Изучение внешнего фотоэффекта с помощью вакуумного фотоэлемента

 

Фотоэффектом называется освобождение (полное или частичное) электронов от связей с атомами и молекулами вещества под воздействием света (видимого, инфракрасного и ультрафиолетового). Различают три вида фотоэффекта - внешний, внутренний, вентильный. Фотоэффект наблюдается как в твердых, так и в жидких и газообразных средах.

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием света. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле называется фототоком. Внешний фотоэффект наблюдается у металлов.

Внутренний фотоэффект (фотопроводимость) - это явление возникновения внутри вещества избыточных носителей тока под действием освещения, что приводит к изменению электрических свойств этого вещества при воздействии падающего на него света. Внутренний фотоэффект присущ только полупроводникам и диэлектрикам. На основе этого явления создана и постоянно совершенствуется большая группа приемников света - фоторезисторов.

Вентильный фотоэффект – это явление возникновения ЭДС при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла в отсутствии внешнего электрического поля. На этом явлении основаны вентильные фотоэлементы, обладающие тем преимуществом, что они могут служить индикатором лучевой энергии, не требующими внешнего питания. Главная особенность вентильных фотоэлементов состоит в том, что они открывают путь для прямого превращения солнечной энергии в электрическую.

Широкое практическое применение находит внешний фотоэффект, который был впервые исследован профессором Московского университета Столетовым А.Г. (1888 г) Схема опытов Столетова по исследованию внешнего фотоэффекта изображена на рис.24.

Рис. 24

В вакуумной трубке размещены металлическая пластинка К, служащая катодом и электрод. А, служащий анодом. Электроды К и А через гальванометр Г подключены к соответствующим полюсам батареи Б. Напряжение между анодом и катодом измеряется вольтметром V. Высокий вакуум поддерживается между электродами К и А во время измерения, т.к. присутсвие газов может сильно изменить свойства поверхностей электродов и осложняет условия выхода и переноса зарядов. Графически зависимость фототока I_Ф от напряжения V (вольт-амперная характеристика) при определенном световом потоке (Ф = const.)приведена на рис.25.

Рис. 25

С увеличением напряжения фототок сначала растет, быстро достигая наибольшего значении I₀, получившего название тока насыщения. Дальнейшее увеличение напряжения уже не вызывает роста силы тока. Значение тока насыщения определяется количеством электронов n, при вырываемых светом из катода за единицу времени:

I₀ = en (70)

где е - заряд электрона.

Поэтому значение фототока насыщения J является мерой фотоэлектрического действия света. При v = 0 в цепи течет некоторый фототок (J ≠ 0), что свидетельствует о наличии у фотоэлектронов, покидающих катод, начальной скорости. Если поменять полярность электродов, то электрическое поле будет тормозить движение электронов, а при некотором значении V = V_з (задерживающее напряжение) даже самые быстрые фотоэлектроны, имеющие максимальную скорость v_max; не достигнут анода – фототок прекратиться.

В этих условиях

(71)

где m - масса электрона.

Из опыта установлены следующие законы внешнего фотоэффекта:

1. Сила фототока насыщения пропорциональна падающему световому потоку:

I₀ = γФ (72)

Коэффициент γ, соответствующий силе фототока (выраженной в мкА) при освещенности катода световым потоком в I лм, называется фоточувствительностью освещаемой поверхности, он зависит от природы и состояния этой поверхности, а также от длины световой волны.

2. Максимальнаяскоростьфотоэлектроновлинейновозрастаетсростомчастотысветаинезависитотегоинтенсивности.

3. Фотоэфффектможетбытьвызвансветом(независимоотегоинтенсивности),частотакоторогонениженекоторойминимальнойчастоты ν₀, характернойдляданноговеществакатодаиназываемойкрасной границей фотоэффекта.

Законы фотоэффекта были объяснены на основе квантовых представлений, вытекающих из теории М. Планка. Согласно этой теории свет поглощается веществом не непрерывно, а в виде дискретных порций - квантов электромагнитного излучения, названых фотонами.

Световой поток определяется числом фотонов, падающих на поверхность катода в единицу времени, поэтому число освобождаемых электронов должно быть пропорционально световому потоку. А. Эйнштейн предположил, что энергия одного поглощенного фотона hν целиком передается одному электрону. Она расходуется на совершение работы выхода (А) электрона из металла и сообщение ему максимальной (т.к. пренебрежимо мало превращение световой энергии в тепловую) кинетической энергии (mv²_max/2).

Таким образом, энергетический баланс при фотоэффекте выражается следующим равенством (уравнение Эйнштейна):

(73)

Уравнение (73) дает возможность определить красную границу. С уменьшением частоты света кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается (работа А постоянна для данного освещаемого вещества). При некоторой частоте ν = ν₀ (или длине волны ,где с – скорость света) кинетическая энергия фотоэлектронов станет равной нулю () и фотоэффект прекратится (третий закон фотоэффекта). Это имеет мести при hν₀ = A,т.е. в случае, когда вся энергия фотона расходуется на совершение работы выхода электрона. Тогда

или (74)

Красная граница зависит от материала катода (h - постоянная Планка).

Второй закон фотоэффекта прямо вытекает из уравнения (73).

Рис. 26

Приборы, действие которых основано на явлении внешнего фотоэффекта, называются фотоэлементами. Различают вакуумные и газонаполненные (инертным газом) фотоэлементы. Простейший вид фотоэлемента представлен на рис. 26. В стеклянном баллоне имеются два электрода: фотокатод К, представляющий собой металл, нанесенный на внутреннюю поверхность баллона, и анод А в виде петли, диска или сетки. Фотоэлемент подключается к источнику постоянного напряжения. Освещение катода вызывает в цепи фотоэлемента ток (регистрируется гальванометром Г), пропорциональный световому потоку Ф. Важная характеристика фотоэлемента - его чувствительность, равная фототоку, вызываемому единичным световым потоком. Чувствительность определяется в основном веществом катода и для вакуумных фотоэлементов обычно не превышает 150 мкА/лм. В газонаполненных фотоэлементах, содержащих небольшое количество инертного газа, чувствительность повышается до 1000 мкА/лм за счет ионизации газа ударами быстро летящих электронов. Очень важным для практики свойством вакуумных фотоэлементов является их практическая безынерционность:время между началом освещения и моментом появления фототока в них не превышает 10^-9с.

 

СПЕКТРЫ ИЗЛУЧЕНИЯ И ПОГЛОЩЕНИЯ

 

В 1672 г Ньютоном было экспериментально установлено, что показатель преломления стеклянной призмы зависит от длины волны падающего света. При пропускании через стеклянную призму узкого пучка белого света на экране, установленного позади призмы, наблюдается радужная полоска (рис.27), которая называется призматическим или дисперсионным спектром.

 

Рис. 27.

Дисперсией света называются явления, обусловленные зависимостью показателя преломления вещества n от длины световой волны λ₀. Эту зависимость можно охарактеризовать функцией:

, (75)

где λ₀ - длина световой волны в вакууме.

Дисперсией вещества называется производная n по λ₀ (dn/dλ₀).Отношение скорости c световой волны в вакууме к скорости v в некотором веществе называется абсолютным показателем преломления этого вещества (среды):

(76)

Длины волн видимого света заключены в пределах λ₀ = 400 ÷ 760 нм. Эти значения относятся к световым волнам в вакууме. В веществе длины волн будут иными. В случае колебаний частоты ν длина волны в вакууме равна λ₀ = c/ν. В веществе, в котором скорость световой волны v = c/n, длина волны имеет значение:

λ = v/ν = c/ νn = λ₀/n (77)

Таким образом, длина световой волны в веществе с показателем преломления n cвязана с длинной волны в вакууме соотношением:

(78)

Частоты видимых световых волн лежат в пределах

ν = (0,39 ÷ 0,75) · 10¹⁵ Гц (79)

Для всех прозрачных веществ функция (75) имеет в видимой части спектра характер, показанный на рис. 2. С уменьшением длинны волны показатель преломления увеличивается со все возрастающей скоростью; дисперсия света отрицательна и растет по модулю с уменьшением длинны волны (дисперсия нормальная).

Рис. 28.

Если вещество поглощает часть лучей, то в области поглощения и вблизи её ход дисперсии обнаруживает аномалию (см. рис. 30). На некотором участке дисперсии вещества dn/dλ₀ оказывается положительной. Такой ход зависимости n от λ₀ называется аномальной дисперсией. Среды, обладающие дисперсией, называются диспергирующими. В диспергирущих средах скорость световых волн зависит от длинны λ₀.