Определение характеристик фотоэлемента

Лабораторная работа 55

Основные понятия

Фотоэлектрический эффект - явление, при котором происходит либо выход электронов с поверхности металлов (внешний фотоэффект), либо увеличение концентрации свободных носителей заряда (внутренний фотоэффект), либо возникновение разности потенциалов (фотоэлектродвижущая сила) на p - n переходе (вентильный фотоэффект).

Для изучения внешнего фотоэффекта применяется установка, изображенная на рис. 5.6. К двум электродам, помещенным в вакуумированный баллон Б, приложена разность потенциалов U, абсолютное значение и знак которой можно менять при помощи потенциометра П. Катодом К служит электрод, поверхность которого покрыта металлом, фотоэлектрические свойства которого изучаются. Через окно О, закрытое кварцевым стеклом, на фотокатод падает свет с частотой n (или длиной волны λ). При этом во внешней цепи появляется фототок, сила которого измеряется гальванометром G или микроамперметром. Действующее между катодом К и анодом А электрическое поле ускоряет или тормозит вышедшие с поверхности металла электроны. Изменяя напряжение между ними при неизменном световом потоке F, можно получить функциональную зависимость между фототоком i _ф и напряжением U,которая называется вольт–амперной характеристикой. Типичная кривая i (U) изображена на рис. 5.7. График показывает, что при некотором ускоряющем напряжении фототок достигает максимального значения. Этот ток не изменяется с увеличением напряжения между электродами и называется током насыщения i _н. Его величина определяется числом электронов, вылетевших из катода за единицу времени. Ток насыщения является основной количественной характеристикой фотоэффекта. Фототок не равен нулю до строго определенного, характерного для используемого света (излучения) отрицательного значения напряжения, которое называется задерживающим U ₃. Плавное спадание тока от i _н до нуля при уменьшении напряжения свидетельствует о том, что фотоэлектроны покидают катод с различными по величине кинетическими энергиями, в результате чего количество электронов, достигающих анод, уменьшается. При задерживающем напряжении даже электроны, вылетающие из катода с максимальной скоростью v _max, не могут преодолеть задерживающее электрическое поле, так как их кинетические энергии становятся равными нулю . Изменение кинетической энергии электронов равно работе задерживающего электрического поля

,

где m – масса электрона, e – заряд электрона.

В результате экспериментов установлены следующие закономерности фотоэффекта:

1. При малых интенсивностях света сила фототока насыщения при неизменном спектральном составе излучения пропорциональна световому потоку, падающему на фотокатод (i _н~F) (рис. 5.8).

2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов (или задерживающая разность потенциалов U _з) пропорциональна частоте излучения, вызывающего фотоэффект, и не зависит от его интенсивности ( ~ v).

3.

Для каждого вещества существует минимальная частота v _min (или максимальная длина волны λ_max), при которой еще наблюдается фотоэффект (рис. 5.9). Это значение частоты v _min ( или длины волны λ_max) определяет ″красную″ границу фотоэффекта.

Характерным свойством фотоэффекта является его практическая безинерционность, при освещении поверхности фотокатода ток возникает почти мгновенно.

Закономерности фотоэффекта можно объяснить квантовой теорией света, в основе которой лежит гипотеза Планка, заключающаяся в том, что атомы (молекулы) веществ излучают и поглощают энергию определенными порциями – квантами. Квант энергии пропорционален частоте излучения n:

ε = h ν,

где h = 6,626×10^-34 Дж×с. – постоянная Планка.

Согласно этой гипотезе излучающее тело испускает или поглощает энергию W, величина которой кратна ε, т. е. (N – любое целое положительное число, равное числу квантов, ν _i – частота излучения сложного состава). Гипотеза Планка ограничивалась только процессами излучения и поглощения энергии нагретыми телами.

Основываясь на гипотезе Планка, Эйнштейн (1905 г.) выдвинул идею, суть которой состоит в том, что свет не только испускается и поглощается отдельными порциями, но и распространяется в пространстве отдельными порциями – квантами. Носителями этих порций энергии являются частицы электромагнитного поля (корпускулы), названные Эйнштейном фотонами. Фотоны распространяются в вакууме со скоростью с ≈ 3×10⁸ м/с, в среде – со скоростью, характерной для данной среды. Согласно закону взаимосвязи массы и энергии (ε = m _фс²) масса фотона может быть определена из соотношения

,

импульс фотона

.

Таким образом, фотоны имеют следующие корпускулярные характеристики: энергию, массу и импульс; волновые - частоту n или длину волны l.

