Меню

При внешнем задерживающем напряжении фототок

При внешнем задерживающем напряжении фототок

Гипотеза Планка, блестяще решившая задачу теплового излучения черного тела, получила подтверждение и дальнейшее развитие при объяснении фотоэффекта – явления, открытие и исследование которого сыграло важную роль в становлении квантовой теории. В 1887 году Г. Герц обнаружил, что при освещении отрицательного электрода ультрафиолетовыми лучами разряд между электродами происходит при меньшем напряжении. Это явление, как показали опыты В. Гальвакса (1888 г.) и А.Г. Столетова (1888–1890 гг.), обусловлено выбиванием под действием света отрицательных зарядов из электрода. Электрон еще не был открыт. Лишь в 1898 году Дж.Дж. Томпсон и Ф. Леонард, измерив удельный заряд испускаемых телом частиц, установили, что это электроны.

Различают фотоэффект внешний, внутренний, вентильный и многофотонный фотоэффект.

Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Внешний фотоэффект наблюдается в твердых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриках), а также в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация).

Вентильный фотоэффект является разновидностью внутреннего фотоэффекта, – это возникновение ЭДС (фото ЭДС) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего электрического поля). Вентильный фотоэффект открывает пути для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую.

Многофотонный фотоэффект возможен, если интенсивность света очень большая (например, при использовании лазерных пучков). При этом электрон, испускаемый металлом, может одновременно получить энергию не от одного, а от нескольких фотонов.

Первые фундаментальные исследования фотоэффекта выполнены русским ученым А.Г. Столетовым. Принципиальная схема для исследования фотоэффекта приведена на рис. 2.1.

Рис. 2.1 Рис. 2.2

Два электрода (катод К из исследуемого материала и анод А, в качестве которого Столетов применял металлическую сетку) в вакуумной трубке подключены к батарее так, что с помощью потенциометра R можно изменять не только значение, но и знак подаваемого на них напряжения. Ток, возникающий при освещении катода монохроматическим светом (через кварцевое стекло), измеряется включенным в цепь миллиамперметром.

В 1899 г. Дж. Дж. Томпсон и Ф. Ленард доказали, что при фотоэффекте свет выбивает из вещества электроны.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) фотоэффекта – зависимость фототока I, образуемого потоком электронов, от напряжения, – приведена на рис. 2.2.

Такая зависимость соответствует двум различным энергетическим освещенностям катода (частота света в обоих случаях одинакова). По мере увеличения U фототок постепенно возрастает, т.е. все большее число фотоэлектронов достигает анода. Пологий характер кривых показывает, что электроны вылетают из катода с различными скоростями.

Максимальное значение фототока насыщения определяется таким значением напряжения U, при котором все электроны, испускаемые катодом, достигают анода:

где n – число электронов, испускаемых катодом в 1 с.

Из ВАХ следует, при U = 0 фототок не исчезает. Следовательно, электроны, выбитые из катода, обладают некоторой начальной скоростью υ, а значит и отличной от нуля кинетической энергией, поэтому они могут достигнуть катода без внешнего поля. Для того, чтобы фототок стал равным нулю, необходимо приложить задерживающее напряжение . При ни один из электронов, даже обладающий при вылете из катода максимальной скоростью , не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода. Следовательно,

т.е. замерив задерживающее напряжение , можно определить максимальные значения скорости и кинетической энергии фотоэлектрона.

При изучении ВАХ разнообразных материалов при разных частотах падающего на катод излучения и разных энергетических освещенностях катода и обобщении полученных данных были установлены три закона внешнего фотоэффекта.

Источник



Определение зависимости фототока от напряжения и светового потока

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: определение зависимости фототока от напряжения и светового потока. Определение фототока насыщения. Определение задерживающего напряжения и его зависимость от частоты света. Определение работы выхода электрона.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ.

Явление вырывания электронов из твердых и жидких веществ под действием света называется явлением внешнего фотоэффекта. Приборы, действие которых основано на использовании фотоэффекта, называются фотоэлементами.

В лабораторной работе для исследования явления фотоэффекта используется электрическая схема (рис.1) с применением фотоэлемента Ф, источника питания U и измерительных приборов: гальванометра Г и вольтметра V. При освещении фо­тоэлемента энергия фотонов света передается частицам вещества катода, в ре­зультате чего из катода вырываются электроны и создают в цепи электрический ток, который называется фототоком.

Явление фотоэффекта зависит от химической природы металла, а также от со­стояния его поверхности. Наличие загрязнения поверхности металла существенно влияет на эмиссию электронов под действием света. Поэтому катод К и анод А помещены в вакуумный стеклянный баллон.

На рис. 2 показаны кривые зависимости силы фототока I от напряжения U, со­ответствующие двум различным освещенностям катода: Е 1 и Е 2 > Е 1. Частота све­та в обоих случаях одинакова. При увеличении напряжения U между анодом и ка­тодом фототок I также увеличивается, так как все большее число электронов вы­рвавшихся из катода достигают анода. Максимальное значение тока I н, называе­мое фототоком насыщения, соответствует таким значениям напряжения U, при которых все электроны, выбиваемые из катода, достигают анода.

Фототок прекращается, когда между анодом и катодом устанавливается отри­цательное задерживающее напряжение — U 3. Существование фототока в области отрицательных напряжений от 0 до — U 3 объясняется тем, что электроны, выбитые светом из катода, обладают отличной от нуля начальной кинетической энергией. За счет этой энергии электроны могут совершать работу против сил задерживаю­щего электрического поля и достигать анода. Максимальная начальная скорость n max фотоэлектронов связана с U 3 соотношением

где е и m— заряд и масса электрона. При U £ U 3 фототок I = 0.

