II. Методика работы

Внешним фотоэффектом называется явление вырывания электро­нов из металлов под действием света. Внутренний фотоэффект наблюдается в полупроводниках, когда в них под воздействием света возникает фотопроводимость.

Для внешнего фотоэффекта (в случае вакуумного фотоэлемента) имеют место следующие закономерности, установленные экспериментально в конце XIX века А.Г. Столетовым:

1. При неизменном световом потоке фототок зависит от напряжения между катодом и анодом.

По мере увеличения анодного напряжения U_A, все больше количество электронов будут попадать на анод, т.е. фототок будет нарастать. Когда U_A достигнет такой величины, что все вырываемые электроны будут попадать на анод, то дальнейшее увеличение анодного напряжения не вызовет увеличения фототока, фототок достигнет насыщения.

2. Фототок пропорционален световому потоку (измеряется в люменах):

, (14.1)

где коэффициент пропорциональности , равный фототоку, отнесенному к единице светового потока, называется интегральной чувствительностью фотоэлемента:

(14.2)

и измеряется в амперах на люмен.

3. Кинетическая энергия вылетающего электрона зависит от частоты падающего света и не зависит от величины светового по­тока и температуры. Она линейно растет с увеличением частоты,

4. Фототок следует практически безынерционно за изменением светового потока.

С квантовой точки зрения, при падении фотонов на поверхность металла происходит соударение фотона с электроном металла. Фо­тон отдает электрону всю свою энергию . Эта энергия идет на то, чтобы вырвать электрон из металла и сообщить ему кинетическую энергию. В соответствии с законом сохранения энергии уравнение для внешнего фотоэффекта, вызываемого фотонами УФ и видимого диапазона (для фотонов высоких энергий нужно применять релятивистский подход), имеет вид (уравнение Эйнштейна):

, (14.3)

где – энергия фотона; А - работа выхода электрона из металла; – максимальная кинетическая энергия выбитого из металла электрона (m и V – соответственно масса и скорость электрона).

Предельное значение частоты света или соответствующей ей длины волны , при котором исчезает фототок, называется порогом или красной границей фотоэффекта.

В соответствии с (14.3) это имеет место при условии, что энергии кванта хватает только для совершения работы выхода. Следовательно, кинетическая энергия фотоэлектрона и, согласно (14.3), пороговая частота:

, (14.4)

где – постоянная Планка.

Так как

, (14.5)

где С - скорость света в вакууме, то зная , можно найти работу выхода электрона:

, (14.6)

Работа выхода обычно выражается в специальных единицах – электрон-вольтах (1эВ=1,6∙10^-19 Дж). Поэтому

, (14.7)

где надо брать в системе СИ.

Если считать источник света практически точечным с равномерным распределением света, то световой поток, падающий на светочувствительную поверхность S фотоэлемента, будет равен:

, (14.8)

где J – сила света эталонной лампы. (Если мощность, указанная на лампочке, например, 60 Вт, то J=60 кд. 1кд(кандела) – единица силы света).

Изменяя r между лампой и фотоэлементом, а значит и световой поток , падающий на фотоэлемент (при строгом контроле напряжения на зажимах фотоэлемента и эталонной лампы), определяют световую характеристику фотоэлемента

В настоящей работе поставлены задачи:

1. Определение зависимости фототока от анодного напряжения (при

постоянном световом потоке ), которую называют вольтамперной характеристикой фотоэлемента: . В этом случае расстояние на оптической скамье между фотоэлементом и источником света остается все время постоянным (r=const).

2. Определение зависимости фототока от светового потока (при постоянном напряжении на аноде), называемой световой характеристикой фотоэлемента: .

№ п/п	Вольтамперная характеристика	Световая Характеристика	Чувств-тель-ность
	=… см	J=…кд	S= … см2	=…В	J= …кд	, мкА/лм
, B	, мкА	, см	,мкА	Ф, лм
…
	=….	=…

3. (Дополнительное задание). Определение средней чувствительности фотоэлемента . Определение производится по формуле:

, (14.9)

с использованием полученной световой характеристики .