Механизм внешнего фотоэффекта, предложенный Эйнштейном, состоит в следующем. При сравнительно небольших световых потоках фотон, достигающий поверхности металла, взаимодействует только с одним электроном, полностью передавая ему энергию и импульс. При этом энергия электрона увеличивается на величину h ν. Если на фотокатод падает излучение, содержащее длины волн видимого, ближнего инфракрасного или ультрафиолетового диапазонов спектра, то фотоны поглощаются ″свободными″ носителями заряда – электронами проводимости. При этом увеличивается их кинетическая энергия. На границе сред металл – вакуум или металл – газ существует потенциальный барьер, который должен преодолеть электрон, чтобы выйти из металла. При этом совершается работа, называемая работой выхода А _вых, величина которой определяется химической природой вещества, из которого выходит электрон (имеются табличные данные). Часть поглощенной электроном энергии тратится на работу выхода, оставшаяся часть - его кинетическая энергия . С максимальной кинетической энергией вылетают те электроны, которые в момент поглощения фотона двигались перпендикулярно к поверхности и покинули фотокатод, затратив энергию только на работу выхода. Применив закон сохранения энергии, Эйнштейн предложил формулу

Однако кинетическая энергия электронов, вылетающих из фотокатода, неодинакова. Это объясняется тем, что, во-первых, электроны проводимости в металле имеют различную начальную энергию и различное направление движения, а, во-вторых, электроны освобождаются светом не только с поверхности, но и из некоторой глубины (≈10^{-5 см) вещества. Более ″глубокие″ электроны теряют больше энергии при выходе, чем ″поверхностные″, поэтому их кинетическая энергия меньше максимальной и ее часто оказывается недостаточно, чтобы электрон достиг анода в отсутствие ускоряющего электрического поля. Поэтому фототок i} ₀ при напряжении U, равном нулю, всегда меньше тока насыщения i ₀ < i _н.

Квантовая теория внешнего фотоэффекта Эйнштейна объясняет все три его закономерности следующим образом.

1. Чем больше фотонов поглощено веществом, тем больше электронов покинет фотокатод. Число фотонов N _ф прямо пропорционально величине светового потока Ф, падающего на фотокатод (N _ф ~ Ф), а величина фототока i _н определяется числом электронов, покидающих фотокатод в единицу времени. Если все освободившиеся электроны достигают анода, то фототок достигает максимального значения i _н (i _н ~ N _ф), которое пропорционально величине светового потока i _н ~ Ф.

2. Согласно закону сохранения энергии чем больше энергия фотона (или частота падающего на катод света), тем больше кинетическая энергия электрона, покинувшего фотокатод, тем больше работа eU _з задерживающего (тормозного) электрического поля.

3. При некоторой частоте v _min, равной отношению А _вых / h, характерной для исследуемого вещества, когда даже максимальная кинетическая энергия электронов обращается в нуль, фототок прекращается. Эта частота v _min и является ″красной″ границей внешнего фотоэффекта для данного вещества.

Рассмотренные выше закономерности и теория, объясняющая их, относятся к однофотонному фотоэффекту, что возможно при малых интенсивностях излучения, падающего на фотокатод. При больших интенсивностях, например, при использовании лучей лазера, наблюдается многофотонный фотоэффект, при котором электрон может поглотить два и более (N) фотонов. В этом случае сформулированные выше закономерности нарушаются.

Лабораторная работа 55

Определение характеристик фотоэлемента

Цель работы: установить зависимость силы фототока от а) величины приложенного напряжения, б) освещенности фотокатода. Определить величину тока насыщения и интегральную чувствительность фотоэлемента.

Приборы и принадлежности: источник света (лампа накаливания), фотоэлемент, реостат, микроамперметр и вольтметр.

Методика эксперимента

Простейший вакуумный фотоэлемент выполнен в виде стеклянного баллона (см. рис. 5.10), воздух у которого откачен до давления (1,33×10^-4 – 1,33×10^-5)Па. На одну половину внутренней поверхности баллона на подкладочный слой магния или серебра нанесен тонкий слой сурьмы, а затем тонкий слой цезия. Образующееся при этом соединение CS₃Sb служит катодом К. В центральной части баллона расположен металлический анод А, имеющий форму кольца. Большинство вакуумных фотоэлементов имеют рабочее напряжение между анодом и катодом»250 В и почти линейную вольтамперную характеристику вплоть до тока насыщения. Однако чувствительность вакуумного фотоэлемента (ФЭ) мала, для ее увеличения баллон заполняется инертным газом. Фотоэлектроны, ионизируя атомы инертного газа, создают дополнительные электроны (увеличивают концентрацию носителей заряда), что повышает чувствительность ФЭ. Эти фотоэлементы работают при напряжении 90 В.