Опытным путем установлены следующие основные законы внешнего фотоэф­фекта:

  1. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов определяется частотой света и не зависит от его интенсивности.
  2. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. мини­мальная частота n 0 света, при которой еще возможен внешний фотоэффект. Вели­чина n 0 зависит от химической природы вещества и состояния его поверхности.
  3. Число фотоэлектронов n, вырываемых из катода за единицу времени, про­порционально интенсивности света (фототок насыщения пропорционален энерге­тической освещенности Е катода).

В соответствии с законом сохранения энергии максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона:

где h n — энергия, приобретенная электроном в результате поглощения фотона;

А – работа, которую должен совершить электрон для выхода из металла;

n — частота монохроматического излучения;

h = 6,62*10 -34 Дж*с – постоянная Планка.

Это уравнение называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Уравнение позволяет легко объяснить все основные законы внешнего фотоэффекта для металлов. В самом деле, из (2) следует, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона зависит не от интенсивности, а от частоты света и работы выхода А. Внешний фотоэффект возможен только в том случае, если энергия фотона h n больше или, в крайнем случае, равна А. Следовательно, соответствующая красной границе фотоэффекта частота . Она зависит только от работы выхода электрона, т.е. от химической природы металла и состояния его поверхности.

Общее число электронов n, вылетающих за единицу времени, пропорционально числу фотонов , падающих за то же время на поверхность катода.

Для плоского катода, равномерно освещаемого монохроматическим светом с частотой n, , где Е – освещенность, пропорциональная интенсивности света. Таким образом, в соответствии с третьим законом фотоэффекта число фото­электронов, вылетающих из катода за единицу времени, пропорционально интен­сивности света.

Исходя из формул (1), (2) можно определить работу выхода электрона:

Фотоэффект широко используется в науке и технике для регистрации и изме­рения световых потоков, для непосредственного преобразования энергии света в энергию электрического тока, для преобразования световых сигналов в электри­ческие.

Установка (рис.3) включает в себя вакуумный фотоэлемент 1 в пластмассовом корпусе, осветитель 2, источник питания фотоэлемента 3, оптическую скамью 4, блок питания осветителя 12 (БП-I).

Вакуумный фотоэлемент 1 представляет собой стеклянный баллон, из которо­го выкачан воздух. Часть внутренней поверхности баллона покрыта слоем метал­ла, играющего роль фотокатода. В качестве анода используется металлическое кольцо или редкая сетка. При освещении катода из него, вследствие внешнего фо­тоэффекта, выбиваются электроны. В результате, под действием внешнего напря­жения, в цепи возникает электрический ток.

Пластмассовый корпус фотоэлемента имеет отверстие для вставки свето­фильтров. Вращением корпуса можно закрывать фотоэлемент от источника света.

Для выполнения лабораторной работы используются осветители двух типов. При выполнении первой части работы (определение токов насыщения) в качестве осветителя 2 применяется лампа накаливания (8 вольт) с конденсором. Освети­тель подключается к сети 220 В через блок питания 12 (БП-I). На блоке имеется ручка 13 для плавной регулировки яркости и выключатель 14. Вторая часть рабо­ты (определение задерживающего напряжения) выполняется с ультрафиолетовым осветителем «Фотон», который устанавливается вместо первого осветителя и ра­ботает непосредственно от сети 220 В.

Источник

VI. Квантовая физика

Тестирование онлайн

Фотоэлектрический эффект

Фотоэффектом называется явление взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, в результате которого энергия излучения передается электронам вещества. Если фотоэффект сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества, то его называют внешним фотоэффектом или фотоэлектронной эмиссией, а вылетающие электроны — фотоэлектронами. Если фотоэффект не сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества, то его называют внутренним.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта

На основе квантовых представлений Эйнштейн объяснил фотоэффект. Электрон внутри металла после поглощения одного фотона получает порцию энергии и стремится вылететь за пределы кристаллической решетки, т.е. покинуть поверхность твердого тела. При этом часть полученной энергии он израсходует на совершение работы по преодолению сил, удерживающих его внутри вещества. Остаток энергии будет равен кинетической энергии электрона:

Законы внешнего фотоэффекта

Столетовым Александром Григорьевичем (1839 — 1896) экспериментально были установлены законы внешнего фотоэффекта.

Первый закон фотоэффекта: фототок насыщения — максимальное число фотоэлектронов, вырываемых из вещества за единицу времени, — прямо пропорционален интенсивности падающего излучения.

Увеличение интенсивности света означает увеличение числа падающих фотонов, которые выбивают с поверхности металла больше электронов.

Второй закон фотоэффекта: максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего излучения и линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения.

Известно, что фототоком можно управлять, подавая на металлические пластины различные напряжения. Если на систему подать небольшое напряжение обратной полярности, «затрудняющее» вылет электронов, то ток уменьшится, так как фотоэлектронам, кроме работы выхода, придется совершать дополнительную работу против сил электрического поля. Максимальная кинетическая энергия электронов выражается через задерживающее напряжение:

Третий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует граничная частота такая, что излучение меньшей частоты не вызывает фотоэффекта, какой бы ни была интенсивность падающего излучения. Эта минимальная частота излучения называется красной границей фотоэффекта.

Для большинства веществ фотоэффект возникает только под действием ультрафиолетового излучения. Однако некоторые металлы, например, литий, натрий и калий, испускают электроны и при облучении видимым светом.

Источник

Читайте также:  Преобразователи напряжения инверторы для бесперебойного питания