Изучение явления фотоэффекта с помощью вакуумного фотоэлемента

Ц е л ь р а б о т ы :Изучить законы внешнего фотоэффекта.

О б о р у д о в а н и е : Скамья оптическая, источник постоянного тока, вольтметр, амперметр, гальванометр.

Теоретические сведения

Под действием света из некоторых металлов вылетают электроны. Это явление получило название внешнего фотоэффекта.

Впервые явление внешнего фотоэффекта было исследовано профессором Московского университета А.Г. Столетовым в 1888 году.

Наиболее полное теоретическое обоснование эффект находит в квантовой теории. Световой поток рассматривается как поток квантов с энергией и массой , где - постоянная Планка, - частота, - скорость света.

На основе квантовых представлений А. Эйнштейном было получено уравнение фотоэффекта:

,

где hn - энергия падающего кванта; E_k - кинетическая энергия электрона; A - энергия связи электрона в веществе (работа выхода).

Если hnÐA, то электроны из металла вылетать не будут. Частота n = n₀, при которой фотоэффект только начинается, определяет порог эффекта или красную границу.

Для порога фотоэффекта hn₀ = A.

Для внешнего фотоэффекта имеют место следующие законы:

1. Скорость фотоэлектрона зависит от частоты n падающего света и не зависит от его интенсивности

2. Число фотоэлектронов, вылетающих в единицу времени с единицы поверхности при l= const, пропорционально интенсивности потока излучения.

Названные выше закономерности изучаются в данной работе с помощью вакуумного фотоэлемента.

Фотоэлемент (рис.19) состоит из стеклянного или кварцевого баллона, покрытого внутри светочувствительным слоем металла. В центре баллона укреплен маленький электрод в виде сетки или кольца. Светочувствительный слой фотоэлемента для видимого света приготавливается из щелочных металлов: калия, натрия, рубидия или цезия. На светочувствительный слой подается отрицательный потенциал от источника постоянного напряжения. Поэтому светочувствительный слой является катодом, а центральный электрод – анодом фотоэлемента.

При освещении фотоэлемента вырванные из катода электроны ускоряются электрическим полем и, попадая на анод, замыкают цепь источника постоянного напряжения. При увеличении анодного напряжения ток в вакуумном элементе может достигнуть насыщения, при этом все электроны, эмитированные катодом, достигают анода.

При неизменном анодном напряжении фототок пропорционален числу электронов, эмитированных катодом в единицу времени.

Фототок пропорционален величине светового потока и, следовательно, освещенности фотоэлемента:

кд/м² ,

где I - сила света источника; r - расстояние от фотоэлемента до источника.

Одной из важнейших характеристик фотоэлемента является чувствительность.

Чувствительность фотоэлемента – это величина фототока, отнесенная к единице падающего светового потока:

мА/лм.

Чувствительность фотоэлемента зависит от величины анодного напряжения и спектрального состава света. Ее можно вычислить, измерив силу фототока и подсчитав величину падающего светового потока:

,

где Ф₀ - световой поток, испускаемый источником; S - площадь окошка фотоэлемента.

Световой поток, испускаемый источником, рассчитывается по формуле

,

где k =11,87 лм/Вт - световая отдача; W =250 Вт - мощность лампы.

Окончательная формула для определения величины падающего светового потока

,

где d - диаметр окошка фотоэлемента.

Описание установки

Рис.20

Блок-схема установки приведена на рисунке 20. Установка состоит из источника постоянного тока, источника тока для лампы накаливания, микроамперметра и вольтметра.