Лабораторная работа № 71

ИССЛЕДОВАНИЕ СЕЛЕКТИВНОГО ФОТОЭФФЕКТА

Цель работы: снятие спектральной характеристики селенового фотоэлемента.

Приборы и принадлежности: монохроматор УМ-2, лампочка накаливания, селеновый фотоэлемент, гальванометр, дисперсионная кривая монохроматора УМ-2.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Среди разнообразных явлений, в которых проявляется воздействие света на вещество, важное место занимает фотоэлектрический эффект, открытие и исследование которого сыграло важную роль в становлении квантовой теории.

Различают фотоэффект внешний, внутренний и вентильный. Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Внешний эффект наблюдается в твердых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриках), а также в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация).

Внутренний фотоэффект – это вызванные электромагнитным
излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу. В случае примесных полупроводников электроны могут переходить из валентной зоны на уровни примеси или с примесных уровней в зону проводимости. В результате этих переходов растет число носителей тока (электронов и дырок). Проводимость освещенного полупроводника увеличивается.

Вентильный фотоэффект, являющийся разновидностью внутреннего фотоэффекта, заключается в возникновении ЭДС (фото-ЭДС) при освещении контакта двух полупроводников с различной проводимостью или полупроводника и металла. При соприкосновении двух полупроводников с р- и n- проводимостью в месте контакта возникает «запирающий слой» толщиной порядка (10^–6 ÷ 10^–7) м, который обуславливает одностороннюю проводимость этого слоя, т.е. ток через запирающий слой может протекать практически только в одном направлении. При освещении светом области контакта в ней вследствие внутреннего фотоэффекта возрастает число свободных носителей тока. Это вызывает нарушение равновесного распределения носителей тока в области контакта и приводит к изменению контактной разности потенциалов по сравнению с равновесной, т.е. к возникновению фото-ЭДС. Фото-ЭДС поддерживается действием света (вещество непрерывно поглощает кванты с энергией hν). Таким образом, при облучении места контакта светом образуется элемент, способный служить источником тока, – вентильный фотоэлемент.

Принципиальная схема для исследования внешнего фотоэффекта изображена на рис. 1, где катод К из исследуемого материала и анод А подключены к батарее; С – вакуумный баллон; В – кварцевое стекло для выделения из светового потока монохроматического света с длиной волны λ (или частотой ν); R – потенциометр, с помощью которого можно изменять абсолютное значение и знак подаваемого на электроды напряжения U. Ток, возникающий при освещении катода, измеряется гальванометром G или микроамперметром. Зависимость фототока I, образуемого потоком электронов, испускаемых катодом под действием света, от напряжения U между электродами называется вольт-амперной характеристикой внешнего фотоэффекта. На рис. 2 изображена вольт-амперная характеристика внешнего фотоэффекта для разных световых потоков Ф, падающих на катод (ν = const). По мере увеличения U фототок постепенно возрастает, т.е. все большее число фотоэлектронов достигает анода. Пологий характер кривых показывает, что электроны вылетают из катода с разными скоростями. При некотором ускоряющем напряжении фототок достигает максимального значения (ток насыщения), когда все электроны, испускаемые катодом, достигают анода:

I_нас = е ∙ n,                                                 (1)

где n – число электронов, испускаемых катодом в 1 с; е – заряд электрона.

Ток насыщения является основной количественной характеристикой фотоэффекта. При U = 0 фототок не исчезает, т.е. фотоэлектроны обладают некоторой начальной скоростью и отличной от нуля кинетической энергией и потому могут достигнуть анода без внешнего поля. При задерживающем напряжении U₃ = U фототок прекращается, т.е. ни один из электронов, покидающих катод даже со скоростью u_max, не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода. Следовательно, изменение кинетической энергии фотоэлектронов равно работе задерживающего электрического поля:

,                                        (2)

где m, е – масса и заряд электрона; U₃ – задерживающее напряжение.

В результате экспериментов были установлены следующие три закона внешнего фотоэффекта.

1. Закон Столетова: при фиксированной частоте падающего света сила фототока насыщения пропорциональна световому потоку, падающему на катод.

2. Максимальная начальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой ν.

3. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота ν₀ света (или максимальная длина волны λ₀), ниже которой (или выше которой) фотоэффект невозможен.

Закономерности внешнего фотоэффекта могут быть объяснены на основе квантовой теории фотоэффекта, предложенной А. Эйнштейном в 1905 году. Согласно Эйнштейну, свет частотой ν не только испускается, как это предполагал М. Планк, но и распространяется в пространстве и поглощается веществом отдельными порциями – квантами. Энергия кванта

ε = h ν,                                                      (3)

где h = 6,625 ∙ 10^–34 Дж∙с – постоянная Планка; ν – частота излучения.

По Эйнштейну, каждый квант поглощается только одним электроном. Поэтому число вырванных фотоэлектронов должно быть пропорционально величине светового потока Ф. Энергетический баланс при фотоэффекте выражается уравнением Эйнштейна:

,                                                        (4)

где А – работа выхода электрона из вещества; hν – энергия подающего фотона; m – масса электрона.

Уравнение Эйнштейна позволяет объяснить второй и третий законы фотоэффекта. Из (4) следует, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения и не зависит от его интенсивности, т.к. работа выхода А и частота излучения ν от интенсивности света не зависят (второй закон фотоэффекта).

