Вольтамперная характеристика фотоэлемента с внешним фотоэффектом

На рис.2 приведена вольтамперная характеристика вакуумного фотоэлемента, соответствующая двум различным освещенностям фотокатода (частота падающего света в обоих случаях одинакова). По мере увеличения напряжения 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 I_нас – фототок насыщения – определяется

таким значением напряжения, при котором все электроны, испускаемые катодом, достигают анода. I_нас=e*n (n - число электронов, испускаемых фотокатодом в ед. времени).

Из вольтамперной характеристики следует, что при напряжении, равном нулю, фототок не исчезает, т.к. электроны, выбитые светом из катода, обладают некоторой начальной кинетической энергией (в соответствие с уравнением (1)) и могут достигнуть анода без внешнего поля. Для того, чтобы фототок стал равным нулю, необходимо приложить задерживающее напряжение U₀. При U=U₀ ни один из электронов, даже обладающий при вылете из катода максимальной скоростью v_max, не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода. Следовательно,

(3)

Таким образом, измерив U₀, можно найти максимальное значение скорости и кинетической энергии фотоэлектронов. С учетом выражений (1,2) уравнение (3) можно представить в виде

(4)

Вольтамперные характеристики газонаполненных фотоэлементов (рис.3) резко отличаются от характеристик вакуумных фотоэлементов. Для газонаполненных фотоэлементов вольтамперная характеристика не имеет тока насыщения (кривая зависимости силы фототока от напряжения пологая вначале, затем круто поднимается вверх). Это объясняется процессом ионизации инертного газа, находящегося внутри колбы фотоэлемента.

Спектральная характеристика фотоэлемента

В зависимости от вида спектральной характеристики различают нормальный и селективный (избирательный) фотоэффект. Фотоэффект называется нормальным, если величина фототока убывает с увеличением длины волны (см. рис.4а). Селективным или избирательным называется фотоэффект, при котором сила фототока имеет резко выраженные максимумы для определенных длин волн, характерных для данного вещества фотокатода (см. рис.4б). По спектральной характеристике можно судить, с каким источником лучистой энергии наиболее целесообразно использовать данный фотоэлемент.

		б
		а
	Рис.4. Спектральные характеристики фотоэлементов с нормальным (а) и селективным (б) фотоэффектом.

Изучение характеристик фотоэлемента ЦГ-4

В настоящей работе требуется снять вольтамперную и спектральную характеристики цезиевого газонаполненного фотоэлемента ЦГ-4, в котором имеет место явление внешнего фотоэффекта. Оба эксперимента проводятся с использованием монохроматора УМ-2.

Принципиальная схема призменного монохроматора приведена на рис.5. Лучи света от лампочки накаливания (1) через защитное стекло кожуха лампы (2) и конденсор (3) поступают в щель коллиматора (4). После выхода из объектива (5) параллельный пучок света направляется на диспергирующую призму (6), из которой отбирается пучок, направленный под углом 90⁰ по отношению к падающему пучку. Далее свет идет в выходную трубу монохроматора, которая состоит из объектива (9), выходной щели (10) и защитного стекла (11).

Призменный столик (8), связанный с поворотным механизмом, имеет микрометрический винт, на барабане (7) которого нанесены деления в градусах. Вращая призменный столик с помощью барабана на определенные углы относительно падающего света, получают в выходной щели свет с требуемой длиной волны. После выхода из щели монохроматический свет попадает на фотоэлемент (12). Пересчет делений барабана в длины волн может быть сделан с помощью данных, приведенных в табл.2. Монохроматор УМ-2 позволяет получать монохроматический свет в диапазоне 380-1000 нм.

Распределение интенсивности излучения лампы накаливания (1) зависит от длины волны. Поэтому, освещая исследуемый фотоэлемент светом с длинами волн l₁, l₂, l₃, … l_k, указанными в табл.2, и отмечая соответствующие им отклонения светового «зайчика» гальванометра n₁, n₂, n₃, … n_k, можно получить лишь искаженную спектральную характеристику данного фотоэлемента. Для определения распределения интенсивности в спектре излучения лампы используется селеновый фотоэлемент, обладающий тем свойством, что его спектральная характеристика не зависит от длины волны падающего излучения. Фототок, возникающий в селеновом фотоэлементе, пропорционален только интенсивности падающего света. Если селеновый фотоэлемент освещать светом тех же длин волн (см. табл.2) l₁, l₂, l₃, … l_k, то по соответствующим отклонениям «зайчика» гальванометра n₁', n₂', n₃', … n_k' мы можем судить об интенсивности различных монохроматических пучков. Отношения n₁/n₁', n₂/n₂', n₃/n₃', …, n_k/n_k' будут характеризовать величину фототока, возникающего в исследуемом фотоэлементе ЦГ-4, для различных монохроматических пучков.

