Основные теоретические положения. Цель работы: изучение законов внешнего фотоэффекта; исследование вольтамперных характеристик вакуумного фотоэлемента; определение пос­тоянной Планка

Лабораторная работа № 1

ВНЕШНий ФОТОЭФФЕКТ

Цель работы: изучение законов внешнего фотоэффекта; исследование вольтамперных характеристик вакуумного фотоэлемента; определение пос­тоянной Планка.

Основные теоретические положения

Свет имеет двойственную корпускулярно-волновую природу: он обладает волновыми свойствами, проявляющимися в интерференции, дифракции, поляризации, и корпускулярными, то есть представляет собой поток фотонов, движущихся в вакууме со скоростью . Энергия фотона и его импульс для соответствующей электромагнитной волны частоты и длиной волны равны:

, , (1.1)

где – постоянная Планка.

Фотоэлектрическим эффектом или фотоэффектом называется процесс взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, в результате которого энергия фотонов передается электронам вещества. Для конденсированных систем, в частности, твердых тел, различают внешний фотоэффект, при котором поглощение фотонов сопровождается вылетом электронов за пределы тела, и внутренний фотоэффект, при котором электроны, оставаясь в кристалле, изменяют свое энергетическое состояние.

Для наблюдения внешнего фотоэффекта используется классическая схема: облучаемый светом катод – анод – внешняя цепь (рис. 1.1, а).

Электроны, вылетающие из катода, называются фотоэлектронами; во внешней цепи они создают фототок, возникающий при создании между катодом и анодом разности потенциалов U.

Так как эмиссионная способность катода ограничена, то при некотором значении U фототок достигает значения насыщения , при котором все фотоэлектроны, покидающие катод, достигают анода (рис. 1.1, б).

Зависимость величины фототока насыщения от освещенности катода подчиняется закону Столетова: при неизменном спектральном составе света, падающего на фотокатод, фототок насыщения пропорционален освещенности катода: .

Так как фотоэлектроны вылетают с катода с некоторой отличной от нуля скоростью, то при ток не прекращается, и чтобы ток стал равен нулю , необходимо между катодом и анодом создать задерживающую разность потенциалов , величину которой можно определить из соотношения:

, (1.2)

где – максимальная начальная скорость фотоэлектронов.

Из закона сохранения энергии следует уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта: энергия кванта расходуется на выход фотоэлектрона из катода и сообщение ему кинетической энергии:

, (1.3)

где – работа выхода электрона из катода.

Если , то уравнение (1.3) определяет минимальную энергию кванта , при которой возможен фотоэффект. Длина волны называется кра­с­ной границей фотоэффекта, и связаны с работой выхода электрона из металла следующим образом:

, , . (1.4)

Объединяя уравнения (1.2) и (1.3), получим зависимость задерживающего потенциала от частоты падающего света

(1.5)

Эта зависимость имеет вид прямой (рис. 1.2).

При (точка пересечения прямой с осью абсцисс) значение частоты соответствует красной границе фотоэффекта . При , откуда работа выхода

. (1.6)

Угловой коэффициент прямой (1.5):

(1.7)

определяется только постоянной Планка и зарядом электрона.