11. Лабораторная работа «Определение силы света лампы накаливания и градуировка фотоэлемента в качестве объективного люксметра»

Цель работы: изучение принципа действия вентильного фотоэлемента и определение зависимости освещенности, создаваемой источником света, от расстояния между источником и фотоэлементом.

Приборы и принадлежности: фотоэлемент, лампа накаливания, оптическая скамья, микроамперметр.

Еще в глубокой древности были установлены законы прямолинейности распространения света, отражения и преломления, независимости действия световых пучков. В более позднее время возник вопрос о том, как переносится свет от испускающего его тела. Во второй половине 17 в. одновременно были предложены две теории распространения света: корпускулярная и волновая.

Корпускулярная теория света. Корпускулярную теорию распространения света предложил И. Ньютон, считавший, что свет представляет собой поток упругих материальных частиц – корпускул, испускаемых источником и вызывающих ощущение света, когда они попадали в глаз. Гораздо позднее в 1900 г. М. Планком была выдвинута новая теория света. В ней утверждается, что электроны атома излучают свет не непрерывным потоком, а отдельными порциями, получившими название квантов света или фотонов. Фотон рассматривают как частицу, обладающую массой покоя, равной нулю, и движущуюся со скоростью, равной скорости света. Квантовая теория света была развита А. Энштейном в 1905 г., который предположил, что свет не только испускается, но и поглощается квантами. Согласно квантовой теории каждый фотон имеет энергию:

 = h, (1)

где h – постоянная Планка, а  - частота колебаний в световой волне.

Квантовая теория света подтверждается многочисленными фактами, в частности таким явлением как фотоэффект.

Впервые явление фотоэффекта было открыто Герцем при изучении электрических разрядов в разреженных газах. Он обнаружил, что электрический разряд между электродами происходит при меньшем напряжении, если они освещаются ультрафиолетовым светом. Подробное же экспериментальное изучение фотоэффекта (1888-1890) было проведено русским физиком А.Г. Столетовым. Многочисленные опыты, в которых варьировались разные факторы, позволили получить ряд важных выводов, подготовивших разгадку сущности фотоэффекта. Итогом этой работы явилось открытие А.Г. Столетовым одного из законов фотоэффекта, носящего сейчас имя ученого.

Итак, фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называется разрыв связей (полное или частичное) между электронами и атомами (молекулами) в веществе под воздействием какого-либо электромагнитного излучения. Различают фотоэффект внешний и внутренний (разновидностью внутреннего фотоэффекта является вентильный фотоэффект).

При внешнем фотоэффекте свободные электроны выходят за пределы освещаемого вещества. Внешний фотоэффект наблюдается в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация), в твердых телах (металлах, полупроводниках и диэлектриках).

Квантовая природа фотоэффекта и все его экспериментальные закономерности были обоснованы известным ученым А. Энштейном в 1905 г. Он, в частности, определил закон сохранения энергии для фотоэффекта. Исходя из этого закона, внешний фотоэффект в металле можно представить состоящим из трех процессов: 1) поглощение фотона электроном проводимости, в результате чего увеличивается кинетическая энергия электрона; 2) движение электрона к поверхности тела; 3) выход электрона из металла.

Этот процесс энергетически описывается уравнением Эйнштейна:

h = A + m²/2, (2)

где h =  - энергия фотона; m²/2 – кинетическая энергия электрона, вылетевшего из металла; А - работа выхода электрона из металла.

Из уравнения видно, что энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы выхода и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии.

Если энергия фотона меньше работы выхода электрона из данного металла (h  А), то электрону поглотившему эту энергию, не удастся выйти за пределы металла. Для того чтобы происходил фотоэффект, необходимо направить на металл свет некоторой минимальной частоты _min, которая определяется из условия:

h_min = A, (3)

откуда _min = A / h.

Наименьшую частоту _min, или наибольшую длину волны света _max = c/_min = hc/A, при которой энергия фотона равна работе выхода электрона из металла, называют красной границей фотоэффекта. Если освещать металл светом большей длины волны, чем _max, то при сколь угодно большой силе света фотоэффект не возникает.

В результате исследования явления внешнего фотоэффекта были установлены три закона фотоэффекта.

1. При фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, освобождаемых светом в единицу времени, пропорционально интенсивности света (числу поглощенных за это же время фотонов) (закон Столетова).

2. Максимальная начальная скорость (максимальная начальная кинетическая энергия) фотоэлектронов определятся только частотой падающего света, и не зависит от его интенсивности.

3. Для каждого вещества существует «красная граница» фотоэффекта (_min или _max). Величина красной границы зависит от химической природы металла и состояния его поверхности.

