Лабораторная работа № 13

Изучение явления внешнего фотоэффекта.

Цель работы: Изучить явление внешнего фотоэффекта, построить вольтамперные характеристики для фотоэлементов СЦВ-4 и ЦГ-4.

Оборудование: фотоэлементы – пустотный (СЦВ-4) и газонаполненный (ЦГ-4);

микроамперметр (50-100 мкА);

реостат на 30 Ом;

осветитель 12 В;

вольтметр Э59 (15 В и 150 В);

выпрямитель ВС 4÷12 на 12 В;

ВУП (250 В).

Теория.

Отрыв электронов от атомов под действием света называется фотоэффектом. Различают три вида фотоэффекта: внешний, внутренний и вентильный. При внешнем фотоэффекте электроны вылетают из поверхности освещаемого тела; при внутреннем – они остаются внутри его, увеличивается лишь проводимость.

Для внешнего фотоэффекта установлены следующие законы и закономерности:

1. Величина фототока насыщения пропорциональна световому потоку при неизменном его спектральном составе (закон Столетова).

2. При освещении монохроматическим светом скорости электронов различны. Максимальная скорость фотоэлектронов зависит для данного вещества лишь от частоты падающего света (закон Эйнштейна).

,

где: - энергия поглощенного катодом фотона,

- работа выхода электрона из катода,

- масса электрона.

3. Для каждого вещества существует определенная частота , ниже которой фотоэффект не происходит. Эта частота называется граничной, а длина волны, соответствующая данной частоте – красной границей фотоэффекта. Для разных веществ граничная частота, а следовательно, и красная граница фотоэффекта различны.

Если , фотоэффект будет; если , фотоэффекта не будет.

Если и , то наступает фотоэффект, где - граничная частота.

На явлении внешнего фотоэффекта основано устройство вакуумных и газонаполненных фотоэлементов.

Вакуумный фотоэлемент типа СЦВ-4 (сурьмяно-цезиевый вакуумный) представляет собой сферический стеклянный баллон, из которого откачан воздух; в центре его расположен анод в виде кольца или полусферической чашечки; фотокатод в виде тонкой пленки нанесен на одну половину внутренней поверхности баллона. Тонкая пленка наносится путем осаждения сначала паров сурьмы, а потом паров цезия, в результате образуется соединение Cs₃Sb. Выводы катода и анода у СЦВ-4 и ЦГ-4 сделаны в виде цоколя со штырьками, у ЦГ-3 в виде цилиндров различных диаметров.

В газонаполненных фотоэлементах типа ЦГ баллон заполняется инертным газом (чаще всего аргоном). В таком фотоэлементе первичный фототок усиливается в 6-8 раз за счет возникновения ионизации газа фотоэлектронами; катод фотоэлемента состоит из окиси цезия с примесью избыточного цезия и вкраплениями коллоидных частиц серебра (серебряно-кислородно-цезиевый фотокатод).

Важнейшими характеристиками фотоэлементов с внешним фотоэффектом являются:

1. вольтамперная характеристика,

2. световая характеристика,

3. чувствительность интегральная и спектральная,

4. работа выхода, которая определяет красную границу для данного фотоэлемента.

В данной работе исследуются вольтамперные характеристики для вакуумного и газонаполненного фотоэлементов. Зависимость фототока I в фотоэлементе от величины приложенного на него напряжения U (при неизменной освещенности фотокатода Е) называется вольтамперной характеристикой фотоэлемента.

;

где U_H – напряжение,поданное на источник света.

Методика измерений.

Экспериментальная установка содержит фотоэлемент и лампу накаливания, которые защищены от внешнего света. Электрическая схема приведена на рис.1. и 2.

Схема питания осветителя (рис.1): источник тока ВС-4÷12 (на 12 В), V₁ – вольтметр Э59 (15 В), реостат (30 Ом, 6 А), лампа накаливания (12 В).

Схема питания фотоэлемента (рис.2): источник тока – ВУП с регулируемым напряжением от 0 до 250 В, V₂ – вольтметр Э59 (на 150 В), μА – микроамперметр (50÷100 или 100÷500 мкА), фотоэлемент СЦВ-4 или ЦГ-4.

Дата добавления: 2015-08-03