Titlul lucrării: INVESTIGAREA EFECTULUI FOTOELECTRIC EXTERN PE FOTOELEMENT
Specializarea: Fizica
Descriere: Lab №14 INVESTIGAREA EFECTULUI ASUPRA fotocelule fotovoltaice EXTERNE Obiectiv: Construirea caracteristicilor curent-tensiune de celule fotovoltaice metale determinare Planck funcția de lucru determinare de electroni a suprafeței fotocatodic.
Mărime fișier: 87,5 KB
Lucrarea a fost descărcată: 31 de persoane.
Lucrări de laborator №14
STUDIUL EFECTULUI FOTOELECTRIC EXTERN PE FOTOELEMENT
Scopul lucrării: Construcția caracteristicilor volt-ampere ale metalelor fotocelulelor, determinarea constantei lui Planck, determinarea funcției de lucru a electronilor de pe suprafața fotocatodului.
Echipamente: Instalatie pentru studierea efectului fotoelectric extern al FPK-10, fotodetectoare F-8 si F-25.
Un efect fotoelectric extern (efect fotoelectric) este emisia de electroni prin materie sub acțiunea radiației electromagnetice (lumină). Acest fenomen, descoperit de Hertz și studiat de Stoletov la sfârșitul secolului al XIX-lea. este extrem de importantă ca o valoare teoretică, ceea ce duce la conceptul de canal de lumină și practic, care a găsit o aplicare largă în dispozitive numite fotocelule.
Esența fenomenului efectului fotoelectric în fizica modernă este explicată de teoria cuantică a luminii. Conform acestei teorii, lumina frecvenței (, unde c # 150; viteza luminii; este lungimea de undă) nu numai că lasă atomul sub forma unei porțiuni de energie h . unde h # 150; Constanta lui Planck, dar se răspândește și în viitor sub forma aceleiași porțiuni, localizate și se deplasează în spațiu în ansamblu cu viteza luminii. Pentru astfel de porțiuni luminoase elementare, numele # 150; foton.
În metal există electroni care se mișcă liber, dar nu-l pot lăsa liber, deoarece sunt ținute de ioni pozitivi la suprafață. În această regiune de suprafață are loc o diferență de potențial (de ordinul a 3-5 V), care împiedică electronii să părăsească metalul în vid. În consecință, pentru ca un electron să scape din metal, trebuie să depășească diferența de potențial, adică trebuie să facă lucrarea, care se numește funcția de lucru a electronului din metal. Se determină prin relația A = e U. unde e # 150; electronice, U # 150; Diferența de potențial (se mai numește și potențialul de contact al metalului sau înălțimea barierului potențial).
Din punctul de vedere al teoriei benzii, sub funcția de lucru a ieșirii A, înțelegem energia minimă care trebuie comunicată electronului pentru a fi îndepărtată din ecuațiile celei mai de sus umplut cu potențial-fantomă dincolo de limitele sale (figura 1).
Quanta de lumină care cade pe materie, a cărei energie h este absorbită de atomii materiei. Când un foton este absorbit de un metal, energia sa este transferată la un electron liber. Această energie a luminii este mult mai mare decât energia termică a electronilor. Un electron, care a primit energie, poate lăsa metalul. Pentru a face acest lucru, el trebuie să facă lucrarea de ieșire A. Dacă electronul a primit energie mai mare de A, atunci energia excesivă se duce la mesajul de energie cinetică, datorită căruia se mișcă în afara metalului.
Einstein a fundamentat teoretic relația cantitativă dintre energia primită de un electron atunci când este eliberată de lumină și frecvența acestei lumini. Ca urmare, el a primit o ecuație numită numele său:
unde h este energia fotonică; A # 150; funcția de lucru a electronului din metal; este energia cinetică a electronului.
Dacă energia fotonului este de așa natură încât este suficientă numai pentru performanța activității ieșirii, adică în cazul în care. atunci electronul eliberat va avea viteza zero. Frecvența 0 determină cea mai mică frecvență la care este posibil un efect fotoelectric. Această frecvență determină "pragul" efectului fotoelectric. Utilizarea cuplajului de frecvență cu lungimea de undă. se poate găsi lungimea de undă 0. corespunzătoare pragului efectului fotoelectric. Această lungime de undă se numește "marginea roșie" a efectului fotoelectric. Prin urmare, radiația cu lungimea de undă 0 poate provoca un efect fotoelectric, iar cu 0 efectul fotoelectric nu provoacă, deoarece în acest caz este mai mică funcția de lucru a electronului.
Pentru majoritatea substanței, "granița roșie" se află în partea ultravioletă a spectrului. Dar pentru un număr de metale, în special metale alcaline, se află în părțile vizibile și în infraroșu ale spectrului.
