WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 7 |

Краткая теория Фотоэлектрическим эффектом или фотоэффектом называется освобождение (полное или частичное) электронов от связей с атомами и молекулами вещества под действием света (видимого, инфракрасного и ультрафиолетового).

Если электроны выходят за пределы освещаемого вещества (полное освобождение), то фотоэффект называется внешним (открыт в 1887 г. Г.

Герцем и подробно исследован в 1888 г, А.Г. Столетовым). Если же электроны теряют связь только Свет со «своими» атомами и О молекулами, но остаются внутри • • А • К • освещаемого вещества в качестве - • • + "свободных электронов" Г (частичное освобождение), V увеличивая тем самым электропроводность веществ, то фотоэффект называется внутренним (открыт в 1873 г.

- + американским физиком У.

Рис.Смитом).

Внешний фотоэффект наблюдается у металлов. Принципиальная измерительная схема, с помощью которой исследовался внешний фотоэффект, изображена на рис.1.

Отрицательный полюс батареи присоединен к металлической пластине К (катод), положительный – к вспомогательному электроду А (анод). Оба электрода помещены в сосуд, имеющий кварцевое окно O (прозрачное для оптического излучения). Поскольку электрическая цепь оказывается разомкнутой, ток в ней отсутствует. При освещении катода К свет вырывает изнего электроны (фотоэлектроны), устремляющиеся к аноду, и в цепи появляется ток (фототок). Схема даёт возможность измерять силу фототока гальванометром Г и скорость фотоэлектронов приразличных значениях напряжения U между катодом и анодов и при различных условиях освещения катода.

Классическая электродинамика, согласно которой свет распространяется в виде непрерывных монохроматических волн, не может объяснить всех закономерностей фотоэффекта. Сущность его объясняется квантовой теорией излучения. Излучение света происходит не непрерывно, а отдельными порциями - квантами света (фотонами). Однако явления интерференции и дифракции свидетельствуют о том, что световое излучение обладает также и волновыми свойствами. Поэтому каждому кванту может быть приписана определенная частота. Энергия кванта E=hv, (1) где h - постоянная Планка, v - частота света. По этой теории световой поток определяется числом световых квантов (фотонов), падающих в единицу времени на поверхность металла. Каждый фотон может взаимодействовать только с одним электроном. Поэтому максимальное число фотоэлектронов должно быть пропорционально световому потоку.

Если энергия фотона передаётся электрону в металле, то поглощающий электрон должен приобрести энергию, равную h. Очевидно, часть этой энергии электрон должен затратить на совершение работы выхода А, под которой понимается минимальное значение энергии, необходимое для вывода электрона из металла. Эта доля энергии будет большей для электрона, лежащего на некоторой глубине под поверхностью, чем для выходящего из поверхностного слоя. Оставшаяся часть этой энергии представляет собой кинетическую энергию фотоэлектрона mV2/2 (где m - масса электрона, V - его скорость).

Тогда, согласно закону сохранения энергии, можно записать hv=A+mV2/2 (2) Эта формула, предложенная в 1905 г. А. Эйнштейном и подтвержденная затем многочисленными экспериментами, называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

Опытным путем установлены следующие основные законы внешнего фотоэффекта:

1. Фототок насыщения (т.е. максимальное число электронов, освобождаемых светом в 1 с прямо пропорционален световому потоку.

2. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов возрастает с увеличением частоты падающего света и не зависит от его интенсивности.

3. Независимо от интенсивности света фотоэффект начинается только при определенной (для данного металла) минимальной частоте света кр называемой красной границей фотоэффекта.

4. Фотоэффект возникает и исчезает почти одновременно с началом и прекращением облучения; расхождение во времени не превышает 10-9с.

Перечисленные законы внешнего фотоэффекта не могут быть объяснены волновой теорией света. Только первый закон согласуется с этой теорией: чем больше интенсивность падающего излучения, тем большее число электронов получит энергию, необходимую для выхода из металла.

