Явление внешнего фотоэффекта

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Стерлитамакский филиал

федерального государственного бюджетного

образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Башкирский государственный университет»

Физико-математический факультет

КАФЕДРА ОБЩЕЙ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ

Курсовая работа

Явление внешнего фотоэффекта

Выполнил: студент II курса

Физико-математического факультета

очной формы обучения

группа Физ 21

Суханов Сергей Павлович

Научный руководитель:

к. ф.-м. н., доцент

Кутушева Раиса Муллагалиевна

Стерлитамак - 2015



СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Глава I. История открытия внешнего фотоэффекта

1.1 Законы фотоэффекта

1.2 Объяснение законов фотоэффекта

Глава II. Описание лабораторного опыта

2.1 Таблицы, графики

Глава III. Применение явления внешнего фотоэффекта

Заключение

Список использованной литературы



ВВЕДЕНИЕ

Физика играет огромную роль в современном естествознании, в развитии современной техники и всех отраслей народного хозяйства. Это предопределяет значение курса физики в программах высшей школы. Цель курса физики в ознакомлении с основными физическими явлениями, их механизмом, закономерностями и практическими приложениями. Этим закладывается физическая основа для изучения общетехнических и специальных дисциплин. Правильное представление о природе физических явлений особенно важно при постановке новых вопросов, которые возникают в процессе практической деятельности инженера.

Изучение физики помогает формированию правильного диалектико-материалистического мировоззрения.

Роль физического практикума очень велика, потому что в лабораторной обстановке студент может воспроизвести явление и изучить его. Для изучения явления студент использует сложные стационарные приборы, выдвигает научные предположения для объяснения явления, делает выводы.

Методические указания на выполнение лабораторной работы «Изучение явления внешнего фотоэффекта» освещают развитие идей, приведших к осознанию непригодности классической физики для описания поведения микрообъектов, подводят к объяснению явлений, связанных с действием света с точки зрения квантовой теории. В теоретической части рассмотрены законы фотоэффекта и применение их к конструированию оптических приборов. Метод выполнения практической работы дает возможность самим убедиться в справедливости закономерностей фотоэффекта и построения графических закономерностей характеристик. [5]

Цель работы: изучить явления внешнего фотоэффекта на примере исследования основных характеристик фотоэлементов:

· Эксперементальное изучение основных закономерностей фотоэффекта;

· Определение постоянной Планка;

· Определение работы выхода электрона и красной границы фотоэффекта.



ГЛАВА I. ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ ЯВЛЕНИЯ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА

В 1887 г. Г. Герц обнаружил, что если направить на отрицательный электрод искрового разрядника ультрафиолетовое излучение, то электрический разряд происходит при меньшем напряжении между электродами, чем в отсутствие освещения. Герцу не удалось дать правильного объяснения этому явлению. Опыты В. Гальвакса, и в особенности тщательные исследования А. Г. Столетова , проведенные в 1888 - 1889 гг., позволили понять сущность явления, обнаруженного Герцем: оно обусловлено выбиванием под действием света отрицательных зарядов из металлического катода разрядника. В дальнейшем измерения удельного заряда этих частиц показали, что они представляют собой электроны.[1] Явление выравнивания электронов из твердых и жидких тел под действием света называют внешним фотоэлектрическим эффектом, а вырванные таким образом электроны иногда называют фотоэлектронами.

Опыт Столетова.

Для исследования фотоэффекта Столетов собирал следующую схему (рис.1). На схеме металлическая пластинка К (фотокатод) соединена с отрицательным полюсом батареи.

