Какой электрод освещают в вакуумном фотоэлементе для возникновения фотоэффекта
Главное меню
Соглашение
Регистрация
Английский язык
Астрономия
Белорусский язык
Информатика
Итальянский язык
Краеведение
Литература
Математика
Немецкий язык
Обществознание
Окружающий мир
Русский язык
Технология
Физкультура
Для учителей
Дошкольникам
VIP — доступ
Автор: Учитель физики | ID: 11967 | Дата: 13.2.2020
Помещать страницу в закладки могут только зарегистрированные пользователи
Зарегистрироваться
Получение сертификата
о прохождении теста
Тест по физике «Фотоэффект»
Как зависит Ек фотоэлектронов от интенсивности света?
Выберите один из 3 вариантов ответа:
2) прямо пропорционально
3) обратно пропорционально
Задание #2
Что такое красная граница фотоэффекта?
Выберите один из 3 вариантов ответа:
1) Длина волны красного света
2) наименьшая длина волны
3) наибольшая длина волны
Задание #3
Фотоэффект возникает если:
Выберите один из 2 вариантов ответа:
Задание #4
При увеличении интенсивности падающегосвета количество вырванных фотоэлектронов.
Выберите один из 3 вариантов ответа:
Задание #5
Как зависит Ек фотоэлектронов от частоты света?
Выберите один из 3 вариантов ответа:
2) прямо пропорционально
3) обратно пропорционально
Задание #6
Длина волны голубого света 500нм, а желтого 600нм.Фтоны какого света имеют большую энергию?
Выберите один из 3 вариантов ответа:
Задание #7
Какой фотоэффект используется в вакуумных фотоэлементах?
Выберите один из 2 вариантов ответа:
Задание #8
Какой фотоэффект используется в полупроводниковых фотоэлементах?
Выберите один из 2 вариантов ответа:
Задание #9
Какой электрод освещают в вакуумном фотоэлементе для возникновения фотоэффекта?
Выберите один из 3 вариантов ответа:
Задание #10
Цинк заряжен положительно.Как изменится заряд в результате фотоэффекта?
Выберите один из 3 вариантов ответа:
Задание #11
Фотоэффект можно объяснить на основе. природы света
Выберите один из 3 вариантов ответа:
3) и той и ддругой
Задание #12
Не заряженный цинк освещается УФЛ.Какой заряд он приобретёт?
Выберите один из 3 вариантов ответа:
Задание #13
Цинк освещают синими лучами малой интенсивности.Возникнет ли фотоэффект если интенсивность увеличить?
Выберите один из 2 вариантов ответа:
Задание #14
При уменьшении интенсивности света количество вырываемых фотоэлектронов.
Выберите один из 3 вариантов ответа:
1) не изменяется
Задание #15
Выберите один из 3 вариантов ответа:
3) ЭМВ и поток частиц одновременно
Ответы:
1) (1 б.) Верные ответы: 1;
2) (1 б.) Верные ответы: 3;
3) (1 б.) Верные ответы: 2;
4) (1 б.) Верные ответы: 2;
5) (1 б.) Верные ответы: 2;
6) (1 б.) Верные ответы: 2;
7) (1 б.) Верные ответы: 1;
8) (1 б.) Верные ответы: 2;
9) (1 б.) Верные ответы: 2;
10) (1 б.) Верные ответы: 1;
11) (1 б.) Верные ответы: 2;
12) (1 б.) Верные ответы: 1;
13) (1 б.) Верные ответы: 2;
14) (1 б.) Верные ответы: 3;
15) (1 б.) Верные ответы: 3.
-80%
Какой электрод освещают в вакуумном фотоэлементе для возникновения фотоэффекта
ИЗУЧЕНИЕ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА С ПОМОЩЬЮ ВАКУУМНОГО ФОТОЭЛЕМЕНТА
Фотоэффектом называется освобождение (полное или частичное) электронов от связей с атомами и молекулами вещества под воздействием света (видимого, инфракрасного и ультрафиолетового). Различают три вида фотоэффекта — внешний, внутренний, вентильный. Фотоэффект наблюдается как в твердых, так и в жидких и газообразных средах.
Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием света. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле называется фототоком. Внешний фотоэффект наблюдается у металлов.
Внутренний фотоэффект (фотопроводимость) — это явление возникновения внутри вещества избыточных носителей тока под действием освещения, что приводит к изменению электрических свойств этого вещества при воздействии падающего на него света. Внутренний фотоэффект присущ только полупроводникам и диэлектрикам. На основе этого явления создана и постоянно совершенствуется большая группа приемников света — фоторезисторов.