Чувствительность К фотоэлемента является основным его параметром и определяется величиной отношения силы фототока насыщения i _н к световому потоку F, вызвавшему этот ток:

. (5.19)

Если фотокатод освещается монохроматическим излучением, то определяется спектральная чувствительность, если светом сложного спектрального состава (белым), то – интегральная чувствительность.

Для определения чувствительности К необходимо измерить силу тока насыщения и соответствующий ему световой поток. Поток световой энергии выражается формулой

Ф = Е × S, (5.20)

где Е – освещенность фотокатода; S – площадь светочувствительной поверхности ФЭ. Освещенность, создаваемая точечным источником света, как известно, прямо пропорциональна силе света I и обратно пропорциональна квадрату расстояния r от источника до площадки S

. (5.21)

Подставив выражение (5.21) в формулу (5.20) световой поток можно определить по формуле

, (5.22)

где С = I · S – const.

Изменяя расстояние между источником света и фэ, можно изменять освещенность фотокатода, что равносильно изменению светового потока; вследствие чего будет меняться величина фототока.

Для исследования зависимости фототока от напряжения и освещенности фотокатода собирается установка, схема которой изображена на рис. 5.11. Источником излучения служит лампа накаливая Л. Размеры спирали лампочки малы по сравнению с расстоянием от лампочки до фотоэлемента ФЭ, поэтому ее можно рассматривать как точечный источник света. Лампочка и ФЭ размещаются на оптической скамье с помощью держателей. Фотоэлемент для защиты от постороннего света помещен в кожух со шторкой. Для измерения величины фототока применяется микроамперметр μ А; разность потенциалов между анодом и катодом измеряется вольтметром V. Источником постоянного тока в цепи ФЭ является выпрямитель.

Порядок выполнения работы

1. Проверить электрическую цепь по схеме, изображенной на рис. 5.11.

2. Установить источник света на расстоянии r ₁ от ФЭ. Включить лампу накаливания.

3. Включить выпрямитель (блок питания), установить минимальное напряжение на ФЭ.

4. Увеличивая напряжение на ФЭ через каждые ∆ U снимать показания вольтметра (U) и микроамперметра (i _ф). Аналогичные измерения произвести, устанавливая лампу накаливания на расстояния r ₂ и r ₃ от ФЭ. Результаты наблюдений занести в таблицу 5.5.

Таблица 5.5

Расстояние r 1 =	Расстояние r 2 =	Расстояние r 3 =
U, В	i ф, А	U, В	i ф, А	U, В	i ф, А

5. Установить лампу на расстоянии r от ФЭ. Подать на ФЭ максимальное напряжение.

6. Удаляя лампу от ФЭ до конца оптической скамьи с ″шагом″ D r, а затем возвращая лампу с тем же ″шагом″ в первоначальное положение, снять показания микроамперметра. Результаты измерений расстояний r ₁, r ₂, r ₃… и силы тока i _ф1; i _ф2; i _ф3 … занести в таблицу 5.6.

7. По данным табл. 5.5 построить графики зависимости i _ф(U), откладывая по горизонтальной оси U, по вертикальной – i _ф. Определить значения токов насыщения i _н1, i _н2, i _н3.

Таблица 5.6

Напряжение U =
	i ф, mА
r, м	Перемещение лампы	< i ф >, mА	1/ r 2, м -2
	от фотоэлемента	к фотоэлементу

8. По данным табл. 5.6 построить график зависимости величины фототока от освещенности фотокатода, откладывая по оси абсцисс 1/ r ², по оси ординат – < i _ф>.

9. Используя данные табл. 5.5 и параметры лампы (сила света I при максимальном накале нити), по формуле (5.22) рассчитать световые потоки Ф₁, Ф₂, Ф₃; найти среднее значение <F>.

10. Определить интегральную чувствительность фотоэлемента К по формуле (5.19).

11. Построить график зависимости i _н(F) и определить тангенс угла j наклона графика к оси абсцисс F: .

12. Проанализировать результаты и сделать выводы.

 

Контрольные вопросы

1. Что называется внешним фотоэффектом?

2. Какова вольтамперная характеристика внешнего фотоэффекта?

3. Каковы основные закономерности внешнего фотоэффекта?

4. Объяснить механизм внешнего фотоэффекта.

5. Записать уравнение Эйнштейна и объяснить законы фотоэффекта на основе квантовой теории.

6. Как устроен фотоэлемент, и каков его принцип действия?

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: