Лабораторная работа N018

Определение качественных зависимостей освещенности фотоэлемента от расстояния и угла падения световых лучей на плоскость фотоэлемента от точечного источника света


Цель работы:закрепить основные понятия и законы фотоэффекта. Экспериментально исследовать законы освещенности, представив их в виде графиков.

Приборы и оборудование: Прибор для изучения законов освещенности, микроамперметр со шкалой до 100 мкА, ВС- 24М, реостат лабораторный, ключ, соединительные провода.

Фотоэффект


Фотоэффект - это явление возникновения свободных носителей заряда под действием света. Различают внутренний и внешний фотоэффект.

Внешний фотоэффект - это испускание электронов металлами под действием света. Для его наблюдения используются вакуумные фотоэлементы. Подобный фотоэлемент представляет собой вакуумированный объем (лампу), в котором находится фотокатод и анод. Контакты от катода и анода выведены наружу. При освещении фотокатода светом из него выбиваются электроны. Энергия этих электронов описывается уравнением Эйнштейна
(18.1)

где hν- энергия кванта света, A - работа выхода электрона из металла, meν2/2- кинетическая энергия электрона (me - его масса, ν- скорость). Его смысл состоит в том, что энергия фотона (кванта света) передается электрону и расходуется на совершение работы выхода и кинетическую энергию электрона.

Образующийся при освещении катода ток называется фототоком. А.Г. Столетов, который экспериментально исследовал законы фотоэффекта, установил, что фототок не подчиняется закону Ома (см. рис.26). Во-первых, фототок наблюдается даже при отсутствии напряжения на электродах. Это связано с тем, что при освещении катода некоторые электроны вылетают по направлению к аноду и, поглощаясь им, образуют ток. Для уменьшения тока до нуля к фотоэлементу необходимо приложить некоторое напряжение обратной полярности U3 (+ на катод, - на анод), которое называется запирающим напряжением. В этом случае электроны в своем движении к аноду вынуждены совершать работу против поля eU3, поэтому запирающее напряжение связано с кинетической энергией электрона соотношением
(18.2)

где е- заряд электрона.

Второй особенностью фототока является его нелинейный характер. При увеличении напряжения на электродах фототок сначала растет, а затем достигает некоторого максимального значения (фототока насыщения) и перестает увеличиваться. Столетов установил, что фототок насыщения (то есть число вырываемых светом фотоэлектронов за 1 секунду) прямо пропорционален интенсивности света, падающего на фотокатод.

Из уравнения (18.1) следует характерная особенность фотоэффекта. Фототок наблюдается только тогда, когда фотокатод облучается светом, длина волны которого меньше некоторой предельной длины волны. Эта максимальная длина волны ν0 называется красной границей фотоэффекта и определяется работой выхода металла
(18.3)

Если фотокатод освещается таким светом, то энергии кванта хватает только на преодоление работы выхода. При меньших энергиях фотона (и больших длинах волн) его энергии не хватает для выхода электрона из металла и фотоэффект не наблюдается.

Внутренний фотоэффект наблюдается в полупроводниках и диэлектриках. Энергетические уровни для валентных электронов в этих веществах разбиваются на две зоны (рис.27): валентную зону (ВЗ) и зону проводимости (ЗП). Валентная зона полностью заполнена электронами, и электроны, находящиеся в ней, не способны проводить ток, они связаны с атомами. Зона проводимости- не заполнена. При переходе электронов в нее под действием света или теплового воздействия они становятся свободными носителями и способны проводить ток (такие переходы показаны на рис.27) стрелками. Одновременно в валентной зоне появляются дырочные носители тока. Для перехода в зону проводимости (отрыва от атома) электрону необходимо сообщить некоторую энергию ΔE, называемую шириной запрещенной зоны. Поэтому для внутреннего фотоэффекта также характерно наличие красной границы фотоэффекта: ток в полупроводнике возникает только при освещении светом с длиной волны, меньшей длины волны красной границы фотоэффекта
(18.4)

Величина λ0 зависит от химического состава вещества и для каждого полупроводника принимает свои характерные значения. Для диэлектриков она превышает 3 эВ, для полупроводников составляет величины порядка 0.1-1 эВ.

Обоснование метода

В данной работе применяется селеновый фотоэлемент. Он состоит (рис.28) из железной пластины круглой формы 1, покрытой слоем селена 2. От железной пластинки и пленки золота 3 (на неё положено контактное кольцо 4) сделаны отводы с зажимом, с помощью которых фотоэлемент включают в электрическую цепь. В результате специальной обработки часть атомов золота проникает в селен, обладающей дырочной проводимостью, и образуют в нем слой с электронной проводимостью. На границе двух слоев с различным видом проводимости создается электронно-дырочный переход.

При освещении фотоэлемента в селене образуются свободные носители заряда, которые под действием электрического поля электронно-дырочного перехода разделяются: электроны накапливаются в электронном полупроводнике, а дырки- в дырочном.

В результате на зажимах фотоэлемента возникает фотоэлектродвижущая сила. Если фотоэлемент подключить к гальванометру и осветить, то в цепи возникнет фототок, величина которого прямо пропорциональна освещенности.