Внутренний фотоэффект - это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу. В результате концентрация свободных носителей заряда внутри тела увеличивается, что приводит к возникновению фотопроводимости (повышению электропроводности полупроводника или диэлектрика при его освещении) или к возникновению э.д.с.

Вентильный фотоэффект – возникновение э.д.с. (фото-э.д.с.) при освещении контакта двух полупроводников с различной проводимостью или полупроводника и металла при отсутствии источника внешнего напряжения.

Сущность этого явления заключается в следующем: при контакте полупроводников p- и n- типа создается контактная разность потенциалов, которая препятствует дальнейшему переходу основных носителей через контакт: дырок - в n-область и электронов - в p-область. При освещении p–n-перехода и прилегающих к нему областей в полупроводниках наблюдается внутренний фотоэффект, т.е. образуются электронно-дырочные пары. Под действием электрического поля p–n-перехода образовавшиеся заряды разделяются: неосновные носители проникают через переход, а основные задерживаются в своей области, в результате чего накапливаются заряды и на p–n-переходе создается добавочная разность потенциалов, которую называют фото-э.д.с. (рис. 1). Значение фото-э.д.с. может достигать десятых долей вольта. При подсоединении такого полупроводника к сопротивлению (рис. 2) в цепи возникает фототок.

На явлении фотоэффекта основано действие фотоэлектронных приборов. Наиболее распространенными фотоэлектронными приборами являются фотоэлементы. Фотоэлементы – приемники излучения, работающие на основе фотоэффекта и преобразующие энергию излучения в электрическую.

Простейшим фотоэлементом, основанным на внешнем фотоэффекте, является вакуумный фотоэлемент. Вакуумный фотоэлемент состоит из источника электронов – фотокатода К, на который падает свет, и анода А. Вся система заключена в стеклянный баллон, из которого откачан воздух. Фотокатод может быть выполнен в виде двух пластин (рис.3а) или в виде фоточувствительного слоя, нанесенного на часть внутренней поверхности баллона (рис. 3б).

В качестве анода обычно используется кольцо или сетка, помещаемая в центре баллона. Фотоэлемент подключается к источнику питания. Вакуумные фотоэлементы безинерционны и для них наблюдается строгая пропорциональность фототока от интенсивности излучения. Это свойство позволяет использовать вакуумные фотоэлементы в качестве фотометрических приборов, например фотоэлектрический экспонометр, люксметр и т.д. Для увеличения интегральной чувствительности вакуумных фотоэлементов баллон заполняется разреженным инертным газом (Ar или Ne при давлении 1,3 – 3 Па). Интегральная чувствительность газонаполненных фотоэлементов (1 мА/лм) гораздо выше, чем для вакуумных (20-150 мкА/лм).

Фотоэлементы, основанные на внутреннем фотоэффекте, называемые полупроводниковыми фотоэлементами или фотосопротивлениями (фоторезисторами), обладают большей чувствительностью, чем вакуумные. Если фотокатоды вакуумных фотоэлементов имеют «красную границу» фотоэффекта не выше 1,1 мкм, то применение фотосопротивлений позволяет производить измерения в далекой инфракрасной области спектра (3-4 мкм), а также в областях рентгеновского и гамма-излучения. Недостаток фотосопротивлений - их заметная инерционность, поэтому они непригодны для регистрации быстропеременных световых потоков.

Фотоэлементы с вентильным фотоэффектом, называемые вентильными фотоэлементами (фотоэлементами с запирающим слоем), обладая, подобно элементам с внешним фотоэффектом, строгой пропорциональностью фототока от интенсивности излучения, имеют большую по сравнению с ними интегральную чувствительность (от 2 до 30 мА/лм) и не нуждаются во внешнем источнике э.д.с. К числу вентильных фотоэлементов относятся германиевые, кремниевые, селеновые, сернисто-таллиевые, сернисто-серебряные и др. Вентильные фотоэлементы применяются для создания солнечных батарей, непосредственно преобразующие солнечную энергию в электрическую.

Волновая теория света. Волновая теория распространения света была предложена Х. Гюйгенсом, который заметил много общего между звуковыми и световыми явлениями. Полное завершение этой теории была осуществлена в теоретических работах Д.К. Максвелла, который показал, что свет представляет собой короткие электромагнитные волны. Т.о. световые лучи – это направленный поток энергии этих волн. Методы измерения световой энергии составляют раздел оптики, называемый фотометрией.

Тело, которое излучает свет, называют источником света (Солнце, звезды, тело, нагретое до высокой температуры, некоторые вещества при химических реакциях и т.д.). Форма и размеры обычных источников света различны, вследствие чего световые потоки, посылаемые этими источниками в разных направлениях, могут быть не одинаковыми. Понятие точечного источника света было введено в связи с необходимостью создания эталона для характеристики источников света.