На головну

фотоефект

  1.  Зовнішнім фотоефектом називається випускання електронів з поверхні металів під дією світла.
  2.  Теплове випромінювання. Фотоефект.
  3.  Фотоефект. Фотони Лекція № 24

2.1. теоретичне введення

(До лабораторних робіт 3.03 і 3.04)

Фотоефект відноситься до числа фізичних явищ, в яких виявляються корпускулярні властивості світла. Він полягає в освіті вільних носіїв заряду під дією світла (зовнішнього електромагнітного випромінювання). Розрізняють такі види фотоефекту:

1. зовнішній - Складається в вибиванні електронів з поверхні речовини під дією зовнішнього електромагнітного випромінювання. Зовнішній фотоефект спостерігається в твердих тілах (металах, напівпровідниках, діелектриках), а також в газах на окремих атомах або молекулах (фотоіонізації);

2. внутрішній - Це викликані зовнішнім електромагнітним випромінюванням переходи електронів усередині напівпровідника або діелектрика з пов'язаних станів у вільні без вильоту назовні, що збільшує електропровідність речовини;

3. вентильний - Полягає у виникненні електрорушійної сили на кордоні двох напівпровідників різної провідності (або металу з напівпровідником) внаслідок внутрішнього фотоефекту (при відсутності зовнішнього електричного поля).

Розглянемо особливості зовнішнього фотоефекту. Вольт - амперні характеристики фотоелемента при незмінній частоті n і незмінному світловому потоці Ф показані відповідно на рис.2.1 і на рис.2.2. З малюнків видно, що при напрузі U = 0 фототок не дорівнює нулю. Це свідчить про те, що електрони залишають катод з запасом кінетичної енергії. Щоб фототок став рівним нулю, потрібно між анодом і катодом створити гальмує електричне поле. В цьому

 випадку електрони будуть здійснювати роботу проти сил електричного поля. різниця потенціалів Uз, При якій струм припиняється, називається затримує напругою (або затримують потенціалом). Максимальна початкова швидкість ?max фотоелектронів пов'язана з Uз співвідношенням:

 , (2.1)

де е и m - Заряд і маса електрона відповідно.

При збільшенні прискорювальної різниці потенціалів U фототок досягає насичення (рис.2.1, 2.2.). При цьому всі електрони, випущені катодом, потрапляють на анод. Число електронів, вирваних світлом за одиницю часу, можна знайти за формулою

 . (2.2)

Дослідним шляхом встановлено такі закони зовнішнього фотоефекту.

1. Фотострум насичення Jнас пропорційний світловому потоку Ф (Рис.2.1, 2.3).

2. Максимальна початкова швидкість фотоелектронів визначається частотою світла і не залежить від його інтенсивності (рис.2.2, 2.4).

 3. Для кожної речовини існує червона межа фотоефекту, тобто мінімальна частота ?кр (Або максимальна довжина хвилі ?кр), При якій ще можливий зовнішній фотоефект.

Пояснити кількісні закономірності фотоефекту вдалося лише Ейнштейну на основі квантових уявлень про світло. Розвиваючи гіпотезу Планка, Ейнштейн припустив, що світло не тільки випромінюється, але й поширюється, і поглинається у вигляді окремих дискретних частинок (фотонів) з енергією ? = h?. При висвітленні катода світлом кожен фотон взаємодіє з окремим електроном. В результаті поглинання фотона електрон набуває енергію h?. Частина цієї енергії, яка дорівнює роботі виходу Ав, Витрачається на те, щоб електрон міг покинути тіло. Залишок енергії утворює кінетичну енергію електрона. Таким чином, має виконуватися співвідношення, зване формулою Ейнштейна.

 , (2.3)

де h - Постійна Планка, ? - Частота поглиненого випромінювання.

З рівняння Ейнштейна (3) випливає, що

- Максимальна швидкість вириваються електронів залежить тільки від частоти світла;

- Загальне число фотоелектронів, що вилітають за одиницю часу, пропорційно числу падаючих фотонів, тобто сила струму насичення пропорційна світловому потоку;

- Фотоефект можливий тільки в тому випадку, якщо енергія кванта  . Звідси випливає, що червона межа фотоефекту задовольняє співвідношенню

 (2.4)

або

 . (2.5)

З урахуванням (2.1) формулу Ейнштейна можна записати інакше:

h? = Ав + eUз (2.6)

Різній частоті падаючого світла відповідають різні значення Uз. Записавши (6) для двох різних частот і вирішивши систему рівнянь щодо h, отримаємо

 . (2.7)

Збіг розрахованого за формулою (2.7) значення постійної Планка з загальноприйнятим значенням h може служити підтвердженням правильності рівняння Ейнштейна для зовнішнього фотоефекту.

При дуже великій інтенсивності світла, досяжних за допомогою лазерів, спостерігається Багатофотонні, або нелінійний фотоефект. При Багатофотонні фотоефекті електрон може отримати одночасно енергію не від одного, а від N фотонів. Рівняння Ейнштейна в цьому випадку буде представлено у вигляді

 (2.8)

Червона межа N - фотонного фотоефекту:

 (2.9)

2.2. Лабораторна робота 3.03. Дослідження зовнішнього фотоефекту

Мета роботи: експериментальна перевірка рівняння Ейнштейна для зовнішнього фотоефекту.

Приладдя: установка для дослідження зовнішнього фотоефекту, набір світлофільтрів.

 2.2.1. Опис установки і методики вимірювань

Для визначення величини затримує потенціалу в даній роботі використовується схема, зображена на рис. 2.5. Послідовно з вакуумним фотоелементом ФЕ з'єднані гальванометр G і змінний опір R, Що використовується в якості потенціометра. вольтметр V вимірює напругу, що подається на фотоелемент. Джерело постійного струму ИПТ підключений таким чином, щоб напруга, що подається на фотоелемент, було негативним. За допомогою змінного опору R можна змінювати величину цієї напруги. Джерелом світла є електрична лампочка Л. На лицьовій панелі установки знаходяться шкали вимірювальних приладів (вольтметра і гальванометра), тумблери «Мережа» і «ІПТ», ручка регулювання потенціометра «R», Кнопка« Світло ». Тумблер «Мережа» підключає установку до електричної мережі. Тумблер «ІПТ» підключає джерело постійного струму, з якого напруга подається на потенціометр. Кнопка «Світло» включає джерело світла. При виведеному потенціометрі (крайнє ліве положення ручки «R») І включеної лампочці Л в ланцюзі фотоелемента виникає струм, що фіксується гальванометром. Якщо поступово збільшувати напругу на фотоелементі, то струм через гальванометр буде зменшуватися і при Uз стане рівним нулю.

Світлофільтри вставляються в спеціальну рамку, розташовану на лівій бічній панелі кожуха. Світлофільтрів, використовуваним в роботі, відповідають наступні частоти: помаранчевий n1= 0,51 ? 1015 Гц, зелений n2 = 0,56 ? 1015 Гц, синій n3 = 0,61 ? 1015 Гц.

Гальванометр М-195/3 - дуже чутливий прилад. Ціна поділки 3,8 ? 10-9 А. Звертатися з ним треба дбайливо, проводити вимірювання необхідно тільки в той момент, коли пристрій не піддається поштовхам і вібраціям. Гальванометр має світловий відлік. Перед вимірюванням проводиться установка нуля за допомогою ручки, яка знаходиться на правому боці кожуха.

2.2.2. Порядок виконання роботи

1. Підключити установку до мережі тумблером «Мережа». Провести установку нуля гальванометра.

2. Встановити в обойму перед лампочкою помаранчевий світлофільтр (n1).

3. Включити джерело постійного струму тумблером «ІПТ» і заздалегідь подати на фотоелемент затримує напруга 0,8 - 1,0 В, обертаючи ручку потенціометра «R».

4. Включити лампочку кнопкою «Світло» (в ланцюзі фотоелемента з'явиться струм) і, утримуючи її, обертати ручку «R»До рівності струму нулю - т. Е. Підібрати точно затримує потенціал для фотоелемента.

5. Виміряти з точністю до однієї сотої частки вольта затримує потенціал, попередньо розрахувавши ціну поділки шкали вольтметра. Десяті частки вольта відраховуються за шкалою приладу, соті - оцінюються на око. Вимкнути лампочку. Дані занести в табл.2.1.

Таблиця 2.1

 № п / п  n ? 10-15, Гц U3, B h, Дж ? с А, Дж
       

6. Встановити зелений світлофільтр (n2) І повторити пункти 4, 5.

7. Встановити синій світлофільтр (n3). і повторити пункти 4, 5. Вимкнути обидва тумблери.

8. За формулою (2.7) (див. Теоретичне введення) обчислити постійну Планка (не менше трьох разів) і знайти середнє значення.

9. Використовуючи формулу (2.6), обчислити роботу виходу електрона з металу.

2.2.3 Теоретичний мінімум

Фотоефект. Закони зовнішнього фотоефекту. Вольт-амперна характеристика зовнішнього фотоефекту і її пояснення. Неспроможність хвильової теорії в поясненні законів зовнішнього фотоефекту. Квантова теорія фотоефекту. Рівняння Ейнштейна. Червона межа фотоефекту. Фотоелементи, їх характеристики. Застосування фотоелементів.

2.3. Лабораторна робота 3.04.

дослідження фотоелемента

Мета роботи: ознайомлення з пристроєм, принципом роботи і застосуванням фотоелементів (ФЕ).

Приладдя: установка для дослідження вакуумного (газонаповненого) фотоелемента.

2.3.1. Опис установки і методики вимірювань

Фотоелементи, дія яких заснована на зовнішньому фотоефекті, бувають вакуумні та газонаповнені. В якості наповнювача використовуються інертні гази при тиску 5 ? 10-3 - 1,0 мм. рт. ст.

Основними характеристиками фотоелементів є вольт - амперна характеристика і чутливість. Вольт - амперна характеристика - крива, що виражає залежність фотоструму I від напруги U, Що подається на фотоелемент при постійній освітленості катода. Світловий потік Ф, Створюваний електричною лампочкою, яка знаходиться на відстані r від фотоелемента, що падає на поверхню фотокатода площею S, Визначається за формулою:

Ф = E ? S = Ic ?S/r2, (2.10)

де Ic - Сила світла лампочки, E = Ic/r2 - Освітленість фотокатода.

ставлення фототока I до світлового потоку Ф, Який падає на фотоелемент, називають чутливістю фотоелемента

g = I/Ф (2.11)

Ставлення числа фотоелектронів, що досягають анода в одиницю часу N = I/e (e= 1,6 ? 10-19 Кл - заряд електрона), до числа фотонів Nп падаючого монохроматичного світла називається квантовим виходом фотоефекту a (Безрозмірна величина). У роботі проводиться оцінка квантового виходу фотоефекту за значенням середньої енергії світлового кванта hn.

a = N/Nп= (I/e) (hn/A ? Ф) = I ? hn / (А ? Ф?е), (2.12)

де h= 6,625 ? 10-34 Дж ? с - постійна Планка; А= 1,6 ? 10-3 Вт / лм - коефіцієнт перекладу фотометричних величин в енергетичні; n - Усереднена частота падаючого на ФЕ світла (5 ? 1014 Гц).

Схема установки для зняття вольтамперних характеристик ФЕ представлена ??на рис.2.6. Установка живиться від мережі змінного струму. Джерело постійного струму (ІПТ) живить ланцюг фотоелемента, напруга на якому регулюється за допомогою потенціометра R, І ланцюг джерела світла. Електрична лампочка Л може переміщатися щодо ФЕ, що дозволяє змінювати його освітленість. Між фотоелементом і лампочкою можуть встановлюватися світлофільтри. Ланцюги лампи і фотоелемента включаються за допомогою тумблерів «світло»І«Мережа».

рис.2.6

2.3.2. Порядок виконання роботи




 МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ |  теплове випромінювання |  УВАГА! Включати еталонну лампочку тільки в крайньому лівому положенні реостата! |  атом водню |  бІБЛІОГРФІЧЕСКІЙ СПИСОК |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати