ДОСЛІДЖЕННЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ фотоелементів
2.1. Мета роботи: вивчити фізичні процеси, що лежать в основі зовнішнього фотоефекту (фотоелектронній емісії). Зняти вольтамперную і світлову характеристики фотоелемента, розрахувати його чутливість.
2.2. Розрахункові залежності
Явище виривання електронів світлом з твердих, рідких речовин отримало назву зовнішнього фотоефекту (зовнішнього фотоефекту). Іонізація атомів або молекул газу під дією світла називається Фотоіонізація.
Перші фундаментальні дослідження зовнішнього фотоефекту виконані А. Г. Столєтова (1888 р.) Теоретичні пояснення цих законів дав А. Ейнштейн. Ейнштейн запропонував розглядати світло, взаємодіє з речовиною, не як хвилю, а як потік «корпускул» або «квантів». Енергія кожного кванта визначається співвідношенням
де V - частота світла; h - постійна Планка.
Фотоелектрони, що залишають, наприклад, метал, мають широкий набір швидкостей. При заданому значенні частоти V максимальне значення швидкості Vмакс. визначається з рівняння Ейнштейна
де m - маса спокою електрона; А - робота виходу, що залежить від хімічної природи речовини і стану його поверхні. Частота Vo, для якої енергія
падаючого кванта hV0 дорівнює роботі виходу, називається червоною кордоном фотоефекту
Слід мати на увазі, що на роботу виходу дуже впливають нанесені на поверхню тонкі шари електропозитивних металів, таких як цезій, барій, церій, торій. При адсорбції цих атомів на поверхню металу вони віддають металу свій зовнішній валентний електрон і перетворюються в позитивно заряджений іон. Ці іони індукують в поверхневому шарі металу рівний за величиною негативний заряд. У поверхні виникає подвійний електричний шар, який полегшує вихід електронів з металу. Так, наприклад, в присутності шару цезію робота виходу електронів з вольфраму зменшується з 4,52 еВ до 1,36 еВ. На рис. 2.1, а показана схема установки для вивчення зовнішнього фотоефекту в металах.
Мал. 2.1. Схема експериментальної установки (а), вольтамперних характеристика фотоелемента (б)
Основним елементом установки, чутливим до світла, є фотоелемент (ФЕ). Він виконаний у вигляді скляного вакуумованого балона. На внутрішній поверхні балона з одного боку нанесений тонкий шар металу з покриттям, що знижує роботу виходу, - фотокатод (К). У центральній частині балона розташований металевий анод (А), що має форму кільця.
Світло від джерела випромінювання - лампи розжарювання (Л) потрапляє на фотоелемент (ФЕ). Для виключення впливу зовнішніх джерел світла (фону) фотоелемент і лампа розжарювання поміщені в кожух. Напруга між анодом і катодом регулюється за допомогою потенціометра (П). Значення струму і напруги реєструються мікроамперметром (А) і вольтметром (V) відповідно.
Характер залежності фотоструму i в фотоелементі від різниці потенціалів U між анодом і катодом при незмінному світловому потоці Ф зображений на рис. 2.1 б. Існування фотоструму при негативних значеннях U (від 0 до - U0) свідчить про те, що електрони виходять з катода, маючи деяку початкову швидкість і, отже, кінетичну енергію. U0 - напруга, при якому струм в ланцюзі фотоелемента відсутня, називають затримує напруга або затримує потенціал. Максимальна початкова швидкість фотоелектронів Vmax пов'язана з затримують потенціалом співвідношенням
Фотострум збільшується зі зростанням U лише до певного граничного значення iн. званого фотострумом насичення. При фотострумів насичення всі електрони, що вилітають з катода під впливом світла, досягають анод.
2.3. Порядок виконання роботи
Зняти вольтамперних характеристику i = f (U) фотоелемента при незмінному світловому потоці Ф. Для цього встановити фотоелемент на відстані 0,20 м від лампи розжарювання і шляхом переміщення движка потенціометра змінювати напругу в діапазоні від 20 до 220 В. Експериментальних точок повинно бути не менше десяти. Результати вимірювань занести в таблицю 2.1.
Експериментальні дані залежності фотоструму від різниці потенціалів між анодом і катодом
Зняти світлову характеристику фотоелемента i = f (Ф) при постійній напрузі між анодом і катодом, наприклад, при U в діапазоні від 200 до 220 В. Світловий потік Ф регулювати шляхом зміни відстані фотоелемента від джерела випромінювання (ℓ). Діапазон відстаней ℓ - від 0,20 до 0,80 м з кроком 0,05 м. Розрахунок світлового потоку при певному значенні ℓ зробити за формулою
де S - площа фотокатода, I - сила світла лампи розжарювання.
Експериментальні дані i і ℓ і розраховані значення Ф занести в таблицю 2.2.
Експериментальні дані залежності фотоструму від величини світлового потоку, що падає на фотоелемент
3. Розрахувати чутливість фотоелемента у при t = 0,2 м за формулою
γ = i / Ф = (iℓ 2) / (IS) (2.7)
Вихідні дані і розраховане значення γ внести в таблицю 2.3.
Вихідні дані і розраховане значення Чутливості фотоелемента
Величина γ для різних вакуумних фотоелементів має значення
від декількох мікроампер на люмен до «100 мкА / лм. Для цезієвого фотоелемента, типу ЦГ-3, що використовується в роботі, чутливість не менше 50 мкА / лм.
Побудувати графіки залежностей i = f (U), i = f (Ф).
Скласти звіт по лабораторній роботі згідно із встановленою формою.
Дані довідкового характеру, необхідні при розрахунках: I = 27 кд для лампи потужністю 40 Вт, S = 7 ∙ 10 -4 м 2.
Висновок. в ході проведеної роботи було проведено дослідження властивостей фотоелемента, знята світлова та вольтамперная характеристика, і визначена його чутливість.
