Лабораторная работа № 16
ИЗУЧЕНИЕ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА

Цель работы. Изучение законов внешнего фотоэффекта с помощью вакуумного фотоэлемента.

Краткая теория

Внешним фотоэлектрическим эффектом (в дальнейшем просто фотоэффектом) называется эмиссия электронов с поверхности тел (обычно металлов) в свободное пространство, вызванное излучением, падающим на эту поверхность. Вакуумные фотоэлементы в настоящее время широко используются для измерения слабых световых потоков, в звуковом кино, телевидении, фотометрии для измерения светового потока и освещенности, что используется в санитарно-гигиенической практике.

Объяснение закона внешнего фотоэффекта может быть дано с помощью квантовой теории оптического излучения.

Внешний фотоэффект можно наблюдать у металлов. При освещении металла фотон поглощается свободным электроном, при этом увеличивается кинетическая энергия электрона. Если энергия фотона превышает работу выхода электрона, то электрон выходит из металла. Этот процесс описывается уравнением Эйнштейна, основанном на законе сохранения энергии

.(1)

где h - постоянная Планка; - частота падающего света; - энергия фотона; А - работа выхода электрона из металла, т - масса электрона; v - максимальная скорость, с которой электрон вылетает из металла; - кинетическая энергия электрона.

Опытным путем были установлены три закона фотоэффекта:

1. Число фотоэлектронов, вырываемых с поверхности металла за единицу времени, пропорционально световому потоку излучения, падающему на металл, при данном спектральном составе излучения (закон Столетова).

2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлементов определяется частотой падающего света и не зависит от его интенсивности.

3. Для каждого металла существует красная граница фотоэффекта, то есть максимальная длина волны падающего на металл света, при которой еще возможен фотоэффект.

Величина зависит от химической природы металла и состояния его поверхности и определяется из уравнения Эйнштейна.

Электрон может выйти за пределы металла, если сообщенная ему энергия не меньше работы выхода, то есть , где - минимальная частота света, при которой еще возможен фотоэффект. Так как , то .

Описание экспериментальной установки

Схема установки для изучения внешнего фотоэффекта представлена на рис. 1.

Установка состоит из лампы накаливания Л, питаемой от блока питания В1, светофильтра С, вакуумного фотоэлемента Э, гальванометра G, вольтметра V, потенциометра П, выключателя a и выпрямителя В2.

Вакуумный фотоэлемент Э представляет собой стеклянный баллон, внутри которого закреплены два металлических электрода: фотокатод К и анод А. Баллон откачан до высокого вакуума. На фотокатод через окно О источника света падает поток монохроматического излучения, выделяемый с помощью светофильтра С. Лампа Л и фотоэлемент Э находятся внутри светонепроницаемого кожуха Н. Расстояние r между лампой Л и фотоэлементом может изменяться.

Порядок выполнения работы

Упражнение 1. Снятие вольт-амперной характеристики вакуумного фотоэлемента.

Снять зависимость фототока от напряжения между катодом и анодом фотоэлемента при двух расстояниях и между источником света Л и фотоэлементом Э для желтого, зеленого и красного света. Результаты измерения записать в Таблицу 1.

Таблица 1.

Ua(B)

Icp(m A)

1

3

5

10

20

30

40

Без

фильтра

r1= 0,2 м

             

r2= 0,4 м

             

Красный

r1= 0,2 м

             

r2= 0,4 м

             

Желтый

r1= 0,2 м

             

r2= 0,4 м

             

Зеленый

r1= 0,2 м

             

r2 = 0,4 м

             

Результаты измерений представить в виде графиков зависимостей фототока от напряжения , откладывая по оси абсцисс графика величины анодного напряжения , а по оси ординат величины фототока . Объясните результаты измерений.

Упражнение 2. Проверка закона Столетова для красной, зеленой и желтой областей спектра видимого света.

Закон Столетова показывает, что максимальный фототок, то есть ток насыщения, прямо пропорционален потоку оптического излучения

, (2)

где - фототок насыщения, протекающий через вакуумный фотоэлемент с внешним фотоэффектом; Ф - световой поток излучения, падающий на фотокатод К; D - коэффициент пропорциональности.

Таким образом, чтобы проверить этот закон, нам необходимо оценить поток излучения в наших опытах.

В экспериментальной установке, показанной на рис. 1, поток излучения можно определить по следующей формуле

,(3)

где Е - освещенность фотокатода; - площадь светочувствительной поверхности фотокатода К; I - энергетическая сила лампы Л.

Подставляя (3) в (2), получим формулу зависимости фототока от расстояния

,(4)

где . Так как - постоянная величина в опыте, то сила фототока будет пропорциональна величине .

Таблица 2

r(см)

I (m А)

15

20

30

40

50

60

красный

           

желтый

           

зеленый

           

           

Устанавливают перед фотоэлементом любой светофильтр С и перемещают фотоэлемент на расстояние r = 20 см от лампы. Включают ключом a источник напряжения В2 и при помощи потенциометра П устанавливают анодное напряжение такой величины, чтобы фототок достиг максимального значения. Это максимальное значение анодного напряжения оставляют постоянным при измерениях фототока от расстояния для всех фильтров. В этом случае все электроны, вырванные с катода фотоэлемента К потоком оптического излучения, попадают на анод А фотоэлемента. Измерение зависимости от расстояния r проводят для излучения в красной, зеленой и желтой областях спектра.

Данные опытов занести в таблицу 2, представить в виде графика для каждой длины волны и объяснить результаты опытов.

Вопросы для самоконтроля

  1. В чём состоит явление внешнего фотоэффекта? Когда и кем оно было открыто, исследовано?
  2. Назовите законы внешнего фотоэффекта.
  3. Какие из законов внешнего фотоэффекта классическая физика объяснить не может?
  4. Объясните наличие на вольт-амперной характеристике фотоэлемента тока насыщения, т.е. горизонтального участка на кривой I(U), соответствующего независимости силы фототока от приложенного к фотоэлементу напряжения.
  5. Объясните, почему при включении в электрическую цепь вакуумного фотоэлемента перестаёт выполняться закон Ома (о чём свидетельствует ход его вольт-амперной характеристики).
  6. Объясните, каким образом А.Г. Столетов определял число фотоэлектронов, вырываемых (extracted) светом данной интенсивности из катода?
  7. Объясните, каким образом А.Г. Столетов определял максимальную скорость фотоэлектронов, чтобы сформулировать 2-й закон фотоэффекта.
  8. Почему сила фототока насыщения обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника света до фотоэлемента?
  9. Что понимают под термином "красная граница" и почему эта граница красная (а не зелёная, например)?
  10. В чём состояла квантовая гипотеза Макса Планка?
  11. В чём состояла фотонная теория А. Эйнштейна? Напишите уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Объясните физический смысл слагаемых этого уравнения.
  12. Объясните природу работы выхода А фотоэлектронов, т.е. против какой силы (сил) свободный электрон должен "поработать", чтобы выйти за пределы металлического предмета?