С уменьшением частоты света кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается (А = const) и при некоторой частоте
ν = ν₀ станет равной нулю. Фотоэффект прекратится (третий закон фотоэффекта) при

 ,                                                   (5)

где ν₀ – красная граница фотоэффекта для данного вещества. Она зависит лишь от работы выхода электрона, т.е. от химической природы вещества и состояния его поверхности.

При большой интенсивности света (лазерные пучки) возможен многофотонный фотоэффект, при котором электрон, испускаемый металлом, может одновременно получать энергию не от одного,
а от N фотонов (N = 2…7). Уравнение Эйнштейна для многофотонного фотоэффекта имеет вид

.                                  (6)

2. ОПИСАНИЕ РАБОЧЕЙ УСТАНОВКИ
 И МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ

В данной работе изучается селеновый фотоэлемент с запирающим слоем.

Селеновый фотоэлемент (рис. 3) состоит из железной пластинки, покрытой слоем селена, на который нанесен сверху полупрозрачный слой золота или другого металла. На границе между селеном и золотом образуется запирающий слой. Если слой золота соединить через микроамперметр с железной пластинкой и освещать селен, то кванты света будут вырывать электроны из селена, полупроводника с n – проводимостью, и переводить их в золото через запирающий слой. Селен заряжается положительно, и контактирующий с ним электрод (железо) получит положительный потенциал. Второй электрод (золото) за счет перехода в него электронов из селена зарядится отрицательно. Ясно, что при этом возникает фото-ЭДС. При подключении источника фото-ЭДС к  микроамперметру последний покажет наличие в цепи фототока I, направленного от Fе к Аu. Электроны могут переходить из одной пластинки в другую только в одном направлении (от селена к золоту), обратный же переход для них закрыт, отсюда и название – вентильный источник фото-ЭДС.

Сила фототока зависит от величины светового потока, падающего на фотоэлемент. При небольшой освещенности эта зависимость линейна. Кроме зависимости от освещенности обнаруживается также зависимость фототока от длины волны падающего света; при одной и той же мощности излучения сила фототока получается различной для разных длин волн, причем эта зависимость имеет резко выраженный максимум (рис. 4).

Такого рода явление носит название селективного или избирательного фотоэффекта. Селективность фотоэлектрических явлений очень напоминает резонансные эффекты. Дело происходит так, как будто электроны в металле обладают собственным периодом колебаний, и по мере приближения частоты возбуждающего света к собственной частоте электронов амплитуда их колебаний возрастает, они могут за счет возрастающей при этом энергии перейти в зону проводимости. Исследование селективного фотоэффекта, т.е. снятие спектральной характеристики фотоэлемента, составляет задачу данной работы. Спектральная характеристика выражает зависимость фототока от длины волн света, освещающего фотоэлемент.        Фототок измеряется микроамперметром, подключенным непосредственно к фотоэлементу (рис. 3). В качестве источника света, имеющего сплошной спектр, используется лампочка накаливания. Такой источник света выбирают именно потому, что на всем участке длин волн видимого света лампа накаливания дает примерно одинаковую интенсивность, приходящуюся на единичный интервал длин волн. Никаких искажений при снятии спектральной характеристики фотоэлемента практически не будет, так как интенсивность падающего свет в различных участках спектра одна и та же.

Для выделения узких участков спектра используется монохроматор УМ-2, внешний вид и описание которого представлены
на рис. 2 лабораторной работы № 70.

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

3.1. В качестве источника света включают лампочку накаливания.

3.2. Устанавливают фотоэлемент вплотную к выходной щели монохроматора (см. рис. 2 лабораторной работы № 70).

3.3. Устанавливают необходимую ширину щелей монохроматора. Ширина выходной и входной щелей устанавливается так, чтобы максимальный фототок вызывал отклонение «зайчика» микроамперметра приблизительно на всю шкалу 4. Примерная ширина выходной и входной щелей (0,2…0,3) мм.

3.4. Вращая барабан монохроматора 3, отмечают показания микроамперметра, соответствующие тем или иным значениям шкалы
барабана. В районе максимума чувствительности фотоэлемента поворачивают барабан на меньший угол, чтобы получить большое количество экспериментальных точек (замеров).

3.5. Результаты измерений заносят в таблицу, форма которой дана ниже.

Форма таблицы

3.6. Используя дисперсионную кривую монохроматора, определяют длины волн соответствующих делений барабана.

3.7. Вычерчивают диаграмму зависимости фототока от длины волны света, т.е. полученная кривая I = f (λ) является спектральной характеристикой фотоэлемента.

ВОПРОСЫ ДЛЯ ДОПУСКА К РАБОТЕ

1. Сформулируйте цель работы.

2. Поясните явление фотоэффекта. Какой тип фотоэффекта изучается в работе?

3. Дайте определение спектральной чувствительности фотоэлемента.

4. Опишите порядок выполнения работы.

ВОПРОСЫ ДЛЯ ЗАЩИТЫ РАБОТЫ

1. Сформулируйте законы внешнего фотоэффекта.

2. Поясните устройство и принцип действия вентильного селенового фотоэлемента.

3. Проведите анализ полученных результатов и сделайте выводы.

4. Критические замечания к рабочей установке и методу измерений.

ЛИТЕРАТУРА

1. Майсова Н.Н. Практикум по курсу общей физики. – М: Высш. шк., 1970. – 446 с.

2. Ахматов А.С., Андреевский В.М., Кулаков А.И. и др. Лабораторный практикум по физике. – М.: Высш. шк., 1980. – 360 с.

3. Ландсберг Г.С. Оптика. – М.: Наука, 1976. – 926 с.