МУ - К-4 (Изучение фотоэлектронной эмиссии), страница 2

При вылете изкатода электроны имеют различную энергию, от нуля до Tмакс. Поэтому по мере увеличения напряжения ток плавно уменьшается, достигая нуля при напряжении UЗ, называемом напряжением запирания. При U=UЗ все фотоэлектроны возвращаются обратно, причем самые быстрые изних, с энергией Tмакс, поворачивают обратно вблизи анода. Для них выполняется соотношение(3)Tмакс=eUЗТакой способ измерения энергии заряженных частиц называется методом запирающего (задерживающего) напряжения.Подставив (3) в (1), получим(4)UЗ=hν/e-A/e.(здесь и далее берем модуль UЗ и е).Jν2Формулу (4) можно проверить, измеряя UЗ длямонохроматического света различной частоты.

Опытν2>ν1показывает, что запирающее напряжение растет сν1увеличением частоты (рис.7) и не зависит от интенсивности света при неизменной частоте (см. рис.6).UЗ1UЗ2Для проверки выражения (4) можно использоватьтакже немонохроматическое излучение с частотойUν≤νмакс, что упрощает установку. В этом случае уравнение (1) следует записать в виде0Рис. 7(5)Tмакс=hνмакс-A,так как наиболее быстрые электроны с энергией Tмакс будут выбиваться фотонами с максимальной энергией hνмакс, где νмакс - максимальная частота падающего излучения.

Тогда соотношение(4) будет иметь вид(6)UЗ=hνмакс/e -А/емаксВ данной работе для света с различным значением νопределяется UЗ и строится графическая зависимость Uз от νмакс (рис.8). Если экспериментальные точки ложатся на прямую, тоопыт согласуется с формулой (6) и подтверждает, что энергия фотона пропорциональна частотесвета (ε=hν).Из наклона прямой на рис.8 можно найти отношение постоянной Планка к заряду электрона:(7)h/e=δUЗ/δνмакс,максгде δUЗ (в вольтах) и δν(в герцах) - длины катетов треугольника на рис.8. Считая заряд электрона известным, из (7) можно определить постоянную Планка.Как видно из формулы (6), график на рис.8 позволяет определить красную границу ν0 по пересечению прямой с осью абсцисс (при UЗ =0) и работу выхода - по пересечению прямой сосью ординат (при νмакс=0).

Прямая отсекает на оси ординат отрезок в вольтах, численно равный работе выхода в электронвольтах (1 эВ= 1,6·10-19 Кл·1В=1,6·10-19 Дж).Заметим, что описанная выше методика измерения А и ν0 верна только в том случае, когда работа выхода материала фотокатода и анода одинаковая. Тогда между электродами фотоUЗ, ВδUЗ0AνМАКС, Гцν0δνМАКСРис. 8элемента отсутствует контактная разность потенциалов, которую мы не учитывала при рассмотрении метода запирающего напряжения. Используемый наш фотоэлемент удовлетворяетэтому условию, поскольку в нем фотоэмиттер наносился распылением материала на стеклянный баллон, в результате чего распыляемый материал осаждался и на аноде.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬСодержание работыИзучаются ВАХ фотоэлемента для света различного спектрального состава, отличающегося значением νмакс(верхней границы спектра), и различной интенсивности при одинаковомспектре.

Из этих характеристик видно, что запирающее напряжение (или связанная с ним максимальная энергия эмитированных электронов) не зависит от интенсивности и линейно растет сувеличением частоты излучения νмакс.Из полученных данных определяют численные значения постоянной Планка, работа выхода, красной границы, энергии фотонов и мощности излучения.Описание установки.В работе используется фотоэлемент с многощелочный фотоэмиттеpoм (Na2K)Sb-Cs илисурьмяно-цезиевым фотоэмиттером Cs3Sb.

Окошко фотоэлемента изготовлено из кварцевогоили увиолевого стекла, пропускающего не только видимое, но и ультрафиолетовое излучение.Электрическая схема установка показана на рис.9. Она содержит лампу, фотоэлемент,SA1ФотоэлементппоV1AUИСТпФКR1оR2URV2JоИсточникпитанияПолярность:п – прямаяо - обратнаяSA1СветофильтрЛампя с пускорегулирующим устройствомРис. 9регулируемый источник питания фотоэлемента, измерительные приборы.

Вольтметр V1 измеряет напряженно UИСТ источника питания.Для тщательного изучения ВАХ необходимо ток измерять в очень широких пределах,примерно от 10-10 до 10-5 А. В одном варианте установки для этого используется чувствительный амперметр. В другом варианте, показанном на рис.9, ток определяют путем измерения небольшого напряжения UR на сопротивлении R1 или R2, включенном в цепь фотоэлемента:I=UR/R, где R=R1 или R=R2.Переключатель SA 1, изменяющий полярность напряжения на фотоэлементе, одновременно включает в измерительную цепь либо небольшое сопротивление R1 при прямой полярности, либо большое сопротивление R2 при обратной полярности (значения сопротивленийприведены на установке).

Напряжение UR измеряется чувствительным цифровым вольтметромUR с большим сопротивлением по сравнению с R2.Напряжение на фотоэлементе равно разности напряжений источника и UR: U=UИСТ -UR.Поскольку UR мало (≤0,1 В), им можно пренебречь, т.е. можно считать U≈UИСТ.Источником видимого и ультрафиолетового (УФ) излучений служат газоразрядная ртутная лампа низкого давления. Она излучает на небольшом числе дискретных частот, т.е. имеетлинейчатый спектр (рис.10а).