Из графика на рис.2,а видно, что при некотором напряжении U величина фототока достигает максимального значения и далее остается постоянной при любых значениях. Это значит, что все электроны, вырываемые светом из фотокатода, достигают анода. Максимальный ток называется током насыщения при данном световом потоке Ф. Если изменять величину светового потока Ф, то получим семейство кривых для данного фотокатода (рис.2,б). [2,8]

Положительный полюс через гальванометр соединен с металлической сеткой А (анод). Оба электрода находятся в стеклянном сосуде, из которого откачивается воздух. При освещении катода (пластины К) светом в цепи возникает ток, который регистрировался гальванометром. Этот ток получил название фототока, а электроны, вырываемые светом из катода, - фотоэлектронами. Фототок представляет собой движение к аноду электронов, вышедших из катода световым потоком. [6]

1.1 ЗАКОНЫ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА

Столетов исследовал зависимость фототока от величины приложенного напряжения между анодом и катодом. При обобщении полученных данных Столетовым установлены три закона внешнего фотоэффекта.

I. При фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых из катода в единицу времени, пропорционально интенсивности света(сила тока насыщения пропорциональна энергетической освещенности E_e катода).

II. Максимальная начальная скорость (максимальная начальная кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой н

III. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота  света (зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен. [9]

1.2 ОБЪЯСНЕНИЕ ЗАКОНОВ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА

Полученные опытным путем законы фотоэффекта не удалось объяснить на основе электромагнитной волновой теории света. С точки зрения этой теории электромагнитная волна, достигнув поверхности металла, вызывает вынужденные колебания электронов, отрывая их от металла. Но тогда требуется время для «раскачки» электронов, и при малой освещенности металла должно возникнуть заметное запаздывание между началом освещения и моментом вылета электронов. Далее, кинетическая энергия электронов, покидающих металл, должна зависеть от амплитуды вынуждающей силы и тем самым от напряженности электрического поля в электромагнитной волне. Однако все эти выводы противоречат законам фотоэффекта. Решение было найдено А. Эйнштейном в 1905 г. Из совершенно иных соображений. Законы фотоэффекта не удаётся объяснить с помощью законов классической физики, которую мы изучали до сих пор. Для их объяснения А. Эйнштейн в 1905 использовал идею, высказанную ранее немецким физиком М. Планком, согласно которой свет - поток частиц, фотонов. При этом энергия E каждого фотона, называемая квантом, равна:

(1.1)

где n- частота света, а h - коэффициент, названный постоянной Планка и равный 6,63^.10^-34 Дж^.с.

Эйнштейн предположил, что фотон может выбить с поверхности только один электрон, а электрону, чтобы вырваться из вещества, необходимо совершить работу выхода А_вых. Тогда из закона сохранения энергии следовало, что при фотоэффекте энергия фотона hn должна быть равна сумме работы выхода А_вых и кинетической энергии фотоэлектрона со скоростью v и массой m:

   (1.2)

Уравнение (1.2), объясняющее все законы фотоэффекта, называют уравнением Эйнштейна для фотоэффекта. Чем больше фотонов, тем больше они выбивают фотоэлектронов. Это и является объяснением закона №1 фотоэффекта. Согласно (1.2) кинетическая энергия фотоэлектронов прямо пропорциональная частоте света и не зависит от его интенсивности, что и объясняет закон №2 фотоэффекта. Из уравнения (1.2) следует, что фотоэлектрону необходимо совершить работу выхода А_вых, и свет с частотой меньше л_мин= А_вых/h не будет вызывать фотоэффекта, что и объясняет закон №3 фотоэффекта. [8,10]



ГЛАВА II. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО ОПЫТА

Установка состоит за универсального монохроматора УМ-4, микроамперметра Ф195, вольтметра постоянного тока, сурьмяно-цезиевого вакуумного фотоэлемента (СВЦ), источников питания ВУП-24, ИЭПП-2. Свет на фотоэлемент поступает через его прозрачную часть.

Два электрода в вакуумной трубке подключены к батарее так, что с помощью потенциометра R можно изменять не только значение, но и знак подаваемого на них напряжения. Ток, возникший при освещении катода монохроматическим светом (через кварцевое окошко), измеряется включенным в цепь миллиамперметром. [11]

2.2 ТАБЛИЦЫ И ГРАФИКИ

Табл. №1. Снятие прямой ветви вольтамперной характеристики фотоэлемента.

I, нА	2,2	115	145	155	160	155	155
U,В	0	10	20	30	40	50	80

Вольтамперная характеристика представляет зависимость фототока от напряжения на электродах фотоэлемента при неизменном световом потоке. Из вольамперной характеристики видны следующие моменты:

· При отсутствии напряжения между электродами фототок отличен от нуля. Следовательно, фотоэлектроны при вылете с поверхности обладают кинетической энергией, следовательно долетают до анода и обуславливают ток.

· При некотором напряжении между катодом и анодом фототок достигает насыщения. Ток насыщения соответсвует тому состоянию, когда все фотоэлектроны, покидающие материал за 1 с, достигают анода.

Табл. № 2. Исследование световой харатеристики.

I, нА	155	110	100	90	73	55	35	15
S,мм	4,0	3,5	3,0	2,5	2,0	1,5	1,0	0,5

Из световой характеристики можно заметить, что при увеличении ширины входной щели, ток в цепи увеличивается. Это можно объяснить тем, что чем шире входная щель, тем больше электронов пролетаю через нее, вызывая при этом фототок.

Табл. № 3. Исследование спектральной характеристики фотоэлемента.

№	I,нА		л,нм		11	53	2000	503,4
1	11	1000	423,3		12	54	2100	515,2
2	14	1100	429,6		13	53,5	2200	528,3
3	16	1200	436,1		14	53	2300	542,9
4	24	1300	442,8		15	50	2400	559,1
5	28	1400	449,9		16	46	2500	577,3
6	32,5	1500	457,4		17	41	2600	597,8
7	37	1600	465,3		18	36	2700	620,6
8	40	1700	473,7		19	30	2800	646,3
9	44	1800	482,8		20	23	2900	675,1
10	47	1900	492,6		21	14	3000	707,3

Интенсивность фотоэффекта зависит от длинны волны падающего света. При одной и той же мощности излучения сила тока насыщения будет разной для разных длин волн л. Зависимость чувствительности фотоэлемента от длины волны падающего света называется его спектральной характеристикой. [4] фотоэффект спектральный постоянный планк

Работа выхода -- разница между минимальной энергией которую необходимо сообщить электрону для его «непосредственного» удаления из объёма твёрдого тела. Здесь «непосредственность» означает то, что электрон удаляется из твёрдого тела через данную поверхность и перемещается в точку, которая расположена достаточно далеко от поверхности. При этом пренебрегают дополнительной работой, которую необходимо затратить на преодоление внешних полей, возникающих из-за перераспределения поверхностных зарядов. Таким образом, работа выхода для одного и того же вещества для различных поверхностей оказывается различной. [7,8]

При удалении электрона на бесконечность его взаимодействие с зарядами, остающимися внутри твёрдого тела приводит к индуцированию макроскопических поверхностных зарядов (при рассмотрении полубесконечного образца в электростатике это называют «изображением заряда»). При перемещении электрона в поле индуцированного заряда совершается дополнительная работа, которая определяется диэлектрической проницаемостьювещества, геометрией образца и свойствами других поверхностей. За счет этого полная работа по перемещению электрона из любой точки образца в любую другую точку (в том числе и точку бесконечности) не зависит от пути перемещения, то есть от того, через какую поверхность был удален электрон. Поэтому в физике твёрдого тела эта работа не учитывается и не входит в работу выхода. [1,2]

Работа выхода во внешнем фотоэффекте - минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из вещества под действием света.

;

;

;

;

Работа выхода электрона равна 1,66 эВ. равна 750 нм.

В результате облучения электроны, выбитые из электрода, могут достигнуть противоположного электрода и создать некоторый начальный ток. При увеличении напряжения, поле разгоняет электроны, и ток увеличивается, достигая насыщения, при котором все выбитые электроны достигают анода.

Если приложить обратное напряжение, то электроны тормозятся и ток уменьшается. При так называемом запирающем напряжении фототок прекращается. Согласно закону сохранения энергии:

,

где m- масса электрона, а х_max - максимальная скорость фотоэлектрона.

Табл. № 4. Снятие зависимости запирающего напряжения от частоты н.

