Световая характеристика Iф = (Ф) отражает зависимость фототока от светового потока, падающего на фотокатод.
Для вакуумных приборов, работающих при напряжении насыщения, световая характеристика практически линейна.
В газонаполненных приборах фототок с ростом светового потока увеличивается более интенсивно.
Таким образом, чувствительность газонаполненных приборов является переменной величиной и при достаточно большом диодном напряжении в 5-10 раз выше чувствительности вакуумных приборов.
Чувствительность фотоэлектронных приборов – мА/Лм
Законы внешнего фотоэффекта (первоначально установлены опытным путём):
1. Число
электронов, вырываемых из вещества, пропорционально интенсивности света.
(Фототок насыщения прямо пропорционален интенсивности света, падающего на
катод)
2. Наибольшая
кинетическая энергия вылетающих электронов пропорциональна частоте света и не
зависит от его интенсивности.
(Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно зависит от частоты
света и не зависит от его интенсивности)
З. Для каждого вещества существует минимальная частота света υ0, называемая красной границей фотоэффекта - ниже которой фотоэффект невозможен.
При частотах светового излучения ниже красной границы фотоэффекта фотоэлектронная эмиссия прекращается.
Фотокатод обладает различной чувствительностью к излучениям различной длины волны, что отражается его спектральной характеристикой.
Также установлена безиннерционность фотоэффекта – он возникает мгновенно после начала освещения при условии превышения красной границы.
Волновая теория света не в состоянии объяснить законы фотоэффекта.
Трудности в объяснении этих законов привели Эйнштейна к созданию квантовой теории света. Он пришёл к выводу, что свет представляет собой поток особых частиц, называемых фотонами (обозначается γ) или квантами.
Электромагнитная волна, по этой теории, состоит из отдельных порций – квантов(фотонов) с энергией hυ
Интенсивность света прямо пропорциональна числу фотонов Nф и энергии каждого из них hυ. Каждый фотон поглощается целиком только одним электроном. Поэтому число вырванных светом фотоэлектронов, а значит и фототок насыщения Iн, пропорциональны Nф, т.е. интенсивности света (первый закон фотоэффекта)
Энергия фотонов равна:
e = hn
n - частота cвeтa
h - постоянная Планка.
Известно, что для вырывания электрона ему надо сообщить минимальную энергию, называемую работой выхода электрона Aвых, зависящую от вещества.
Если энергия фотона больше или равна работе выхода, то электрон вырывается из вещества, т.е. происходит фотоэффект.
Работа выхода – минимальная работа, которую нужно совершить для удаления электрона из металла.
Вылетающие электроны имеют различные кинетические энергии. Наибольшей энергией обладают электроны, вырываемые с поверхности вещества. Электроны же, вырванные из глубины прежде, чем выйти на поверхность теряют часть своей энергии при соударениях с атомами вещества.
Найдем наибольшую кинетическую энергию Wkm, которую приобретает электрон, используя закон сохранения энергии:
Wkm = e - Aвых или = e - Aвых
где m и vm – масса и наибольшая скорость электрона.
Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта:
энергия поглощённого фотона идет на совершение работы выхода электрона и сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии.
e = Aвых + Wkm или hυ = Aвых + .
Уравнение Эйнштейна объясняет все законы внешнего фотоэффекта.
Первый закон внешнего фотоэффекта
Пусть на вещество падает монохроматический свет. Согласно квантовой теории, интенсивность света пропорциональна энергии, которая переносится фотонами, т.е. пропорциональна числу фотонов. Поэтому с увеличением интенсивности света увеличивается число фотонов, падающих на вещество, а следовательно, и число вырываемых электронов.
Второй закон внешнего фотоэффекта
Из формулы hυ = Aвых + следует, что наибольшая кинетическая энергия фотоэлектрона зависят от частоты v света и от работы выхода Aвых, но не зависит от интенсивности света.
Кинетическая энергия фотоэлектрона зависит от частоты света линейно:
Ek = = h (υ - )
Кинетическая энергия всегда положительна. Это значит, что фотоэффект будет наблюдаться для частот:
υ ≥
По углу наклона графика Ek(υ) можно экспериментально определить значение постоянной Планка h.
Совпадение значений постоянной Планка, выведенной в теориях теплового излучения и фотоэффекта, подтверждает правильность предположения о квантовом характере излучения и поглощения света веществом.
Третий закон внешнего фотоэффекта
Из уравнения фотоэффекты вытекает вывод, что внешний фотоэффект возможен, если hυ ³ Авых. Энергии фотона должно по крайней мере, хватить хотя бы на вырывание электрона без сообщения ему кинетической энергии.