Второй и третий законы объяснить на основе волновой теории света нельзя. Действительно, по этой теории интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды электромагнитной волны. Поэтому свет любой частоты, но достаточно большой эффективности должен был бы вырывать электроны из металла; иначе говоря, не должно было бы существовать красной границы фотоэффекта.

Этот вывод противоречит третьему закону фотоэффекта.

Далее, чем больше интенсивность света, тем большую кинетическую энергию должен был бы получить от него электрон. Поэтому скорость фотоэлектрона должна была бы возрастать с увеличением интенсивности света;

этот вывод противоречит второму закону фотоэффекта.

Законы внешнего фотоэффекта получают простое истолкование на основе квантовой теории света. Из уравнения Эйнштейна (2) непосредственно видно, что скорость фотоэлектрона возрастает с увеличением частоты света и не зависит от его интенсивности (поскольку ни А, ни не зависят от интенсивности света). Этот вывод соответствует второму закону фотоэффекта.

Согласно уравнению (2), с уменьшением частоты света кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается (работа выхода А постоянна для данного освещаемого вещества). Принекоторой достаточно малой частоте = кр (или длине волны кр =с/кр )кинетическая энергия фотоэлектрона станет равной нулю ( mV2/2=0) и фотоэффект прекратится, что соответствует третьему закону фотоэффекта. Это имеет место при hкр=A, т.е. в случае, когда вся энергия фотона расходуется только на совершение работы выхода электрона. Тогда (3) кр=А/h или кр=hc/A Формулы (3) определяют красную границуфотоэффекта. Из этих формул следует, что она зависит от работы выхода, т.е. от материала фотокатода.

На внешнем фотоэффекте основан важный физико-технический прибор, называемый вакуумным фотоэлементом. Катодом К вакуумного фотоэлемента служит слой A K металла, нанесенный на внутреннюю поверхность вакуумного стеклянного баллона В. Анод выполнен в виде металлического кольца, помещенного в B Г центральной части баллона. Приосвещении катода в цепи фотоэлемента возникает электрический ток, сила которого + - пропорциональна световому потоку.

Большинство современных фотоэлементов Рис.имеет сурьмяно-цезиевые или кислородно– цезиевые катоды, обладающие высокой фоточувствительностью. Кислородно-цезиевые фотоэлементы чувствительны к инфракрасному и видимому свету (чувствительность 2080 мкА/лм), сурьмяно-цезиевые фотоэлементы: чувствительны к видимому и ультрафиолетовому свету (чувствительность 50-150 мкА/лм).

Свет В некоторых случаях для увеличения чувствительности фотоэлемента его наполняют аргоном при давлении порядка I Па. Фототок в таком фотоэлементе усиливается вследствие ионизации аргона, вызванной столкновениями фотоэлектронов с атомами аргона. Фоточувствительность газонаполненных фотоэлементов составляет около I мА /лм.

В настоящее время фотоэлементы находят широкое применение в науке и технике. Поскольку сила фототока пропорциональна световому потоку, фотоэлементы используются в качестве фотометрических приборов. К таким приборам относятся, например, люксметр (измеритель освещенности) и фотоэлектрический экспонометр.

Фотоэлемент позволяет преобразовывать колебания светового потока в соответствующие колебания фототока, что находит применение в технике звукового кино, телевидении и т. д.

Исключительно велико значение фотоэлементов для.телемеханизации и автоматизации производственных процессов, которые в сочетании с электронным усилителем и реле, реагируя на световые сигналы, управляют работой различных промышленных и транспортных установок.

Описание установки.

В данной работе для изучения внешнего фотоэффекта вакуумного фотоэлемента используется призменный монохроматор-спектроскоп УМ – 2, который предназначен для спектральных исследований в диапазоне длин волн от 3800 до 10000 (1 =10-10м) Рассмотрим принцип действия простейшего спектрального прибора с призмой для исследования ФЭ M LКрасный LSА Белый К P свет мкА N S- + Фиолетовый Источник S напряжения Рис.фотоэффекта. Схема его изображена на рис. 3.

Пучок белого света от источника S проходит через узкую щель S1, находящуюся в фокальной плоскости линзы L. На выходе из линзы он всегда будет параллельным. Такие устройства, назначение которых давать параллельный пучок света, называются коллиматорами. После прохождения призмы P, способной поворачиваться, и преломления в ней пучки света разных длин волн фокусируются линзой L2 в ее фокальной плоскости, совмещенной с белым непрозрачным экраном MN.

Поскольку щель S1 параллельна основанию призмы Р, то на экране получится ряд монохроматических (цветных) изображений этой щели – сплошной спектр излучения. Последовательность цветов в спектре – фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый, красный - обусловлена разной степенью преломления их лучей в зависимости от длины волны, т.е. ф< с< г< з <ж< о< кр. В сплошном спектре переход от одного цвета к другому совершается постепенно и непрерывно.

Далее, любой изучастков сплошного спектра через щель S2 может быть направлен на фотоэлемент ФЭ. К аноду А и катоду К фотоэлемента подключены соответственно положительный и отрицательный полюсы источника постоянного напряжения, а фототок фиксируется микроамперметром.

Монохроматор УМ-3 представляет собой сложный оптический прибор, внешний вид которого с другими принадлежностями приведен на рис.4.

Основные части монохроматора - коллиматор К, призма Р с поворотным механизмом, приводимым в движение барабаном Б, выходная Р SЗТ К S У Б МВ ФЭ Тумблер Рис.зрительная труба ЗТ.

На входе коллиматора имеется вертикальная щель S1, напротив которой установлен осветитель S. Ширина щели может регулироваться микрометрическим винтом МВ.

Поворот призмы Р осуществляется отсчетным барабаном Б. На барабан нанесена винтовая дорожка с градусными делениями о от 0 до 3500о.

Вдоль дорожки скользит указатель барабана У.

При вращении барабана призма поворачивается и на экране происходит смещение сплошного спектра излучения в горизонтальном направлении.

Объектив выходной зрительной трубы монохроматора собирает пучкисвета в своей фокальной плоскости на экране MN отдельно для каждой длины волны.

Источник высокого напряжения, питающий фотоэлемент ФЭ, вмонтирован в корпус монохроматора и включается одновременно с осветителем S тумблером на корпусе монохроматора.

Вакуумный фотоэлемент ФЭ состоит изкруглой стеклянной колбы и двух электродов с выводами, на которые подаётся постоянное напряжение U= 600 B. Для безопасности ФЭ (рис. 4) помещён в прозрачный изолирующий корпус. При работе для защиты от постороннего света ФЭ закрывается специальным кожухом, на котором находится белый экран с узкой щелью S2 в центре.

Узкий пучок света (~200 ) через эту щель попадает на фоточувствительный металлический электрод, содержащий цезий, и выбивает электроны. Возникающий при этом фототок i регистрируется микроамперметром.

Выполнение работы I. Определение красной границы внешнего фотоэффекта.

Для получения на экране сплошного спектра излучения необходимо включить шнур питания в сеть, а затем тумблер на корпусе монохроматора. Вращая барабан монохроматора Б, следует переместить спектр (за счет поворота призмы Р ) так, чтобы щель S2 находилаcь в самой узкой желтой части спектра. По градуировочному графику, прилагаемому к работе, установить указатель барабана У на угол, соответствующий жёлтой полосе спектра. Затем переместив спектр так, чтобы щель S2 была в коротковолновой, фиолетовой части спектра, перемещают спектр с шагом 100 – 2000 и снимают показания микроамперметра до тех пор, пока наблюдается фотоэффект.

На миллиметровой бумаге i, mkA строится зависимость фототока i от длины волны света, по которой кр определяется значение красной границы фотоэффекта, как кр показано на рис.5.

, A Для перевода делений барабана в длины волн, Рис. выраженные в ангстремах, следует пользоваться градуировочным графиком.

2. Вычисление работы выхода электронов.