Вентильный фотоэффект – это явление возникновения ЭДС при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла в отсутствии внешнего электрического поля. На этом явлении основаны вентильные фотоэлементы, обладающие тем преимуществом, что они могут служить индикатором лучевой энергии, не требующими внешнего питания. Главная особенность вентильных фотоэлементов состоит в том, что они открывают путь для прямого превращения солнечной энергии в электрическую.
Широкое практическое применение находит внешний фотоэффект, который был впервые исследован профессором Московского университета Столетовым А.Г. (1888 г) Схема опытов Столетова по исследованию внешнего фотоэффекта изображена на рис.24.
В вакуумной трубке размещены металлическая пластинка К, служащая катодом и электрод. А, служащий анодом. Электроды К и А через гальванометр Г подключены к соответствующим полюсам батареи Б. Напряжение между анодом и катодом измеряется вольтметром V. Высокий вакуум поддерживается между электродами К и А во время измерения, т.к. присутсвие газов может сильно изменить свойства поверхностей электродов и осложняет условия выхода и переноса зарядов. Графически зависимость фототока IФ от напряжения V (вольт-амперная характеристика) при определенном световом потоке (Ф = const.)приведена на рис.25.
С увеличением напряжения фототок сначала растет, быстро достигая наибольшего значении I0, получившего название тока насыщения. Дальнейшее увеличение напряжения уже не вызывает роста силы тока. Значение тока насыщения определяется количеством электронов n, при вырываемых светом из катода за единицу времени:
где е — заряд электрона.
Поэтому значение фототока насыщения J является мерой фотоэлектрического действия света. При v = 0 в цепи течет некоторый фототок (J ≠ 0), что свидетельствует о наличии у фотоэлектронов, покидающих катод, начальной скорости. Если поменять полярность электродов, то электрическое поле будет тормозить движение электронов, а при некотором значении V = Vз (задерживающее напряжение) даже самые быстрые фотоэлектроны, имеющие максимальную скорость vmax; не достигнут анода – фототок прекратиться.
В этих условиях
где m — масса электрона.
Из опыта установлены следующие законы внешнего фотоэффекта:
1. Сила фототока насыщения пропорциональна падающему световому потоку:
Коэффициент γ, соответствующий силе фототока (выраженной в мкА) при освещенности катода световым потоком в I лм, называется фоточувствительностью освещаемой поверхности, он зависит от природы и состояния этой поверхности, а также от длины световой волны.
2. Максимальнаяскоростьфотоэлектроновлинейновозрастаетсростомчастотысветаинезависитотегоинтенсивности.
3. Фотоэфффектможетбытьвызвансветом(независимоотегоинтенсивности),частотакоторогонениженекоторойминимальнойчастоты ν0, характернойдляданноговеществакатодаиназываемойкрасной границей фотоэффекта.
Законы фотоэффекта были объяснены на основе квантовых представлений, вытекающих из теории М. Планка. Согласно этой теории свет поглощается веществом не непрерывно, а в виде дискретных порций — квантов электромагнитного излучения, названых фотонами.
Световой поток определяется числом фотонов, падающих на поверхность катода в единицу времени, поэтому число освобождаемых электронов должно быть пропорционально световому потоку. А. Эйнштейн предположил, что энергия одного поглощенного фотона hν целиком передается одному электрону. Она расходуется на совершение работы выхода (А) электрона из металла и сообщение ему максимальной (т.к. пренебрежимо мало превращение световой энергии в тепловую) кинетической энергии (mv 2 max/2).
Таким образом, энергетический баланс при фотоэффекте выражается следующим равенством (уравнение Эйнштейна):
Уравнение (73) дает возможность определить красную границу. С уменьшением частоты света кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается (работа А постоянна для данного освещаемого вещества). При некоторой частоте ν = ν0 (или длине волны ,где с – скорость света) кинетическая энергия фотоэлектронов станет равной нулю ( ) и фотоэффект прекратится (третий закон фотоэффекта). Это имеет мести при hν0 = A,т.е. в случае, когда вся энергия фотона расходуется на совершение работы выхода электрона. Тогда
Красная граница зависит от материала катода (h — постоянная Планка).
Второй закон фотоэффекта прямо вытекает из уравнения (73).
Приборы, действие которых основано на явлении внешнего фотоэффекта, называются фотоэлементами. Различают вакуумные и газонаполненные (инертным газом) фотоэлементы. Простейший вид фотоэлемента представлен на рис. 26. В стеклянном баллоне имеются два электрода: фотокатод К, представляющий собой металл, нанесенный на внутреннюю поверхность баллона, и анод А в виде петли, диска или сетки. Фотоэлемент подключается к источнику постоянного напряжения. Освещение катода вызывает в цепи фотоэлемента ток (регистрируется гальванометром Г), пропорциональный световому потоку Ф. Важная характеристика фотоэлемента — его чувствительность, равная фототоку, вызываемому единичным световым потоком. Чувствительность определяется в основном веществом катода и для вакуумных фотоэлементов обычно не превышает 150 мкА/лм. В газонаполненных фотоэлементах, содержащих небольшое количество инертного газа, чувствительность повышается до 1000 мкА/лм за счет ионизации газа ударами быстро летящих электронов. Очень важным для практики свойством вакуумных фотоэлементов является их практическая безынерционность :время между началом освещения и моментом появления фототока в них не превышает 10 -9 с.
СПЕКТРЫ ИЗЛУЧЕНИЯ И ПОГЛОЩЕНИЯ
В 1672 г Ньютоном было экспериментально установлено, что показатель преломления стеклянной призмы зависит от длины волны падающего света. При пропускании через стеклянную призму узкого пучка белого света на экране, установленного позади призмы, наблюдается радужная полоска (рис.27), которая называется призматическим или дисперсионным спектром.
Дисперсией света называются явления, обусловленные зависимостью показателя преломления вещества n от длины световой волны λ0. Эту зависимость можно охарактеризовать функцией:
где λ0 — длина световой волны в вакууме.
Дисперсией вещества называется производная n по λ0 (dn/dλ0).Отношение скорости c световой волны в вакууме к скорости v в некотором веществе называется абсолютным показателем преломления этого вещества (среды):
Длины волн видимого света заключены в пределах λ0 = 400 ÷ 760 нм. Эти значения относятся к световым волнам в вакууме. В веществе длины волн будут иными. В случае колебаний частоты ν длина волны в вакууме равна λ0 = c/ν. В веществе, в котором скорость световой волны v = c/n, длина волны имеет значение:
Таким образом, длина световой волны в веществе с показателем преломления n cвязана с длинной волны в вакууме соотношением:
Частоты видимых световых волн лежат в пределах
Для всех прозрачных веществ функция (75) имеет в видимой части спектра характер, показанный на рис. 2. С уменьшением длинны волны показатель преломления увеличивается со все возрастающей скоростью; дисперсия света отрицательна и растет по модулю с уменьшением длинны волны (дисперсия нормальная).
Если вещество поглощает часть лучей, то в области поглощения и вблизи её ход дисперсии обнаруживает аномалию (см. рис. 30). На некотором участке дисперсии вещества dn/dλ0 оказывается положительной. Такой ход зависимости n от λ0 называется аномальной дисперсией. Среды, обладающие дисперсией, называются диспергирующими. В диспергирущих средах скорость световых волн зависит от длинны λ0.
Дата добавления: 2021-12-14 ; просмотров: 139 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Тема 8. Фотоэлектрический эффект.
Гипотеза Планка о том, что свет испускается и поглощается отдельными порциями – квантами, нашла свое подтверждение и дальнейшее развитие в ряде явлений: фотоэффекте, химическом действии света, эффекте Комптона и т.д.
В 1887 году Герц обнаружил, что при освещении отрицательного электрода искрового разрядника ультрафиолетовыми лучами разряд происходит при меньшем напряжении между электродами, чем в отсутствии освещения. Позже, в опытах Столетова и Гальвакса было показано, что это явление обусловлено выбиванием отрицательных зарядов из металлического катода разрядника под действием света.
Явление вырывания электронов из вещества под действием света (электромагнитного излучения) называют внешним фотоэффектом
Схема опыта по изучению фотоэффекта изображена на рис. 8.1.
Плоский конденсатор, одной из обкладок которого служила медная сетка С, а второй – цинковая пластина D, был включен через гальванометр G в цепь аккумуляторной батареи Б.
При освещении отрицательно заряженной пластины D светом от источника S в цепи возникал электрический ток, названный фототоком. Сила фототока была пропорциональна освещенности пластины D. Освещение положительно заряженной обкладки С не приводило к возникновению фототока. Тем самым было экспериментально доказано, что под действием света металл теряет отрицательно заряженные частицы. Измерение удельного заряда этих частиц по их отклонению в магнитном поле показало, что это – электроны.
Опыты Столетова позволили установить зависимость между поданным на электроды напряжением и возникающем током. Зависимость силы фототока от напряжения называется вольтамперной характеристикой и имеет вид, изображенный на рис. 8.2.
