Цель работы исследование закономерностей эффекта фотоэлектронной эмиссии (внешнего фотоэффекта) измерение работы выхода электрона и красной границы эффекта для материала фотокатода. Схема установки
 Скачать 158.62 Kb.
|
|
Цель работы: исследование закономерностей эффекта фотоэлектронной эмиссии (внешнего фотоэффекта); измерение работы выхода электрона и красной границы эффекта для материала фотокатода. Схема установки. Электрическая схема установки представлена на рис. 10.1. Переключатель предназначен для управления освещенностью фотокатода. Он обеспечивает протекание тока разной величины в нити лампы накаливания . С помощью переключателя обеспечивается прямое или обратное подключение фотоэлемента ФЭ к источнику напряжения.  Рис.10.1. Электрическая схема установки для исследования внешнего фотоэффекта. Для изменения прямого и обратного напряжения между электродами ФЭ электрическая схема содержит, соответственно, потенциометры и  .Сила фототока фотоэлемента измеряется микроамперметром РА, а напряжение между его электродами контролируется вольтметром  .В фотоэффекте проявляется корпускулярные свойства электромагнитно- го излучения. В квантовой теории электромагнитное излучение представляют в виде потока частиц (фотонов), движущихся с постоянной скоростью  . Фотон имеет нулевую массу покоя, обладает энергией  и импульсом  .Неупругое столкновение (поглощение) фотона с электроном проводимости металла приводит к его выходу за пределы вещества. Процесс выхода электрона описывается законом сохранения энергии  (10.1)где  и – энергия падающего фотона, и – его частота и длина волны,  – работа выхода электрона из металла, идущая на преодоление потенциального барьера, удерживающего электрон внутри металла, минимальную частоту фотона , при которой начинается фотоэффект, и соответствующую ей длину волны фотона называют красной границей фотоэффекта,  – кинетическая энергия вылетающего электрона, – задерживающая разность потенциалов, под которой понимают напряжение между катодом и анодом установки, полностью гасящее кинетическую энергию вылетающих из металла электронов. Соотношение (10.1) носит название уравнения Эйнштейна для фотоэффекта. При фотоэффекте лишь малая доля падающих на металл фотонов при- водит к выбиванию электронов из образца. Это связано, прежде всего, с ма- лой глубиной выхода фотоэлектронов, которая значительно меньше глубины поглощения света в металле. Большинство фотоэлектронов имеют энергию ниже работы выхода или рассеивает свою энергию до подхода к поверхности и теряет возможность выйти наружу. Кроме того, коэффициент отражения падающего излучения в видимой и ближней УФ-областях велик, и лишь малая часть излучения поглощается в металле. Число эмитированных электронов в расчете на один фотон, падающий на поверхность тела, называется квантовым выходом . Величина определяется свойствами вещества, состоянием его поверхности и энергией фотонов. В результате количество вышедших электронов  оказывается пропорционально количеству фотонов  , падающих на поверхность металла в течение времени : (10.2)Исследуемые закономерности Для исследования внешнего фотоэффекта в работе используется ваку- умный диод (фотоэлемент СЦВ-4), содержащий два металлических электро- да (анод и катод) внутри стеклянной оболочки. При комнатной температуре в вакуумном промежутке между электродами содержится незначительное ко- личество электронов, возникающее за счет эффекта термоэлектронной эмис- сии металла. Освещение поверхности катода приводит к увеличению числа свободных электронов в этой области. Зависимость силы тока I от напряжения U на фотоэлементе имеет нели- нейный характер. Причина нелинейности вольтамперной характеристики I(U) – неоднородность распределения по скоростям вышедших из катода электронов вследствие их теплового движения. В случае отрицательной по- лярности подключения внешнего источника к электродам фотоэлемента с ростом напряжения U уменьшается доля электронов, имеющих кинетиче- скую энергию, достаточную для достижения анода, и уменьшается ток I. При некотором значении обратного напряжения  кинетической энергии электронов, полученной при фотоэлектронной эмиссии, оказывается недостаточно, чтобы преодолеть тормозящее действие поля, и сила тока, протекающего через фотоэлемент, обращается в ноль  . Запирающее напряжение в опыте измеряется прямым методом и с точностью до постоянного множителя (элементарный заряд) совпадает с кинетической энергией фотоэлектрона, если она измеряется в электрон-вольтах. Запирающее напряжение определяется соотношением  (10.3)То есть это напряжение, которое полностью гасит кинетическую энергию вылетающих из металла электронов. Теория Эйнштейна (10.1) прогнозирует линейную зависимость запирающего напряжения от частоты электромагнитного излучения  (10.4)где  минимальная частота излучения, при которой возможен выход электрона из исследуемого металла. Аппроксимация результатов измерения  линейной функцией позволяет найти ее параметры (рис.10.2): граничную частоту, работу выхода  и отношение констант  . Рис. 10.2. Зависимость запирающего напряжения на фотоэлементе от частоты электромагнитного излучения Фототок зависит от освещенности катода установки , которая определяется как количество энергии, падающее на единицу площади поверхности в единицу времени. Если на катод в единицу времени падает  фотонов, то  (10.5)При некотором значении напряжения U между катодом и анодом фотоэлемента величина фототока перестает зависеть от напряжения и представляет собой ток насыщения - асимптоту вольтамперной характеристики  фотоэлемента. Ток насыщения пропорционален потоку излучения, падающего на поверхность металла и согласно (10.2) равен  (10.6)где  ,  - поток излучения источника, падающий на фотокатод. Соотношение (10.6) известно как закон Столетова. Если учесть, что  , где E – освещенность катода, S – его площадь, то закон Столетова можно записать в виде  (10.7)где  . |