Новини освіти і науки:

G+

Тлумачний словник
Авто
Автоматизація
Архітектура
Астрономія
Аудит
Біологія
Будівництво
Бухгалтерія
Винахідництво
Виробництво
Військова справа
Генетика
Географія
Геологія
Господарство
Держава
Дім
Екологія
Економетрика
Економіка
Електроніка
Журналістика та ЗМІ
Зв'язок
Іноземні мови
Інформатика
Історія
Комп'ютери
Креслення
Кулінарія
Культура
Лексикологія
Література
Логіка
Маркетинг
Математика
Машинобудування
Медицина
Менеджмент
Метали і Зварювання
Механіка
Мистецтво
Музика
Населення
Освіта
Охорона безпеки життя
Охорона Праці
Педагогіка
Політика
Право
Програмування
Промисловість
Психологія
Радіо
Регилия
Соціологія
Спорт
Стандартизація
Технології
Торгівля
Туризм
Фізика
Фізіологія
Філософія
Фінанси
Хімія
Юриспунденкция

З ЗОВНІШНІМ ФОТОЕФЕКТОМ

МЕТА РОБОТИ: одержати залежність фотоструму від напруги, прикладеної до фотоелемента, при різних значеннях освітленості фотокатода і обчислити інтегральні чутливості для трьох положень лампочки.

Прилади і матеріали: лабораторний стенд К4826.

ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Зовнішнім фотоефектом називається явище вилітання електронів з речовини під дією світла. Суть його пояснюється квантовою теорією випромінювання, згідно з якою світло випромінюється не у вигляді неперервних монохроматичних хвиль, як розглядає класична електродинаміка, а окремими порціями — квантами світла (фотонами). Фотон є енергією

e=hn, (1)

де h — стала Планка, n — частота світла, що падає на поверхню тіла, поглинається електроном речовини і передає йому свою енергію. Частину цієї енергії електрон витрачає на виконання роботи виходу А. Якщо e<А, то фотоефект не відбувається, бо енергія, що передана фотоном електрону недостатня для його виривання з поверхні тіла. Якщо e=А, то починається фотоефект. Частота n₀, або довжина хвилі l₀ фотона, енергія якого дорівнює роботі виходу (e=hn₀=hc/l₀=A де с — швидкість світла у вакуумі), називається червоною межею, або порогом фотоефекту. Якщо ж e>А, то різниця енергії e-А йде на надання електронові, що вилетів з поверхні тіла, кінетичної енергії.

Закон збереження енергії при одиничному акті фотоефекту виражається рівнянням Ейнштейна:

hn=A+mv²_max/2, (2)

де hn — енергія світлового кванта, передана електрону, А — робота виходу електрона з речовини, mv²_max/2 — максимальна кінетична енергія електрона, що вилетів з речовини (фотоелектрона). Кінетична енергія вирваного з речовини електрона тут береться максимальною, бо під роботою виходу розуміють мінімальне значення енергії, необхідної для виривання електрона з речовини.

З рівняння Ейнштейна випливають закони зовнішнього фотоефекту:

1. Максимальна швидкість фотоелектронів визначається частотою світла і не залежить від його інтенсивності.

2. Фотострум насичення пропорційний світловому потоку.

3. Для кожної поверхні (речовини) існує мінімальна частота n₀ (так звана червона межа фотоефекту), при якій ще можливий зовнішній фотоефект:

n₀=А/h (3)

При n<n₀ — фотоефект відсутній.

Однією з основних характеристик фотоелемента є вольт-амперна характеристика, тобто залежність фотоструму і від напруги U між анодом і катодом при постійній освітленості фотоелемента. Вольт-амперна характеристика вакуумного фотоелемента показана на рис. 1.

Важливою характеристикою фотоелемента є також чутливість — величина, чисельно рівна зміні фотоструму при зміні світлового потоку на одиницю (1 лм.). Чутливість фотоелемента до білого світла називають інтегральною, а чутливість до монохроматичного — спектральною.

Інтегральна чутливість вакуумних фотоелементів не перевищує 150 мкА/лм (світловий потік в 1 лм. викликає фотострум в 150 мкА).

При постійній напрузі величина фотоструму і пропорційна потоку світлової енергії Ф, що падає на катод:

і=gФ. (4)

де g — інтегральна чутливість фотоелемента (мкА/лм). Звідси

g=і/Ф. (5)

Потік світлової енергії виражається формулою

Ф=Іw (6)

де І — сила джерела світла в канделах (кд), w — тілесний кут у стерадіанах (стер).

Враховуючи, що w=S/l², де S — площа фотокатода (м²), l — відстань від джерела світла (м), а також формули (5), (6), отримаємо:

g=іl²/IS. (7)

Поряд із зовнішнім фотоефектом існує і внутрішній, що характеризується генерацією вільних носіїв зарядів в напівпровіднику, яка виникає внаслідок опромінення напівпровідника. Тобто відбувається безпосереднє перетворення енергії опромінення в електричну енергію. В нашому випадку енергія опромінення — це світлова енергія.

Вентильний фотоелемент (або фотоелемент із запірним шаром) складається із двох тіл з n- і р-провідністю (рис.2.). При освітленні фотони виривають електрони з атомів n-напівпровідника. Ці електрони проходять крізь шар у пропускному напрямку. Таким чином, в n-напівпровіднику створюється нестача електронів, а у р-напівпровіднику — надлишок. Це означає, що при освітленні між електродами виникає ЕРС і гальванометр фіксує струм.

Напівпровідникові фотоелементи із запираючим шаром дають у колі струм без прикладеної зовні напруги.

Якщо фотоелемент послідовно опромінювати різними монохроматичними потоками, що несуть однакову енергію, то величина фотоструму буде залежати від довжини хвилі падаючого світла. Тому поряд з інтегральною чутливістю відрізняють ще й спектральну чутливість фотоелемента. Спектральна чутливість вимірюється відношенням сили фотоструму до величини падаючого на фотоелемент потоку світлової енергії Ф_l у вузькому інтервалі довжин хвиль l¸l+dl:

g_l=і_l/Ф_l. (8)

Найпростіший спосіб отримання спектральної характеристики фотоелемента полягає в тому, що на нього направляють за допомогою монохроматора світло однакової інтенсивності, але різної довжини хвилі та вимірюють відповідну величину фотоструму і.

Однак на практиці інтенсивність джерел світла різна для різних довжин хвиль. Тому, якщо перед монохроматором встановити лампочку розжарення і обертати його барабан, то інтенсивність вихідного світла буде неоднакова.

Проте, величина енергії e_l для кожного значення l може бути визначена на основі законів теплового випромінювання. Знання залежності e_l=f(l) дозволяє зробити перерахунок сили фотоструму від реального джерела до немонохроматичного джерела постійної інтенсивності в будь-якому спектральному інтервалі.

ХІД РОБОТИ

1. Складаємо електричне коло за схемою, зображеною на рис.3.

2. Поставити лампу на максимальній відстані l від фотоелемента і ввімкнути її.

3. Повертаючи ручки потенціометрів на панелі джерела живлення (на початку досліду вони повинні бути в крайньому лівому положенні), змінювати напругу на фотоелементі через 5 В. Знімати покази вольтметра та мікроамперметра.

4. Аналогічні виміри виконати для трьох відстаней між лампою та фотоелементом.

5. Дослід повторити ще два рази при тих же значеннях відстані та напруги.

6. Для кожного значення відстані знайти середнє значення фотоструму.

7. У відповідності до середніх значень фотоструму побудувати в одній системі координат ВАХ фотоелемента при різних відстанях.

8. За формулою (7) обчислити чотири значення інтегральної чутливості фотоелемента, підставивши замість і середні значення струмів насичення (найбільші середні значення сили струмів), S=2×10^{-5 м2}, І=10^-2 кд.

9. З отриманих значень інтегральної чутливості знайти середнє значення.

10.Результати вимірювань та обчислень занести в таблиці.

l₁=

	U₁=	U₂=	U₃=	U₄=	U₅=
i₁=
i₂=
i₃=
i_сер=

l₂=

	U₁=	U₂=	U₃=	U₄=	U₅=
i₁=
i₂=
i₃=
i_сер=

l₃=

	U₁=	U₂=	U₃=	U₄=	U₅=
i₁=
i₂=
i₃=
i_сер=

l₄=

	U₁=	U₂=	U₃=	U₄=	U₅=
i₁=
i₂=
i₃=
i_сер=

№	l, м	i,	g,

g_сер. =

Контрольні запитання

1. Зняття вольт-амперних характеристик і визначення інтегральної чутливості фотоелемента. Суть зовнішнього фотоефекту. Рівняння Ейнштейна.

2. Закони фотоефекту.

3. Чутливість отоелемента.

4. Порядок виконання роботи.

1. До кінців кола, що складається з послідовно ввімкнених термістора та резистора опором 1 кОм, подали напругу 20 В. При кімнатній температурі сила струму в колі 5 мА. Коли термістор занурили у гарячу воду, сила струму стала 10 мА. У скільки разів змінився опір термістора?

2. Фоторезистор, який у темряві має опір 25 кОм, ввімкнено послідовно з резистором, що має опір 5 кОм. Коли фоторезистор освітили, сила струму в колі збільшилася в 4 рази. Визначити опір фоторезистора.

3. Чи виникає фотоефект у цинку під дією випромінювання, що має довжину хвилі 0,45 мкм? Робота виходу електронів з цинку 4,2 еВ.

4. Якої довжини промені світла треба спрямувати на поверхню цезію, щоб максимальна швидкість фотоелектронів становила 2000 км/с? Червона межа фотоефекту для цезію дорівнює 690нм.

5. Яку запірну напругу треба подати на затискачі лампи, щоб електрони, вирвані ультрафіолетовими променями, що мають довжину хвилі 0,1 мкм з вольфрамової пластинки, не змогли створити струму в колі? Робота виходу електронів з вольфраму 4,5 еВ.

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.006 сек.