Из рисунка видно, что сила фототока, во-первых, прямо пропорциональна интенсивности падающего света (кривая 2 соответствует более высокой освещенности, чем в случае 1), а во-вторых, при фиксированной
интенсивности облучения, она сначала растёт по мере повышения напряжения, но, достигнув определённого значения, уже не увеличивается. Это значение силы тока называется током насыщения.
Если между катодом и анодом вакуумного фотоэлемента создать электрическое поле, тормозящее движение электронов к аноду, то при некотором значении задерживающего напряжения Uзап (запирающий потенциал) анодный ток прекращается. Столетову удалось измерить это напряжение и по его величине рассчитать максимальную кинетическую энергию вырванных светом электронов.
Законы внешнего фотоэффекта
Количество электронов, вырываемых с поверхности металла в единицу времени, прямо пропорционально интенсивности светового потока Ф (количеству энергии, падающей со светом за единицу времени на единичную поверхность катода) и не зависит от частоты света.
Для каждого вещества существует определенная для данного вещества минимальная частота кр, при которой еще возможен фотоэффект. Если частота света меньше минимальной частоты, то фотоэффект не происходит (кр называется «красной границей фотоэффекта», так как для многих металлов 0 лежит в области красного света).
Максимальная начальная скорость вырываемых электронов определяется частотой света и не зависит от интенсивности падающего светового потока.
Объяснить природу фотоэффекта с помощью волновой теории света не удалось.
Только в 1905 г. Эйнштейн раскрыл сущность фотоэффекта. Он развил идеи Планка о квантовом характере излучения энергии атомами – осцилляторами и предположил, что электромагнитное излучение не просто испускается порциями — оно и распространяется в пространстве, и поглощается веществом тоже в виде порций — световых квантов. Следовательно, распространение электромагнитного излучения нужно рассматривать не как непрерывный волновой процесс, а как поток локализованных в пространстве дискретных квантов, движущихся со скоростью распространения света в вакууме (элементарных частиц — фотонов). Энергия фотона связана с частотой электромагнитного излучения соотношением, предложенным ранее Планком, = h (h-постоянная Планка).
При исследовании фотоэффекта было установлено, что свободный электрон не может поглотить фотон, так как не выполняются законы сохранения импульса и энергии. При взаимодействии кванта света с электроном необходимо участие третьего тела. Роль такого тела могут выполнять, например, примеси, неоднородности или дефекты кристаллической решетки.
Фотоэлектрон при прохождении через поверхность металла должен преодолеть потенциальный барьер, на что затрачивается энергия, равная работе выхода.
Согласно зонной теории твердых тел электроны заполняют уровни зоны проводимости в металлах. На рис. 8.3 представлена схема границы металл — вакуум при фотоэмиссии. Здесь WF — энергия Ферми, Wвак — энергия электрона в вакууме (свободный электрон), Wкин — кинетическая энергия электрона.
Согласно Эйнштейну, энергия фотона, поглощенного металлом, pасходуется электроном на пpеодоление поверхностного потенциального баpьеpа (эта часть энеpгии называется pаботой выхода электpона из металла А), а оставшаяся
после этого энергия (если останется) идет на сообщение электpону вне металла кинетической энеpгии.
На основе теории Эйнштейном было получено соотношение, названное уравнением Эйнштейна: hv=Авых+Wk,
где hv — энергия, которую отдаёт фотон, Авых — работа выхода электрона из вещества, Wk = mv 2 /2 — кинетическая энергия освобождённого электрона. Теория Эйнштейна объясняет все законы Столетова.
Первый закон фотоэффекта следует из того, что интенсивность света пропорциональна числу фотонов, падающих за единицу времени на поверхность единичной площади, а каждый фотон может вырывать только один электрон. Поэтому увеличение числа фотонов вызывает возрастание числа испущенных в единицу времени электронов (рис.8.4).
Также ясно, что фотоэффект могут вызывать только фотоны, соответствующие свету достаточно высокой частоты (рис.8.5). То есть, фотоэффект будет происходить только при
некоторая минимальная частота (рис.8.5 ), кр = Aвых /h, при которой начинается это явление (или граничная частота фотоэффекта).
Из формулы Эйнштейна также видно, что максимальная начальная скорость электронов зависит только от частоты и материала катода (рис. 8.6). Из сказанного ясно, что запирающий потенциал и кинетическая энергия электронов
связаны соотношением: еUзап = .