Прибор, с которым выполняют данную работу, представляет собой горизонтально расположенную пластмассовую трубу, закрытую с торцов и укрепленную на двух подставках (рис.29). В левой части трубы находится селеновый фотоэлемент, который соединен гибкими проводами с двумя зажимами, установленными на торцевой части трубы. При помощи рукоятки фотоэлемент можно поворачивать вокруг горизонтальной оси на 90°. Ось вращения проходит по диаметру активной поверхности фотоэлемента. Угол поворота определяется по шкале угломера, закрепленного на поверхности корпуса прибора. Средняя часть трубы раскрывается на две половины. Закрытые половины образуют внизу щель, расположенную вдоль трубы. Щель закрыта клапаном из черной материи. В нижней части откидной крышки трубы укреплена шкала с делениями от 10 до 30 см, причем нулевое деление шкалы совпадает с плоскостью чувствительного слоя фотоэлемента. Труба прибора внутри имеет несколько защитных ребер и черно-матовую окраску. Ребра предохраняют фотоэлемент от отраженных лучей, а черная краска от световых бликов.

К прибору прилагаются микроамперметр, стойка с лампочкой на 6 В. Лампочка служит в опытах источником света. В данной работе необходимо исследовать зависимость освещенности фотоэлемента, которая прямо пропорциональна фототоку элемента. Поэтому за величину освещенности (в условных единицах) можно принять величину фототока элемента, и построить графики зависимостей освещенности фотоэлемента от расстояния и угла падения световых лучей на него.

Освещенность плоской поверхности, создаваемая точечным источником (в нашем модельном эксперименте его роль выполняет лампочка), определяется по формуле
(18.5)

где I- сила света точечного источника (в модельном эксперименте, при неизменном напряжении на лампочке, ее величину можно положить постоянному значению, равному одной условной единице), r- расстояние от источника до поверхности, α- угол между нормалью к поверхности и направлением распространения световых волн.

Порядок выполнения работы

Упражнение N1. Исследование качественной зависимости освещенности фотоэлемента от расстояния до источника света

  1. Подготовьте в тетради таблицу 1 для записи результатов измерений и вычислений.
  2. Ознакомьтесь с устройством прибора.
  3. Расположите фотоэлемент прибора перпендикулярно к оси трубы (?=00, cos?=1) и соедините его зажимы с микроамперметром.

    Таблица 1

    Зависимость фототока от расстояния до источника света

    I=1 усл. ед. α=0° cosα=1
    Расстояние r между элементом и лампой, м Eт= 1/r2, усл.ед. Освещенность E фотоэлемента, усл.ед.
         
         
         
         
         
         

  4. Присоедините к источнику тока через выключатель и реостат, выведенного на максимальное значение сопротивления, электрическую лампочку и установите ее внутри прибора на расстоянии 6 см от фотоэлемента. Реостатом подберите такой накал нити лампочки
    Внимание! На лампу нельзя подавать напряжение выше 3,5 Вольт (проверить напряжение на лампе) для предотвращения выхода её из строя.
    чтобы стрелка микроамперметра отклонилась на максимальное число делений шкалы, которое можно принять за освещенность Е в условных единицах.
  5. Увеличивая расстояние между лампой и фотоэлементом, через каждые 2 см измеряйте силу фототока. Результаты измерений занесите в табл. 1.
  6. По числовым данным таблицы 1, постройте график качественной зависимости освещенности E в условных единицах от расстояния r.
  7. Рассчитайте и постройте теоретическую зависимость освещенности ET фотоэлемента в условных единицах по формуле ET= 1/r2, которая следует из формулы (18.1) (объясните, почему?), сравните его с экспериментальным
  8. Постройте график зависимости произведения освещенности на квадрат расстояния от r: Еr2(r).
  9. Сделайте вывод, который запишите в тетрадь

Упражнение N2.

Исследование качественной зависимости освещенности фотоэлемента от величины угла падения α световых лучей на его плоскость при фиксированных расстоянии от источника света до поверхности фотоэлемента и силы света I лампочки.

  1. Подготовьте в тетради таблицу 2 для записи результатов измерений и вычислений.
  2. На установке предыдущего упражнения определите качественную зависимость освещенности фотоэлемента от угла падения при постоянных значениях расстояния от источника света до поверхности фотоэлемента (например, при r = 10-15 см) и силы света I источника. Для этого, меняя угол расположения фотоэлемента от 0° до 90° относительно горизонтальной оси прибора (фиксируется по шкале угломера, закрепленного на поверхности корпуса прибора), измерьте значение фототока.
  3. Результаты измерений занесите в таблицу 2 в виде освещенности фотоэлемента в условных единицах.

    Таблица 2

    Зависимость фототока от угла падения света

    I=1 усл. ед. r=  ,м
    Угол поворота α cos α Ет= cos α/r2, усл.ед.
    Освещенность E фотоэлемента, усл.ед.
    0° 1    
    30° 0.866    
    60° 0.500    
    90° 0    

  4. По числовым данным таблицы 2, постройте графики зависимости освещенности E в условных единицах от значения cos α.
  5. Рассчитайте и постройте теоретическую зависимость освещенности ET фотоэлемента по формуле ET= cos α/r2, которая следует из формулы (18.1).
  6. Сравните графики и сформулируйте вывод, который запишите в тетрадь.

Контрольные вопросы

  1. Фотоэффект и его виды.
  2. Как зависит фотоэффект от длины волны света.
  3. Уравнение красной границы фотоэффекта.
  4. Световой поток, его зависимость от угла.
  5. Считая, что поток света от точечного источника через сферу не зависит от ее радиуса, выведите зависимость интенсивности от расстояния до источника.
  6. Устройство селенового фотоэлемента.