Лабораторная работа № 1 изучение основных законов внешнего фотоэффекта
Цель работы:1. Измерить основные характеристики фотоэлемента: вольт - амперную, спектральную и световую.
2. Определить красную границу фотоэффекта.
3. Определить работу выхода фотокатода и рассчитать постоянную Планка.
Введение
Внешним фотоэффектом, или фотоэлектронной эмиссией, называется явление испускания электронов веществом под действием света. Опыт показывает, что имеют место следующие основные закономерности внешнего фотоэффекта:
а) число фотоэлектронов (фототок) пропорционально числу N поглощенных веществом фотонов; последнее при постоянном спектральном составе излучения пропорционально световому потоку e. Для монохроматического излучения N = e /hυ;
б) максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой падающего света и не зависит от его интенсивности;
в) для каждого вещества при определенном состоянии его поверхности существует граничная частота света, ниже которой фотоэффект не наблюдается. Граничную частоту υ и соответствующую длину волны называют красной границей фотоэффекта.
Пользуясь квантовыми представлениями, можно объяснить явление фотоэффекта и указанные закономерности. Если металл освещается видимым или ультрафиолетовым излучением, то при внешнем фотоэффекте поглощение фотонов сопровождается вылетом электронов за пределы тела. Для того, чтобы связанные с кристаллической решеткой электроны покинули поверхность тела, они должны преодолеть потенциальный барьер, существующий вблизи поверхности тела.
Из закона сохранения энергии следует уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта:
(1.1)
где А=e —работа выхода электрона из облучаемого вещества; — потенциал выхода; — энергия фотона; m, e и υmax - масса, заряд и максимальная скорость фотоэлектрона. Из соотношения (1.1) следует, что энергия фотоэлектрона пропорциональна частоте света, и фотоэффект возможен только при частоте
Частоту называют красной границей фотоэффекта. Красная граница, как и работа выхода, зависит от химической природы вещества (металла) и состояния его поверхности. Величина ω0 для щелочных металлов соответствует видимой области спектра, для большинства других металлов — ультрафиолетовой части спектра.
В рассмотренном выше явлении фотоэффекта электрон получает энергию лишь от одного фотона. Такие процессы называются однофотонными. В случае применения мощных лазеров возможно наблюдение многофотонного фотоэффекта, когда электрон получает энергию нескольких фотонов.
Рис. 1.1..
В данной работе предлагается исследовать следующие основные характеристики фотоэлемента.
1 . Вольт - амперная характеристика — зависимость фототока от напряжения на фотоэлементе при постоянном световом потоке Ф. На рис. 1.2. показаны две вольт - амперные характеристики, полученные для различных значений Ф (Ф2 > Ф1). При некотором ускоряющем напряжении (U > 0) фототок достигает насыщения. Сила тока насыщения iнас зависит от интенсивности светового потока. При перемене знака потенциалов на электродах (U < 0), т.е. при задерживающем фотоэлектроны напряжении, с увеличением (по абсолютной величине) U фототок уменьшается и при некотором напряжении Uз падает до нуля. Напряжение Uз, при котором фототок обращается в нуль, называется задерживающим напряжением. Плавный ход кривых показывает, что электроны вылетают из фотокатода с различными по величине скоростями. При задерживающем напряжении Uз ни одному из электронов, даже обладающему при вылете из катода наибольшим значением скорости υmax, не удастся преодолеть задерживающее поле и достигнуть анода. Измерив задерживающее напряжение Uз, можно определить максимальное значение скорости фотоэлектронов:
(1.2)
Из соотношений (1.1) и (1.2) получаем:
(1.3).
Построив полученную экспериментально зависимость задерживающего напряжения от частоты света Uз(), можно определить из графика (рис. 1.3) отношение , как тангенс угла наклона прямой. Точка пересечения прямой с осью частот определяет красную границу фотоэффекта 0. Умножив 0 на отношение ,получим потенциал выхода для вещества, из которого сделан фотокатод.
2. Световая характеристика — зависимость фототока I от световою потока Ф при постоянном напряжении на фотоэлементе и неизменном спектральном составе света. Световая характеристика снимается при напряжении U, соответствующем току насыщения.
3. Спектральная характеристика — зависимость фототока I от частоты света при постоянном световом потоке Ф и постоянном напряжении на фотоэлементе U. Спектральная характеристика снимается при напряжении U, соответствующем току насыщения.
По мере увеличения частоты от 0 до некоторого max, число фотоэлектронов растет, так как в фотоэффекте начинают участвовать электроны, имеющие малые энергии в металле. При частотах, больших max, фототок уменьшается, так как при этом начинает уменьшаться вероятность поглощения квантов света электронами.