Отметим, что только малая часть квантов поглощается электронами, остальные поглощаются кристаллической решеткой, нагревая ее. КПД внешнего фотоэффекта имеет порядок 0,1%.
Число электронов, вылетающих из металла, в пересчете на один падающий фотон, называют квантовым выходом, который для металлов возрастает с увеличением частоты падающего фотона. Квантовый выход определяет чувствительность фотоэлементов к свету. Фотоэффект является безинерционным, так как время вылета электрона из металла после его освещения составляет порядка 10 -9 с. Квантовый выход для всех веществ имеет селективный характер, который напоминает резонансные явления.
Селективность зависит от направления поляризации света и угла падения лучей на поверхность вещества. Если падающий свет поляризован так, что вектор Е совершает колебания параллельно плоскости падения Е\\, то эффект резко усиливается (рис. 8.7 ).
При повороте плоскости на 90 0 , когда напряженность электрического поля равна , эффект исчезает. На рис. 8.7. кривая 1 – спектральная характеристика фототока, когда падающий свет поляризован и вектор Е совершает колебания параллельно плоскости падения.
Кривая 2 – спектральная характеристика фототока, когда падающий свет поляризован и вектор Е совершает колебания перпендикулярно плоскости падения.
Дальнейшие исследования подтвердили все выводы теории Эйнштейна и позволили найти величину h, которая совпала с величиной постоянной Планка. Этот эксперимент подтвердил два предположения: а) свет состоит из частиц – квантов; б) энергия кванта равна h.
Внутренний фотоэффект наблюдается при освещении светом полупроводников. Под влиянием фотоионизации атомов (ионов) происходит уменьшение сопротивления вещества.
При внутреннем фотоэффекте в чистых полупроводниках при получении дополнительной энергии электроны переходят из валентной зоны «В» в зону проводимости «С» (8.8), поэтому увеличивается проводимость. В валентной зоне «В» образуется дырка, которую занимает электрон с более низких уровней валентной зоны, и т.д. Число электронов в зоне проводимости растет.
Основным параметром, определяющим фотоэлектрические свойства вещества, является ширина запрещенной зоны .
Чем меньше ширина запрещенной зоны , тем дальше в сторону длинных волн простирается граница внутреннего фотоэффекта. Если на полупроводник падает фотон, энергия которого h , то фотоэффект наблюдается. Сопротивления, изготовленные из таких веществ, называются фотосопротивлениями.
Существует также вентильный фотоэффект, когда под действием света нарушается баланс в запирающем слое на стыке полупроводников “р” и ”n” типа в так называемом “р –n” переходе. Фотоэлементы с фотоэффектом в запирающем слое называются вентильными фотоэлементами.
Применение фотоэффекта и в быту, и в технике очень распространено. Так называемые фотоэлементы (рис. 8.9) применяются как оптические датчики на станках, позволяя обрабатывать сложнейшие детали, в кино. Они широко используются в солнечных батареях.
Фотоэлементом называется электровакуумный, полупроводниковый или ионный прибор, в котором воздействие лучистой энергии оптического диапазона вызывает изменение его электрических свойств. Обычно фотоэлементы используют совместно с усилителями, вследствие малого значения фототока, который может быть получен от фотоэлемента.
Какой электрод освещают в вакуумном фотоэлементе для возникновения фотоэффекта
Физика
Электродинамика
Магнитное поле
Механические колебания
Электромагнитные колебания
Механические волны
Электромагнитные волны
Оптика
Геометрическая оптика
Задачи на сферическое зеркало
Линза
Волновая оптика
Основы теории относительности
Основы квантовой физики
Излучения и спектры
Световые кванты
Атомная физика
Ядерная физика
Физика элементарных частиц
Открытие позитрона. Античастицы
Современная физическая картина мира
Современная физическая картина мира
Строение Вселенной
Строение Вселенной
Звёзды и источники их энергии. Современные представления о происхождении и эволюции Солнца и звёзд
Электровакуумные фотоэлементы.
Фотоэлектронная эмиссия и фотоэффект. Принцип действия электровакуумных фотоэлектронных приборов основан на создании фотоэлектронной эмиссии за счет лучистой энергии света, падающей на фотокатод.
Фотоэлектронная эмиссия, называемая иначе внешним фотоэффектом, представляет собой электронную эмиссию под действием электромагнитного излучения. Эмитирующий электрод при этом называют фотоэлектронным катодом (фотокатодом), а испускаемые им электроны — фотоэлектронами.
