СНЯТИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ФОТОЭЛЕМЕНТА

ИЗУЧЕНИЕ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА И

Фотоэффект – это испускание электронов веществом при его освещении. Фотоэффект был открыт в 1887 г. немецким физиком Г. Герцем. Фотоэффект принадлежит к числу явлений, в которых обнаруживаются корпускулярные свойства света.

Согласно квантовой теории свет – это поток фотонов (квантов). Энергия фотона равна:

, (1)

где:

h – постоянная Планка;

- частота света.

Различают внешний и внутренний фотоэффект. При внешнем фотоэффекте электроны покидают поверхность освещенного тела; при внутреннем фотоэффекте, наблюдаемом в диэлектриках и полупроводниках, электроны перераспределяются по энергетическим уровням, что проявляется в увеличении электропроводности вещества.

Первые фундаментальные исследования внешнего фотоэффекта были выполнены А. Г. Столетовым (1888 г.). Он установил следующие основные законы:

1. Величина фототока насыщения пропорциональна световому потоку при неизменном его спектральном составе.

2. Максимальная скорость фотоэлектронов зависит для данного вещества лишь от частоты падающего света и не зависит от светового потока.

3. Для каждого вещества существует минимальная частота света, ниже которой фотоэффект не происходит. Эта частота называется красной границей (порогом) фотоэффекта.

4. Фотоэффект практически безинерционен.

Первое теоретическое объяснение законов фотоэффекта дал А. Эйнштейн (1905 г.). Эйнштейн показал, что все закономерности фотоэффекта легко объясняются, если предположить, что свет поглощается такими же порциями (квантами), какими он, по предположению Планка, испускается. По мысли Эйнштейна, энергия, полученная электроном, доставляется ему в виде кванта , который усваивается им целиком. Часть этой энергии, равная работе А выхода, затрачивается на то, чтобы электрон мог покинуть тело. Остаток энергии образует кинетическую энергию ( ) электрона, покинувшего вещество.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта (2), представляющее собой закон сохранения энергии, читается и записывается так:

Энергия фотона ( ) идет на работу (А) по вырыванию электрона из металла и на сообщение электрону кинетической энергии ( ).

=А+ , (2)

где:

- максимальная скорость вылета электрона;

m – масса электрона.

Приборы, в основе действия которых лежит явление фотоэффекта, получили название фотоэлементов. Фотоэлементы очень разнообразны по своей конструкции и типу и находят широкое применение в технике. Фотоэлементы с внешним фотоэффектом бывают вакуумные и газонаполненные.

Простейший фотоэлемент представляет собой стеклянный баллон, одна половина которого покрыта изнутри металлом, играющим роль фотокатода К. Анод А обычно выполняется в виде кольца (шарика).

Между катодом и анодом с помощью источника постоянного тока создается разность потенциалов.

Рис. №1

При неосвещенном катоде ток в цепи фотоэлемента отсутствует. Если катод осветить, то кванты света будут вырывать из катода электроны, которые под действием ускоряющего электрического поля устремятся к аноду. В цепи фотоэлемента появится электрический ток (фототок). Величина фототока зависит от светового потока, а также растет с увеличением напряжения. Но при определенном напряжении (у вакуумного фотоэлемента) достигает насыщения и дальнейшее увеличение напряжения не приводит к увеличению тока.

Зависимость фототока от анодного напряжения (при постоянном световом потоке) называется вольтамперной характеристикой фотоэлемента (см. рис.2)

.

Рис.2

Пологий ход кривой указывает на то, что электроны вылетают из катода с различными скоростчями. Доля электронов, отвечающая силе тока при U=0, обладает скоростями, достаточными для того, чтобы долететь до анода «самостоятельно», без помощи ускоряющего поля. Для обращения силы тока в нуль нужно приложить задерживающее напряжение U_з. При таком напряжении ни одному из электронов, даже обладающему при вылете из катода наибольшим значением скорости , не удается преодолеть задерживающее поле анода, Поэтому:

_.(3)

Таким образом, измерив задерживающее напряжение U_з можно определить максимальное значение скорости фотоэлектронов.

. (4)

Зная максимальные значения скорости фотоэлектронов V_max1 и V_max2, вылетающих из поверхности металла при облучении ее светом с частотой ν₁ и ν₂ , можно определить постоянную планка h.

Запишем уравнение Энштейна для фотоэффектов в этих случаях:

(5)

(6)

Вычтем из уравнения (5) уравнение (6) и найдем h.

.

С учетом того, что получим: . (7)