КРИВОРІЗЬКИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ФІЗИКИ

Лабораторна робота № 7 вивчення властивостей фотоелемента

Кривий Ріг

2010

Мета роботи:

1. Ознайомитись із явищем зовнішнього фотоефекту.

2. Дослідити вольт-амперну характеристику фотоелемента.

3. Побудувати світлову характеристику фотоелемента.

4. Визначити чутливість фотоелемента.

Прилади і обладнання: фотоелемент, джерело світла (лампа), оптична лава, блок живлення фотоелемента, мікроамперметр, вольтметр, регульований опір, випрямляч.

Короткі теоретичні відомості

Поглинання електромагнітного випромінювання речовиною часто супроводжується фотоелектричними явищами. До них належить зовнішній фотоефект – явище виривання електронів з речовини під дією світла. Зовнішній фотоефект спостерігається у твердих тілах, а також у газах..

Фотоефект відкрив у 1887 році Г. Герц, а перші фундаментальні дослідження фотоефекту виконав О.Т. Столєтов.

Дослідами встановлено закони зовнішнього фотоефекту:

І. Закон Столєтова: при фіксованій частоті падаючого світла, кількість фотоелектронів, що вириваються із катода за одиницю часу пропорційна до інтенсивності світла (сила фотоструму насичення пропорційна до енергетичної освітленості катода).

ІІ. Максимальна початкова швидкість (максимальна початкова кінетична енергія) фотоелектронів не залежить від інтенсивності падаючого світла, а визначається лише його частотою.

ІІІ. Для кожної речовини існує «червона межа» фотоефекту, тобто мінімальна частота ν₀ падаючого світла, нижче від якої фотоефект неможливий. Значення ν₀ залежить від хімічної природи речовини і стану її поверхні.

А. Ейнштейн у 1905 р. показав, що явище фотоефекту і його закони можна пояснити за допомогою запропонованої ним квантової теорії фотоефекту: світло з частотою ν не лише випромінюється, але і поширюється у просторі, і поглинається речовиною у вигляді окремих порцій (квантів), енергія яких , де h – стала Планка. Поширення світла треба розглядати не як неперервний хвильовий процес, а як потік локалізованих у просторі дискретних світлових квантів, що рухаються у вакуумі із швидкістю світла. Ці кванти отримали назву фотонів.

За Ейнштейном, кожен фотон поглинається лише одним електроном. Тому кількість вирваних фотоелектронів повинна бути пропорційна до кількості поглинутих фотонів, тобто пропорційна до інтенсивності світла (перший закон фотоефекту).

При зовнішньому фотоефекті фотон поглинається електроном провідності металу і одержує його енергію hν повністю. Енергія фотона витрачається на виконання електроном роботи виходу А з металу (таблична величина) і на надання електрону, що вилітає з металу максимальної початкової кінетичної енергії . Енергетичний баланс цієї взаємодії описується рівнянням Ейнштейна для зовнішнього фотоефекту:

. (7.1)

Рівняння Ейнштейна дає змогу пояснити другий і третій закони фотоефекту. Максимальна кінетична енергія фотоелектрона лінійно зростає із збільшенням частоти падаючого світла і не залежить від його інтенсивності, оскільки ні робота виходу А, ні частота ν від інтенсивності світла не залежать (другий закон). Оскільки із зменшенням частоти світла кінетична енергія фотоелектрона зменшується, то при деякій досить малій частоті кінетична енергія фотоелектрона буде дорівнювати нулю. Енергії кванта вистачить тільки на те, щоб вирвати електрон з металу. Отже,

. (7.2)

Таким чином, значення «червоної межі» ν₀ залежить лише від роботи виходу електрона з металу, тобто від хімічної природи речовини і стану її поверхні (третій закон).

Прилади, в яких використовується явище фотоефекту, називаються фотоелементами.