Сам процесс выхода электрона из вещества во внешнюю среду под действием света составляет фотоэлектронную эмиссию. Начало изучения фотоэлектронной эмиссии относится к 1886 г., когда немецкий ученый Г. Герц заметил, что напряжение для возникновения электрического разряда между электродами снижается, если осветить один из этих электродов. Детальное исследование этого явления провел в 1888 г. русский физик А.Г. Столетов, открывший существование фототока и установивший, что число свободных электронов п, эмитируемых катодом, пропорционально световому потоку, облучающему катод:
где Iф — фототок, мкА; п — число электронов; е — заряд электрона, Кл; К — коэффициент пропорциональности; Ф — световой поток, лм (интегральная чувствительность катода, мкА/лм).
Согласно закону А. Эйнштейна кинетическая энергия эмитированных электронов W0 зависит от частоты световых колебаний v и не зависит от интенсивности светового потока:
Где h = 6,63-10 34 Дж-с — постоянная Планка.
Таким образом, излучение можно рассматривать как поток частиц — фотонов, обладающих энергией hv. Эти два закона являются основными законами фотоэлектронной эмиссии.
Теоретическое обоснование этих законов впоследствии было дано на основании квантовой теории света, согласно которой все тела поглощают и излучают световую энергию отдельными порциями — квантами (фотонами).
Отсюда можно сделать вывод о том, что энергия кванта света, попадая на поверхность металла, поглощается электроном. За счет этой энергии электрон совершает работу выхода и приобретает кинетическую энергию W0, соответствующую начальной скорости электрона:
где т — масса электрона; U — скорость электрона.
Электровакуумные фотоэлементы. Электровакуумным фотоэлементом называют электронный прибор с фотоэлектрическим катодом. Различают высоковакуумные и ионные фотоэлементы. В последних баллоны заполнены инертным газом.
Рис. 28.1. Устройство электронного фотоэлемента: 1 — стеклянный баллона; 2 — фотокатод на стекле баллона; 3 — анод в виде кольца; 4 — выводы; 5 — цоколь
Простейший электронный фотоэлемент представляет собой стеклянный баллон и два электрода (рис. 28.1). Фотокатод — тонкий слой светочувствительного вещества, нанесенный на внутреннюю поверхность баллона (занимает половину поверхности баллона, а остальная часть поверхности баллона остается прозрачной и служит окном, через которое свет попадает на фотокатод) или на специальную пластину баллона. Анод имеет форму кольца, сетки или диска. Такое устройство анода меньше препятствует прохождению световых лучей на фотокатод. Электроды имеют выводы на баллоне и на цоколе лампы. Катоды выполняются из светочувствительных щелочных и щелочно-земельных металлов.
Для ультрафиолетового спектра используют чисто металлические фотокатоды.
Наибольшее применение получили кислородно-серебряно-цезиевые и сурьмяно-цезиевые фотокатоды. Анод изготавливается из никеля. В ионных фотоэлементах баллон после откачки воздуха заполняют аргоном при низком давлении, а в электронных фотоэлементах создается высокий вакуум.
Рис. 28.2. Условное обозначение фотоэлементов:
а — вакуумного; б — газонаполненного
Основные параметры фотоэлементов. Основными параметрами вакуумных и газонаполненных фотоэлементов являются чувствительность, темновой ток, максимально допустимое анодное напряжение, термостойкость, стабильность фотокатодов и утомляемость.
1. Чувствительность. Для фотоэлементов определяют интегральную и спектральную чувствительность.
2. Темновой ток — ток в фотоэлементе, включенном в цепь питания при полном затемнении (Ф = 0). Темновой ток состоит из тока термоэлектронной эмиссии катода и тока утечки по стеклу колбы при отсутствии освещения (Ф = 0).
3. Максимально допустимое анодное напряжение (В) — Ua.
4. Термостойкость — величина, определяющая диапазон рабочих температур (обычно от +50 до 20 °С).
5. Стабильность фотокатодов — свойство сохранять постоянство параметров фотокатода во времени. Зависит в основном только от материала, из которого изготовлен фотокатод. Наибольшее применение получили кислородно-серебряно-цинковые и сурьмяноцезиевые фотокатоды как наиболее долговечные.
6. Утомляемость — уменьшение чувствительности при резком увеличении освещенности фотокатода. Проявляется в том, что при большом световом потоке чувствительность фотоэлементов резко уменьшается во времени, доходя иногда до 25 % первоначальной величины. Если такой фотоэлемент поместить на некоторое время в темноту, то его чувствительность восстанавливается почти до первоначального значения.