I. Снятие вольтамперной характеристики фотоэлемента ЦГ-4.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться со схемой включения фотоэлемента ЦГ-4 согласно рис.1.

3. Поместить за выходной щелью монохроматора в гнездо специальной панели исследуемый цезиевый фотоэлемент, подключить его к внешнему источнику постоянного напряжения. Отметим, что гнезда панели уже подключены к гальванометру. Фотоэлемент и входную щель накрыть светонепроницаемым чехлом для защиты от постороннего света.

2. Включить источник света и с помощью монохроматора найти спектральный участок, для которого чувствительность фотоэлемента максимальна. Поворотом ручки потенциометра изменять напряжение на фотоэлементе от 0 до 240 В с интервалом в 10 В. Показания микроамперметра при каждом значении рабочего напряжения занести в табл.1.

3. Аналогичные измерения провести при понижении рабочего напряжения на фотоэлементе от 240 В до 0 В с тем же интервалом.

Таблица 1.

Сила фототока фотоэлемента ЦГ-4 в зависимости от напряжения на нем.

Рабочее напряжение U, В	Сила фототока
При повышении напряжения	При понижении напряжения	Среднее значение
... … …

4. На основании средних значений силы фототока построить график I=f(U), выражающий собой вольтамперную характеристику.

II. Снятие спектральной характеристики фотоэлемента ЦГ-4.

Порядок выполнения работы.

1. Включить монохроматор и лампу накаливания, освещающую входную щель монохроматора (настройка монохроматора производится только лаборантом).

2. Снять защитные крышки с выходной и входной щелей монохроматора.

3. Поместить за выходной щелью монохроматора в гнездо специальной панели исследуемый цезиевый фотоэлемент, подключив его к внешнему постоянному напряжению, обеспечивающему наибольший фототок (см. часть 1). Фотоэлемент и входную щель накрыть светонепроницаемым чехлом для защиты от постороннего света.

4. Установить риску барабана против деления 600º, что соответствует длине волны 405 нм, и произвести измерение отклонения «зайчика» по шкале гальванометра n₁. Освещая фотоэлемент последовательно монохроматическими пучками с длинами волн, указанными в табл.2, записать соответствующие им показания гальванометра. Измерения рекомендуется повторить в обратном порядке и получающиеся результаты занести в таблицу. После завершения измерений необходимо отключить внешнее напряжение и снять фотоэлемент с панели.

5. Снять защитную крышку с селенового фотоэлемента, поставить его вместо исследуемого газонаполненного фотоэлемента. Снять показания гальванометра (n') для селенового фотоэлемента, аналогичные указанным в пункте 4. Результаты измерений занести в таблицу 2.

6. По опытным данным построить спектральную характеристику исследуемого фотоэлемента (ЦГ-4), откладывая по оси абсцисс длины волн l, а по оси ординат – отношения средних значений n_cр/n'_ср.

Таблица 2.

Сила фототока цезиевого и селенового фотоэлементов при их освещении лампой накаливания.

№№ п/п	Деление барабана	Длина волны в нм	Цезиевый фотоэлемент	Селеновый фотоэлемент	ncр/n'ср
n	n	nср	n'	n'	n'ср
1

Контрольные вопросы.

1. В чем состоит явление фотоэффекта? Основные законы фотоэффекта.

2. Виды фотоэффекта.

3. Устройство и принцип действия фотоэлементов с различными видами фотоэффекта. Применение фотоэлементов.

4. Основные характеристики фотоэлементов.

5. Чем объяснить наличие тока насыщения у вакуумных фотоэлементов? Есть ли ток насыщения у изучаемого фотоэлемента ЦГ-4?

6. Чем отличается нормальный фотоэффект от селективного?

7. Как получить опытным путем вольтамперную и спектральную характеристики фотоэлемента?

8. Опишите устройство и принцип действия монохроматора УМ-2.

9. Для какой цели монохроматор снабжен селеновым фотоэлементом?

Литература:

1. Ландсберг Г.С. Оптика.- М: Наука, 1976.

2. Кортнев А.В., Рублев Ю.В., Куценко А.Н. Практикум по физике.- М: Высшая школа, 1965.

3. Физический практикум (под редакцией Иверновой В.И.) – М.; Наука, 1967.

Часть X. Квантовая механика и ядерная физика

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ ВОЛНЫ ОПТИЧЕСКОГО

КВАНТОВОГО ГНЕРАТОРА С ПОМОЩЬЮ ЯВЛЕНИЯ ДИФРАКЦИИ

Цель работы – ознакомление принципом действия оптического квантового генератора (лазера), устройством газового лазера; определение длины волны излучения лазеров с помощью дифракционной решетки; определение размеров тел с помощью дифракции лазерного излучения.

Приборы и принадлежности: гелий-неоновый лазер с блоком питания, прозрачная дифракционная решетка, штатив для крепления лазера и исследуемых тел, экран, оптическая скамья.