Теоретическое введение. Цель работы: 1. Изучение законов внешнего фотоэффекта

Лабораторная работа № 49

ИЗУЧЕНИЕ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА

Цель работы: 1. Изучение законов внешнего фотоэффекта.

2. Проверка первого закона А.Г. Столетова.

3. Проверка закона А. Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

Теоретическое введение

Внешним фотоэффектом называется явление испускания электронов из вещества под действием электромагнитного излучения. Элементарный акт фотоэффекта сводится к взаимодействию двух частиц: фотона электромагнитного излучения и электрона вещества. Таким образом, фотоэффект является одним из явлений, в которых электромагнитное излучение проявляет корпускулярные свойства. Электрон, испускаемый веществом в результате фотоэффекта, называется фотоэлектроном.

В работе законы фотоэффекта изучают с использованием вакуумного фотоэлемента (рисунок 1). Вакуумный фотоэлемент представляет собой двухэлектродную вакуумную лампу, корпус которой прозрачен или имеет прозрачное окно. Один из электродов (1) имеет большую площадь и покрыт веществом с малой работой выхода электронов. При освещении он становится источником фотоэлектронов. Второй электрод (2), напротив, выполнен в виде тонкого кольца из материала с большой работой выхода электронов, что позволяет исключить возможность фотоэффекта из него.

Рисунок 1 - Вакуумный фотоэлемент: а) прямое включение; б) обратное включение.

Если фотоэлемент подключить к источнику постоянного напряжения так, чтобы первый электрод являлся катодом, и осветить его, то в цепи пойдет ток (фототок силой ). Такое подключение фотоэлемента называют прямым. Возникновение тока при прямом подключении фотоэлемента бусловлено тем, что сила Кулона , действующая на фотоэлектрон в электрическом поле напряженностью между электродами, вызывает появление ускорения и, следовательно, составляющей скорости фотоэлектрона, направленных к аноду (положительно заряженному электроду). В результате этого часть фотоэлектронов достигает анода, и электрическая цепь оказывается замкнутой. С ростом приложенного напряжения возрастают напряженность электрического поля между электродами и сила Кулона, действующая на фотоэлектроны, что ведет к увеличению числа электронов, достигающих анода, то есть к увеличению силы фототока в цепи фотоэлемента (см. рисунок 2а).

Начиная с некоторого напряжения, все фотоэлектроны достигают анода. Поэтому дальнейшее увеличение напряжения не вызывает роста силы тока , и на вольт-амперной характеристике фотоэлемента появляется горизонтальный участок. Ток, величина которого не зависит от величины приложенного напряжения, называется током насыщения . Ток насыщения является линейной функцией числа фотоэлектронов , испускаемых катодом в единицу времени:

, (1)

где =1,6∙10^-19 Кл - элементарный заряд.

Рис. 2. Вольт-амперная характеристика фотоэлемента: а) полный вид; б) при обратном напряжении (увеличено).

Если первый электрод подключить к положительному полюсу источника напряжения, то силы Кулона, действующие на фотоэлектроны, будут препятствовать их переходу на противоположный электрод (рисунок 1б). Такое подключение фотоэлемента и приложенное напряжение называют обратными. С ростом обратного напряжения фототок уменьшается и становится равным нулю при некотором минимальном значении обратного напряжения, называемом запирающим напряжением (см. рисунок 2б).

На основании множества опытов были установлены следующие три закона внешнего фотоэффекта.

1. Число фотоэлектронов n, выбиваемых из катода за единицу времени, прямо пропорционально освещенности E катода (этот закон был впервые открыт А.Г. Столетовым и его часто называют первым законом Столетова).

2. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов увеличивается с ростом частоты падающего света, зависит от материала катода и не зависит от интенсивности света.

3. Фотоэффект возможен, если частота падающего света не меньше некоторой величины, называемой частотой красной границы . Частота красной границы зависит от материала катода. Таким образом, условие возможности внешнего фотоэффекта таково:

.

Соответствующая длина волны называется длиной волны красной границы (с =3∙10⁸ м/с – скорость света в вакууме).

Часть 1. Изучение влияния освещенности поверхности на число фотоэлектронов, испускаемых в единицу времени (проверка первого закона А.Г. Столетова)