Электровакуумные и газонаполненные фотоэлементы применяются в различных устройствах автоматики, в аппаратуре звукового кино, в приборах для физических исследований. К их недостаткам относятся невозможность микроминиатюризации, довольно высокие анодные напряжения (десятки и сотни вольт) и малые токи фотоэмиссии. Для устранения последнего недостатка были разработаны фотоэлектронные умножители. В настоящие время фотоэлементы во многих видах аппаратуры заменены полупроводниковыми приемниками излучения.
Похожие публикации:
- Elenberg ht 410 как включить радио
- Как разобрать блендер dexp sx 100
- Texas instruments где производство
- Как поменять тэн в водонагревателе оазис
ИЗУЧЕНИЕ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА С ПОМОЩЬЮ ВАКУУМНОГО ФОТОЭЛЕМЕНТА
Фотоэффектом называется освобождение (полное или частичное) электронов от связей с атомами и молекулами вещества под воздействием света (видимого, инфракрасного и ультрафиолетового). Различают три вида фотоэффекта — внешний, внутренний, вентильный. Фотоэффект наблюдается как в твердых, так и в жидких и газообразных средах.
Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием света. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле называется фототоком. Внешний фотоэффект наблюдается у металлов.
Внутренний фотоэффект (фотопроводимость) — это явление возникновения внутри вещества избыточных носителей тока под действием освещения, что приводит к изменению электрических свойств этого вещества при воздействии падающего на него света. Внутренний фотоэффект присущ только полупроводникам и диэлектрикам. На основе этого явления создана и постоянно совершенствуется большая группа приемников света — фоторезисторов.
Вентильный фотоэффект – это явление возникновения ЭДС при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла в отсутствии внешнего электрического поля. На этом явлении основаны вентильные фотоэлементы, обладающие тем преимуществом, что они могут служить индикатором лучевой энергии, не требующими внешнего питания. Главная особенность вентильных фотоэлементов состоит в том, что они открывают путь для прямого превращения солнечной энергии в электрическую.
Широкое практическое применение находит внешний фотоэффект, который был впервые исследован профессором Московского университета Столетовым А.Г. (1888 г) Схема опытов Столетова по исследованию внешнего фотоэффекта изображена на рис.24.
В вакуумной трубке размещены металлическая пластинка К, служащая катодом и электрод. А, служащий анодом. Электроды К и А через гальванометр Г подключены к соответствующим полюсам батареи Б. Напряжение между анодом и катодом измеряется вольтметром V. Высокий вакуум поддерживается между электродами К и А во время измерения, т.к. присутсвие газов может сильно изменить свойства поверхностей электродов и осложняет условия выхода и переноса зарядов. Графически зависимость фототока IФ от напряжения V (вольт-амперная характеристика) при определенном световом потоке (Ф = const.)приведена на рис.25.
С увеличением напряжения фототок сначала растет, быстро достигая наибольшего значении I0, получившего название тока насыщения. Дальнейшее увеличение напряжения уже не вызывает роста силы тока. Значение тока насыщения определяется количеством электронов n, при вырываемых светом из катода за единицу времени:
где е — заряд электрона.
Поэтому значение фототока насыщения J является мерой фотоэлектрического действия света. При v = 0 в цепи течет некоторый фототок (J ≠ 0), что свидетельствует о наличии у фотоэлектронов, покидающих катод, начальной скорости. Если поменять полярность электродов, то электрическое поле будет тормозить движение электронов, а при некотором значении V = Vз (задерживающее напряжение) даже самые быстрые фотоэлектроны, имеющие максимальную скорость vmax; не достигнут анода – фототок прекратиться.
В этих условиях
где m — масса электрона.
Из опыта установлены следующие законы внешнего фотоэффекта:
1. Сила фототока насыщения пропорциональна падающему световому потоку:
Коэффициент γ, соответствующий силе фототока (выраженной в мкА) при освещенности катода световым потоком в I лм, называется фоточувствительностью освещаемой поверхности, он зависит от природы и состояния этой поверхности, а также от длины световой волны.
2. Максимальнаяскоростьфотоэлектроновлинейновозрастаетсростомчастотысветаинезависитотегоинтенсивности.
3. Фотоэфффектможетбытьвызвансветом(независимоотегоинтенсивности),частотакоторогонениженекоторойминимальнойчастоты ν0, характернойдляданноговеществакатодаиназываемойкрасной границей фотоэффекта.
Законы фотоэффекта были объяснены на основе квантовых представлений, вытекающих из теории М. Планка. Согласно этой теории свет поглощается веществом не непрерывно, а в виде дискретных порций — квантов электромагнитного излучения, названых фотонами.