Длина вертикальной черты пропорциональна мощности излучения на данной частоте.Спектр излучения, падающего на фотоэлемент, можно изменить с помощью поглощающих светофильтров. Излучение, прошедшее через желтый светофильтр, содержит только двеблизкие линии (рис10в); из них зеленая линия с λ = 546 мм имеет более высокую частоту.

Этопервая "рабочая" частота ν1макс =5,5·1014 Гц.Синий светофильтр, пропускающий среднюю часть спектра (рис. 10б), формирует вторую рабочую частоту ν2макс=9,6·1014 Гц (ультрафиолетовое излучение с λ=313 мм). Наконец,наиболее высокую частоту ν3макс=11,8·1014 Гц (λ =254мм) получим, не применяя никаких свето-ВидимоеУльтафиолетовое804ν3МАКСа)Без фильтра246121082ν2МАКСν, 1014 Гцб)Синий фильтрν2ν1МАКСв)Желтый фильтрνРис.

10фильтров (рис 10а).Светофильтры установлены на пластине, которую можно перемещать перед окном фотоэлемента. Для каждой частоты подобрана диафрагма, чтобы ток насыщения был одного порядка.При смене светофильтра другой такой же фильтр перекрывает окошко на панели блокафотоэлемента. При желтом фильтре наблюдается зеленое свечение. При двух других положениях рукоятки "Смена фильтров" рабочими являются невидимые ультрафиолетовые линии, анаблюдаемое глазом свечение обусловлено более низкочастотным излучением.Рукоятка "Смена фильтров" имеет три рабочих положения - два крайних и среднее, в которых интенсивность излучения условно назовём нормальной. Если рукоятку немного сдвинуть(примерно на 1 см), то интенсивность падающего на фотоэлемент света уменьшается в несколько раз без изменения спектра.Фотоэлемент, лампа, светофильтры и переключатель полярности расположены в блокефотоэлемента.Особенность вольт-амперной характеристики.На рис.11 показан фрагмент вольт-амперной характеристики при обратной полярности,полученной в данной работе.

В отличие от упрощенных характеристик на рис.5....7, реальнаяВАХ имеет следующую особенность. При увеличении напряжения ток уменьшается, а достигнув нуля, изменяет направление, и вскоре устанавливается небольшое, почта постоянное значе-ние обратного тока.Этот обратный ток объясняется эмиссией электронов с анода под действием рассеянногов фотоэлементе света. Таким образом, в одном фотоэлементе как бы присутствуют два включенных антипараллельно фотоэлемента - основной и побочный; последний со значительно более слабым током. Поэтому результирующая ВАХ, показанная схематично на рис.12а, представляет собой алгебраическую сумму вольт-амперных характеристик основного (рис.12б) ипобочного (рис.12в) фотоэлементов.

Отсюда следует, что запирающее напряжение UЗ следуетопределять не в точке I=0, а там, где кривая переходит в участок со слабым наклоном (см.рис.11 и 12), Как видно из рис.11, для нахождения UЗ необходимо тщательно измерить и построить график BAХ в области обратного тока.J, нА1JUЗа)0U0б)UЗ-1в)-5-4-3-2-1U, ВРис.

11Рис. 12Выполнение эксперимента1. Ознакомиться с установкой и инструкцией по использованию приборов, приложенной к установке.2. Проверять правильность электрических соединений, пользуясь обозначениями на концахпроводников и на панели приборов.3. По правилам техники безопасности и для устранения электрических помех установка должнабыть заземлена.4.

Включить лампу, сеть измерительного прибора и источника питания. Пока лампа разгорается(около 5 мин), ознакомьтесь с установкой в работе.5. В этом пункте даны указания для последующих измерений. Зависимость тока фотоэлемента Iот напряжения U изучается для трех значений частот при "нормальной" интенсивности света идвух частот (ν1макс и ν3макс) при меньшей интенсивности. Во всех случаях напряжение ПРЯМОЙполярности следует изменять от нуля, до 30 В (до 50 В, если позволяет источник питания) с шагом примерно 5 В.При обратной полярности рекомендуем следующую схему измерений, позволяющих определить значения запирающего напряжения:для жёлтого светофильтра напряжение изменять от 0,1 до 1 B с шагом 0,1В; от 1 до 5В сшагом 1В;для синего светофильтра: от 0,5 до 2,1 В с шагом 0,2 В; от 2,5 до 5 В с шагом 0,5 В;без светофильтра: от 1 до 3,4 В с шагом 0,3 В, от 4 до 5 В с шагом 0,5 В.При обратной полярности напряжения необходимо записать в табл.1 также знак тока("плюс" или "минус").6.

Рукояткой "Смена (фильтров" установить желтый фильтр и произвести указанные в п.5 измерения. Результаты записать в первый и в второй столбцы табл.1.Таблица1.Уменьшенная интенсивностьНормальная интенсивностьЖелтый фильтр, Синий фильтр,Без фильтра,ЖелтыйБез фильтрафильтрν1макс=5,5·1014 Гц ν2макс=9,6·1014 Гцν3макс=11,8·1014 ГцUIUIUIUIUIUЗ1=UЗ2=UЗ3=UЗ1=UЗ3=7. Повторить измерения с синим светофильтром и без светофильтра.8.

Снять BAX для жёлтого светофильтра при меньшей интенсивности света. Уменьшение интенсивности провести следующим образом. Сначала установить рукоятку "Смена фильтров" вкрайнее левое положение. Заметить по прибору ток насыщения фотоэлемента, т.е. ток при максимальном прямом напряжении. Затем небольшим перемещением рукоятки (~ 1 см) уменьшитьток в 2...3 раза. В этом положении рукоятки снять вольт-амперную характеристику.9. Проделать аналогичные измерения для частоты ν3макс (без фильтра).10. Выключить установку.Обработка и анализ результатов измеренийЗадание 1.