Зная длину волны красной границы фотоэффекта по формулам (3), кр рассчитать работу выхода А данного фотоэлемента.

В атомной физике единицу работы и энергии принято выражать в электронвольтах (эВ). Один электронвольт равен работе, совершённой при перемещении заряда, равного заряду электрона, между двумя точками поля с разностью потенциалов, равной одному вольту ( 1 эВ = 1,6 ·10Дж) Результат следует сравнить с табличными данными.

Контрольные вопросы 1 В чём заключается явление фотоэффекта 2. Какие свойства – волновые или квантовые – обнаруживает свет в явлении фотоэффекта3. Что такое работа выхода электрона 4. Сформулируйте законы внешнего фотоэффекта и объясните второй и третий из них на основе квантовой теории света.

РАБОТА №3(5) ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ВРАЩЕНИЯ ПЛОСКОСТИ КОЛЕБАНИЙ ПЛОСКОПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА Краткая теория 1. Естественный и поляризованный свет.

Свет представляет собой сложное явление (как иногда говорят, имеет двойственную природу) – в одних случаях он проявляет себя как волновой процесс, в других – как поток световых частиц – фотонов.

Другими словами, свет – это электромагнитные волны, обладающие некоторыми свойствами частиц.

Распространение света в пространстве при таких, например, явлениях, как интерференция, дифракция, поляризация, правильно описываются классической теорией электромагнетизма.

При испускании, поглощении, рассеянии света в первую очередь проявляются корпускулярные свойства фотонов. Если волновая и корпускулярная гипотезы противоречат одна другой, то волновая и квантовая теории света не отвергают, а дополняют друг друга.

В настоящее время показано, что такую двойственную природу имеют все элементарные частицы (электроны, протоны, нейтроны), из которых состоит вещество.

Свет, излучаемый отдельным атомом, представляет собой электромагнитную волну: совокупность двух поперечных взаимно перпендикулярных колебаний вектора напряженности E электрического поля и колебаний вектора магнитной индукции B магнитного поля, распространяющихся вдоль общей прямой – направлением вектора скорости светового луча (рис. 1).

Е v В Рис. Здесь – длина электромагнитной волны светового луча. Оба вектора E и B колеблются в одинаковой фазе. Вектор скорости распространения электромагнитной волны всегда перпендикулярен векторам E и B :

E B Электромагнитные волны, излучаемые светящимися телами, являются результирующими тех отдельных волн, которые испускаются его атомами.

Вследствие того, что атомы беспрерывно изменяют свою пространственную ориентацию, изменяется с большой частотой и направление колебания вектора E (а значит, и B ) результирующей световой волны.

Е Е Е в) а) б) Рис. В дальнейшем, при рассмотрении явления поляризации света все рассуждения будут идти относительно вектора напряженности E, но при этом следует помнить об обязательном существовании перпендикулярного ему вектора B, т.к. электромагнитная волна, в которой колеблется лишь один из этих векторов, невозможна.

Представим, что свет распространяется от источника в направлении к читателю. Тогда мгновенная "фотография" расположения элементарных векторов E от каждого излучающего атома будет подобна схеме, изображенной на рис. 2а.

Равномерное расположение векторов E обусловлено большим числом атомарных излучателей. Такой свет называется естественным, или неполяризованным. ВекторыE имеют различные ориентации плоскости колебаний, причем все ориентации равновероятны.

Если под влиянием внешних воздействий или внутренних особенностей источника света появляется предпочтительное, наиболее вероятное направление колебаний, то такой свет называется частично поляризованным (рис. 2б).

С помощью специальных устройств из пучка естественного света можно выделить луч, в котором колебания вектора E будут происходить в одном определенном направлении в плоскости, перпендикулярной лучу (рис. 2в). Такой луч называется плоскополяризованным или линейнополяризованным. Очевидно, что свет, излучаемый отдельным атомом, является полностью поляризованным (во всяком случае, в течение всего периода излучения этого атома).

Плоскость, в которой происходят колебания вектора напряженности E электрического поля, называется плоскостью колебаний.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 7 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.