	U,B	I,нА
?= (?=)	0 0,64 0,8	14 4 1
?= (?=)	0 0,4 0,64	13 6 1
?= (?=)	0 0,3 0,4	11 6 4
?= (?=)	0 0,36 0,48	8 2 1
?= (?=)	0 0,32	4 0,75

При увеличении напряжения, поле разгоняет электроны, и ток увеличивается, достигая насыщения, при котором все выбитые электроны достигают анода.

Если приложить обратное напряжение, то электроны тормозятся и ток уменьшается. При так называемом запирающем напряжении фототок прекращается. Согласно закону сохранения энергии , где m- масса электрона, а х_max - максимальная скорость фотоэлектрона. [3]

;

;

Постоянная Планка -- основная константа квантовой теории, коэффициент, связывающий величину энергии кванта электромагнитного излучения с его частотой, так же как и вообще величину кванта энергии любой линейной колебательной физической системы с её частотой. Впервые упомянута Планком в работе, посвящённой тепловому излучению, и потому названа в его честь. [5]

Значения постоянной Планка, полученные теоретически и эксперементально примерно равны.



ГЛАВА III. ПРИМЕНЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА

1. В медецине

На внешнем фотоэффекте основана работа электронно-оптического преобразователя (ЭОП), предназначенного для преобразования изображения из одной области спектра в другую, а также для усиления яркости изображений. Ускоренные и сфокусированные электрическим полем электроны попадают на люминесцентный экран. Здесь электронное изображение благодаря катодолюминесценции вновь преобразуется в световое.

В медицине ЭОП применяют для усиления яркости рентгеновского изображения, это позволяет значительно уменьшить дозу облучения человека. [9]

Если сигнал с ЭОП подать в виде развертки на телевизионную систему, то на экране телевизора можно получить «тепловое» изображение предметов. Части тела, имеющие разные температуры, различаются на экране либо цветом при цветном изображении, либо светом, если изображение черно-белое. Такая техническая система, называемая тепловизором, используется в термографии.

2. В технике.

Фотоэлементы, использующие внешний фотоэффект, преобразуют в электрическую энергию лишь незначительную часть энергии излучения. Поэтому в качестве источников электроэнергии их не используют, зато широко применяют в различных схемах автоматики для управления электрическими цепями с помощью световых пучков.

С помощью фотоэлементов осуществляется воспроизведение звука, записанного на кинопленке, а также передача движущихся изображений (телевидение).

В аэронавигации, в военном деле широкое применение нашли фотоэлементы, чувствительные к инфракрасным лучам. Инфракрасные лучи невидимы, облака и туман для них прозрачны.

Сочетание фотоэффекта со вторичной электронной эмиссией применяется в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ): слабый пучок фотоэлектронов, ускоряясь попадает на ряд катодов, выбивая из каждого вторичные электроны и лавинообразно усиливаясь. Усиление 9-каскадного ФЭУ достигает 106, т.е. на выходе из фотоумножителя сила тока в миллион раз превосходит первичный фототок. [9]

На явлении внутреннего фотоэффекта основана работа фото-сопротивлений.

3. В полупроводниках.

Явление фотоэффекта получило широкое практическое применение. Приборы, в основе принципа действия которых лежит фотоэффект, называются фотоэлементами. Фотоэлементы, использующие внешний фотоэффект, преобразуют энергию излучения в электрическую лишь частично. Так как эффективность преобразования небольшая, то в качестве источников электроэнергии фотоэлементы не используют, но зато применяют их в различных схемах автоматики для управления электрическими цепями с помощью световых пучков.

Внутренний фотоэффект используют в фоторезисторах. Вентильный фотоэффект, возникающий в полупроводниковых фотоэлементах с p-n переходом, используется для прямого преобразования энергии излучения в электрическую энергию (солнечные батареи). Необходимые условия для возникновения внутреннего фотоэффекта- частица должна быть связанной, и энергия фотона должна превышать ее энергию связи. Внутренний фотоэффект может происходить в полупроводниках и диэлектриках (и в металлах тоже).