Световой поток определяется числом фотонов, падающих на поверхность катода в единицу времени, поэтому число освобождаемых электронов должно быть пропорционально световому потоку. А. Эйнштейн предположил, что энергия одного поглощенного фотона hν целиком передается одному электрону. Она расходуется на совершение работы выхода (А) электрона из металла и сообщение ему максимальной (т.к. пренебрежимо мало превращение световой энергии в тепловую) кинетической энергии (mv 2 max/2).
Таким образом, энергетический баланс при фотоэффекте выражается следующим равенством (уравнение Эйнштейна):
Уравнение (73) дает возможность определить красную границу. С уменьшением частоты света кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается (работа А постоянна для данного освещаемого вещества). При некоторой частоте ν = ν0 (или длине волны ,где с – скорость света) кинетическая энергия фотоэлектронов станет равной нулю ( ) и фотоэффект прекратится (третий закон фотоэффекта). Это имеет мести при hν0 = A,т.е. в случае, когда вся энергия фотона расходуется на совершение работы выхода электрона. Тогда
Красная граница зависит от материала катода (h — постоянная Планка).
Второй закон фотоэффекта прямо вытекает из уравнения (73).
Приборы, действие которых основано на явлении внешнего фотоэффекта, называются фотоэлементами. Различают вакуумные и газонаполненные (инертным газом) фотоэлементы. Простейший вид фотоэлемента представлен на рис. 26. В стеклянном баллоне имеются два электрода: фотокатод К, представляющий собой металл, нанесенный на внутреннюю поверхность баллона, и анод А в виде петли, диска или сетки. Фотоэлемент подключается к источнику постоянного напряжения. Освещение катода вызывает в цепи фотоэлемента ток (регистрируется гальванометром Г), пропорциональный световому потоку Ф. Важная характеристика фотоэлемента — его чувствительность, равная фототоку, вызываемому единичным световым потоком. Чувствительность определяется в основном веществом катода и для вакуумных фотоэлементов обычно не превышает 150 мкА/лм. В газонаполненных фотоэлементах, содержащих небольшое количество инертного газа, чувствительность повышается до 1000 мкА/лм за счет ионизации газа ударами быстро летящих электронов. Очень важным для практики свойством вакуумных фотоэлементов является их практическая безынерционность :время между началом освещения и моментом появления фототока в них не превышает 10 -9 с.
СПЕКТРЫ ИЗЛУЧЕНИЯ И ПОГЛОЩЕНИЯ
В 1672 г Ньютоном было экспериментально установлено, что показатель преломления стеклянной призмы зависит от длины волны падающего света. При пропускании через стеклянную призму узкого пучка белого света на экране, установленного позади призмы, наблюдается радужная полоска (рис.27), которая называется призматическим или дисперсионным спектром.
Дисперсией света называются явления, обусловленные зависимостью показателя преломления вещества n от длины световой волны λ0. Эту зависимость можно охарактеризовать функцией:
где λ0 — длина световой волны в вакууме.
Дисперсией вещества называется производная n по λ0 (dn/dλ0).Отношение скорости c световой волны в вакууме к скорости v в некотором веществе называется абсолютным показателем преломления этого вещества (среды):
Длины волн видимого света заключены в пределах λ0 = 400 ÷ 760 нм. Эти значения относятся к световым волнам в вакууме. В веществе длины волн будут иными. В случае колебаний частоты ν длина волны в вакууме равна λ0 = c/ν. В веществе, в котором скорость световой волны v = c/n, длина волны имеет значение:
λ = v/ν = c/ νn = λ0/n (77)
Таким образом, длина световой волны в веществе с показателем преломления n cвязана с длинной волны в вакууме соотношением:
Частоты видимых световых волн лежат в пределах
ν = (0,39 ÷ 0,75) · 10 15 Гц (79)
Для всех прозрачных веществ функция (75) имеет в видимой части спектра характер, показанный на рис. 2. С уменьшением длинны волны показатель преломления увеличивается со все возрастающей скоростью; дисперсия света отрицательна и растет по модулю с уменьшением длинны волны (дисперсия нормальная).
Если вещество поглощает часть лучей, то в области поглощения и вблизи её ход дисперсии обнаруживает аномалию (см. рис. 30). На некотором участке дисперсии вещества dn/dλ0 оказывается положительной. Такой ход зависимости n от λ0 называется аномальной дисперсией. Среды, обладающие дисперсией, называются диспергирующими. В диспергирущих средах скорость световых волн зависит от длинны λ0.
Дата добавления: 2021-12-14 ; просмотров: 210 ;