ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОЭЛЕМЕНТОВ
Цель работы:снять вольт-амперную и люкс-амперную характеристики вакуумного фотоэлемента и фотосопротивления.
Приборы и принадлежности: оптическая скамья, вакуумный фотоэлемент СЦВ-4, фотосопротивление, вольтметр, миллиамперметр, выпрямитель, источник света.
Сведения из теории
Действие фотоэлементов основано на явлениях внешнего и внутреннего фотоэффектов.
Внешним фотоэффектом называется явление испускания электронов металлами под действием света. Для внешнего фотоэффекта характерны следующие закономерности.
1. Число электронов, испускаемых веществом в единицу времени, пропорционально интенсивности падающего света.
2. Начальная скорость вылетевших электронов определяется частотой света и не зависит от его интенсивности. С увеличением частоты падающего света скорость электронов увеличивается.
3. Для каждого вещества существует так называемая красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота светаn0, при которой еще имеет место фотоэффект. Величина n0 зависит от химической природы вещества и состояния его поверхности.
4. Фотоэффект практически безынерционен, т.е. между началом освещения и возникновения фотоэффекта нет заметного промежутка времени.
Закономерности фотоэффекта не укладываются в рамки классической электромагнитной теории света.
Эйнштейн показал, что все основные закономерности фотоэлектрического эффекта непосредственно объясняются, если предположить, что свет поглощается такими же порциями энергии, какими он, по предположению Планка, испускается. В самом деле, при вырывании электрона из металла энергия кванта света идет на работу выхода А электрона из металла и на сообщение электрону кинетической энергии
Так как порция световой энергии, поглощенной электроном при его вырывании, равна hn, то позакону сохранения энергии
.
Это равенство называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Из этого уравнения следует, что минимальная порция энергии, необходимая для вырывания, должна быть равна работе выхода А. Следовательно, частота n0, соответствующая красной границе фотоэффекта, n0 = A / h.
Внутренним фотоэффектом называется появление под действием света внутри диэлектрика или полупроводника добавочных свободных электронов.
Поглощая фотоны, связанные электроны вещества получают энергию, но не вылетают за пределы вещества, а становятся свободными, оставаясь внутри вещества и увеличивая его проводимость (явление фотопроводимости).
Механизм внутреннего фотоэффекта вскрывается зонной теорией твердых тел, согласно которой электроны, поглощая кванты света, переходят из валентной зоны в зону проводимости.
Законы внутреннего фотоэффекта эквивалентны законам внешнего фотоэффекта.
На основании внешнего и внутреннего фотоэффектов строится большое число приемников излучения, преобразующих световой сигнал в электрический и объединенных общим названием – фотоэлементы.
Фотоэлементы с внешним фотоэффектом
|
Вакуумный фотоэлемент представляет собой откачанный стеклянный баллон, часть внутренней поверхности которого покрыта тонким слоем светочувствительного металла, играющего роль фотокатода. Анод А находится в центре баллона (рис. 9.1). При освещении фотоэлемента из катода вылетают электроны и под действием электрического поля попадают на анод. По цепи идет ток.
| Рис. 9.1 |
Газонаполненный фотоэлемент содержит какой-либо инертный газ под небольшим давлением. Первичные фотоэлектроны ионизируют атомы газа, что приводит к увеличению тока, проходящего через элемент.