Фотоэффект используется в фотоэлектронных приборах, получивших разнообразные применения в науке и технике. На фотоэффекте основано превращение светового сигнала в электрический. Электрическое сопротивление полупроводника падает при освещении; это используется для устройства фотосопротивлений. При освещении области контакта различных полупроводников возникает фото-эдс, что позволяет преобразовывать световую энергию в электрическую. Фотоэлектронные умножители позволяют регистрировать очень слабое излучение, вплоть до отдельных квантов. Анализ энергий и углов вылета фотоэлектронов позволяет исследовать поверхности материалов. В 2004 году японские исследователи создали новый тип полупроводникового прибора - фотоконденсатор, неразрывно соединяющий в себе фотоэлектрический преобразователь и средство хранения энергии. В преобразовании света новый прибор оказался вдвое эффективнее простых кремниевых солнечных батарей. [10,11]



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, фотоэффект - это явление с освобождением электронов твердого тела под действием электромагнитного излучения.

· фототок насыщения пропорционален величине светового потока;

· фотоэффект носит пороговый характер: при длине волны излучения, большей л_макс ("красная" граница), электроны не выбиваются. Значение л_макс не зависит от величины светового потока;

· значение энергии электронов с увеличением частоты света (уменьшением л) не уменьшается, а растет. Причем растет линейно.

Объяснение свойств фотоэффекта с позиции квантовой физики принадлежит А. Эйнштейну: свет поглощается частями (квантами), имеющими энергию и получившими название фотон.

Электрон приобретает кинетическую энергию не постепенно (ускоряясь электрическим полем волны), а сразу - в результате единичного акта взаимодействия. В монохроматическом пучке все фотоны имеют одинаковую энергию hн. Увеличение интенсивности светового пучка означает увеличение числа фотонов в пучке, но не сказывается на их энергии, если частота остается неизменной. Зависимость задерживающего напряжения от частоты излучения, как мы видели, имеет вид прямой линии, наклон которой определяется значением постоянной Планка.

Таким образом фотонная теория добавляет новые свойства к обычным свойствам света (дифракции и поляризации). Она не требует отказа от старого представления о свете; она требует лишь сочетания концепции фотонов с концепцией электромагнитных волн.

Существует и немало других экспериментов, которые также показывают согласие фотонной теории с опытом.

Исследованное Вами явление вырывания светом электронов с поверхности металла названо внешним фотоэффектом. Но, как оказалось, фотон может передать свою энергию отдельному электрону атомной оболочки или нуклону ядра атома. Такое явление названо внутренним фотоэффектом. Необходимые условия: частица должна быть связанной, и энергия фотона должна превышать ее энергию связи. Внутренний фотоэффект может происходить в полупроводниках и диэлектриках (и в металлах тоже).

С помощью законов сохранения энергии и импульса можно показать, что фотон не может быть поглощен свободной частицей. В металле электрон взаимодействует с атомами кристаллической решетки. Поэтому при поглощении электроном фотона часть импульса фотона может быть передана кристаллической решетке металла.



СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1) Богданов К.Ю., Учебник по физике для 11 класса - М.: Просвещение, 2010.

2) Геворкян Р.Г., Шепель В.В. Курс общей физики. - М.: Высшая школа, 1968.

3) Грабовский Р.И. Курс физики - Спб.:Лань, 2005.

4) Савельев И.В. Курс общей физики. Т.3. М.:Наука.1973 г.

5)  Сивухин Д.В, Курс общей физики, Т-4. Оптика. Учебное пособие для вузов.- М.: Физматлит, 2002.

6) Тарасов Л.В. Введение в квантовую оптику: Учеб. пособие для вузов. -М.:Высш. шк., 1987.

7)  Трофимова Т.И. Курс физики: учеб. пособие для вузов. - Изд. 9-е, перераб. и доп. - М.: Издательский центр «Академия», 2004.

8) http://physics.ru/

9) http://mgul.ac.ru/

10) http://bibliofond.ru/

11) http://edu.dvgups.ru/

Размещено на Allbest.ru