Тогда красную границу υ0 фотоэффекта находим из условия:
hυ0 = Авых Þ υ0 =
Вакуумным фотоприборам с внешним фотоэффектом свойственна так называемая утомляемость - снижение чувствительности при длительном непрерывном освещении и нахождении под напряжением. Особенно сильно сказывается утомляемость в течение первых 100-150 ч работы.
Воздействие очень больших световых потоков на фотокатод, находящийся под напряжением, вызывает необратимое снижение его чувствительности и даже разрушение.
Фотоэффект используется в различных приборах для преобразования энергии света в энергию электрического тока или для управления электрическим током.
Простейшим прибором, работающим на основе фотоэффекта является вакуумный фотоэлемент. Фотоэлементы используются для воспроизведения звукового сопровождения, записанного на киноленту в виде звуковой дорожки.
ФОТОРЕЗИСТОР
ФОТОДИОД
ФОТОТРАНЗИСТОР
ОПТОЭЛЕКТРОНИКА
ОПЫТЫ СТОЛЕТОВА(уч.11кл.стр.314)
В вакуумной трубке помещены два электрода – катод из исследуемого материала и анод ( в схеме Столетова применялась металлическая сетка), подключенные к источнику напряжения.
Без освещения катода тока в цепи нет. При освещении электроны, вырываемые светом из катода, под действием электрического поля притягиваются к положительно заряженному аноду.
Возникающий в цепи ток называют фототоком, а вырванные из катода электроны – фотоэлектронами.
Небольшой фототок возникает даже при отсутствии разности потенциалов между анодом и катодом.
При малых напряжениях не все фотоэлектроны достигают анода.
С увеличением разности потенциалов между анодом и катодом все больше электронов достигают анода и сила фототока растет.
При некотором напряжении она достигает максимального значения, называемого фототоком насыщения Iн, и больше не увеличивается.
При этом все фотоэлектроны, покинувшие катод, достигают анода.
Если изменить полярность источника напряжения, то сила тока уменьшится и при некотором задерживающем напряжении –Uз станет равна нулю. В этом случае электрическое поле тормозит фотоэлектроны и возвращает их на катод.
УРАВНЕНИЕ ЭЙНШТЕЙНА ДЛЯ ФОТОЭФФЕКТА
См.выше «Фотоэффект»
ГИПОТЕЗА ЛУИ ДЕ БРОЙЛЯ(уч.11кл.стр.322)
Гипотеза Луи де Бройля
Длина волны де Бройля
Опыт Джозефа Томпсона по дифракции электронов (см.ниже)
В 1923 г. французский физик Луи де Бройль высказал гипотезу, что корпускулярно-волновой дуализм является универсальным свойством любых материальных объектов, а не только света.
Любая микрочастица обладает помимо корпускулярных и волновыми свойствами. Это значит, что частица массой m, движущаяся со скоростью v, характеризуется не только координатами, импульсом p и энергией E, но и подобно фотону частотой υ и длиной волны λБ.
E = h υ , p = h/ λБ
Любой частице, обладающей импульсом p, соответствует длина волны де Бройля:
λБ = .
Волновые свойства макроскопических тел не наблюдаются на опыте из-за необычайно малой величины длины волны де Бройля.
Однако для электрона, движущегося в атоме со скоростью 2*106 м/с, длина волны де Бройля оказывается соизмеримой с размером атома:
λБ = ≈ 3.6*10-10м
ДИФРАКЦИЯ ЭЛЕКТРОНОВ(уч.11кл.стр.322-323)
Гипотеза Луи де Бройля (см.выше)
Длина волны де Бройля(см.выше)
Опыт Джозефа Томпсона по дифракции электронов
Опыты Фабриканта, Бибермана и Сушкина по дифракции одиночных электронов
Наличие волновых свойств у микрочастиц означает, что можно наблюдать их интерференцию и дифракцию.
В 1927 г. волновые свойства электронов были обнаружены английским физиком Джозефом Томсоном в опытах по дифракции электронов при их прохождении сквозь золотую фольгу.
Картина дифракции электронов оказалась сходной с известной дифракционной картиной рентгеновского излучения.
Волновые свойства частиц не являются их коллективной характеристикой, а присущи каждой частице в отдельности.
В 1949 г. российские физики В.А.Фабрикант, Л.М.Биберман, Н.Г.Сушкин выполнили опыт по дифракции электронного пучка предельно малой интенсивности.
В эксперименте электроны следовали друг за другом с интервалом на четыре порядка превышающим время, за которое электрон попадает на фотопластину. Это значит, что каждый электрон дифрагировал независимо от других, подобно дифракции отдельных фотонов.
Дифракция одиночных электронов на щели оказывается абсолютно идентичной дифракции одиночных фотонов с длиной волны λ = λБ. Так же, как и для фотона, можно говорить лишь о вероятности попадания электрона в окрестности определенной точки. Дифракционная картина возникает потому, что вероятность попадания электрона в разные точки экрана не одинакова.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98
