис.2.6. Установка питается от сети переменного тока. Источник постоянного тока (ИПТ) питает цепь фотоэлемента, напряжение на котором регулируется с помощью потенциометра R, и цепь источника света. Электрическая лампочка Л может перемещаться относительно ФЭ, что позволяет изменять его освещенность. Между фотоэлементом и лампочкой могут устанавливаться светофильтры. Цепи лампы и фотоэлемента включаются с помощью тумблеров «Свет» и «Сеть».

Рис.2.6

2.3.2. Порядок выполнения работы Внимание! Переключатель п, расположенный на лицевой панели установки, должен находиться в положении вах!

Потенциометр R – в крайнем левом положении! Тумблер «Свет» выключен!

1. Включить установку тумблером «Сеть».

2. С помощью потенциометра R установить минимальное напряжение на ФЭ.

3. Установить лампочку на максимальном расстоянии от фотоэлемента. Включить питание лампочки тумблером «Свет». Увеличивая напряжение на ФЭ через 5 – 10 В, записать значения фототока I (показания микроамперметра), соответствующие каждому напряжению.

4. Уменьшая расстояние между фотоэлементом и лампой, провести те же измерения для 5 – 6 расстояний (по пункту 3).

5. Заполнить табл. 2.2 физических величин и постоянных, используемых в работе.

Таблица 2.2

h,Джс	e,Кл	Р,Вт	А103,Вт/лм	Ic,кд	S104,см2	,Гц

6. По экспериментальным результатам построить вольт - амперные характеристики (ВАХ). По ВАХ определить участки тока насыщения.

7. По формуле (2.10) рассчитать световой поток Ф и освещенность Е фотоэлемента.

8. По формуле (2.11) определить чувствительность фотоэлемента  для каждой освещенности.

9. По формуле (2.12) оценить квантовый выход фотоэффекта  для различных освещенностей.

10. По результатам проведенных исследований сформулировать первый закон фотоэффекта, подтвердив его графически. Результаты всех измерений и расчетов представить в виде табл. 2.3

Таблица 2.3

r,см	U,В	I,мкА	Ф,лм	Е,лк	,мкА/лм		
1)	1)… 2)… ... 10)
2)
3)
4)
5)