În toate cazurile, fenomenul atunci când un electron sub acțiunea luminii părăsește limitele unei substanțe se numește efect fotoefect extern.
Un grup special de agenți (de exemplu, seleniu), care sub acțiunea luminii poate schimba conductivitatea (apariția fenomenului de fotoconductie). absorbind o cuantă de lumină electronice, nu lasa, ci pentru că energia achiziționată merge în regiunea neumplute, determinând astfel materialul de conductivitate electrică. Acest fenomen este numit efectul fotoalimentar intern.
Dispozitivele, în care se efectuează aplicarea tehnică a efectului fotoelectric, se numesc fotocelule.
În lucrarea de față studiem o fotocelule vid cu un efect fotoelectric extern. O astfel de fotocelula este un cilindru din sticlă gol, din care este pompat aerul. O jumătate din suprafața interioară este acoperită cu un strat de antimoniu, cesiu, potasiu și sodiu (SbKaNaCs). Compusul rezultat, u, servește ca un fotocatod cu o funcție mică de lucru cu electroni. Este conectat la negativul unei surse externe de alimentare. Anodul este o buclă subțire de metal sau o plasă plasată în centrul balonului. Anodul este conectat la plusul unei surse externe de alimentare.
O diagramă schematică a includerii unei fotocelule într-un circuit electric este dată în Fig.
Dacă un fascicul de lumină este aplicat catodului K și o tensiune U aplicată între anod și catod, atunci electronii care sunt rupți de catodul luminat de lumină și accelerat de câmpul electric vor zbura spre anod.
Astfel, un curent apare în circuit, numit fotocurent, care poate fi măsurat cu un miliametru de m A. Amploarea fotocurentului este proporțională cu incidentul fluxului de lumină de pe catod.
Fotocurentul crește cu creșterea tensiunii. Dependența curentului de tensiunea anodică cu fluxul luminos constant se numește caracteristica de tensiune curentă a fotocelulei. Amplitudinea curentului, referindu-se la un lumen al fluxului luminos, se numește sensibilitatea fotocelulei.
Vacuum fotocelule, începând cu o anumită valoare a tensiunii anodice, opresc creșterea în continuare a curentului. Apare starea de saturație a fotocelulei. Aceasta se datorează faptului că toți electronii emise de catod intră complet pe anod.
Cu toate acestea, fotocurentul apare în circuit și în absența unui câmp electric între anod și catod, în cazul în care fotocelula este iluminată cu lumină. Electronii emise de catod sub acțiunea luminii au o anumită energie cinetică. Prin urmare, pentru a inhiba mișcarea lor, este necesar să se aplice o diferență de potențial întârziată (tensiune negativă) la electrozii, adică pe catod pentru a da un potențial pozitiv, și pe anod # 150; negativ. Cu cât este mai mare diferența de potențial întârziată dintre anod și catod, cu cât mai puțini electroni vor ajunge la anod, cu atât mai puțin milliametrul va arăta curentul.
La o anumită valoare a diferenței de potențial, chiar și cei mai rapizi electroni nu ajung la anod, nu există curent în circuit. Condiția asta
Cantitatea U 3 este numită diferența de potențial de întârziere.
Astfel, Stoletov, studiind legile efectului fotoelectric asupra instalației (Figura 2), a ajuns la concluzia:
- Viteza inițială maximă a fotoelectronelor nu depinde de intensitatea luminii incidente, ci este determinată numai de frecvența sa (crește liniar cu frecvență în creștere).
- Fotocurentul de saturație este proporțional cu fluxul luminos.
- Pentru fiecare substanță există o frecvență minimă sub care nu se observă efectul fotoelectric.
Ecuația Einstein (1) arată că diferența de potențial întârziată depinde de frecvența luminii care apare pe celula foto, adică
Diferențele de potențial de întârziere pentru diferite frecvențe luminoase 1 și 2 vor fi, respectiv:
Scăderea din (4) (5), obținem
Astfel, cunoscând potențialul de întârziere pentru frecvențele 1 și 2., putem calcula constanta Planck h.
Mai mult, cunoscând constanta Planck și frecvența luminii incidente, este posibil să se calculeze funcția de lucru a unui electron dintr-un metal:
unde U3 # 150; potențial de întârziere legat de frecvența corespunzătoare .
Toate măsurătorile sunt efectuate pe instalația FPK-10, constând în două unități conectate printr-un cablu: un dispozitiv de măsurare și un obiect de cercetare.
Obiectul studiului include un iluminator (o lampă de mercur spectral) cu o sursă de alimentare, o unitate de filtrare a luminii de interferență 1-4 și un dispozitiv de reglare a iluminării. Un amplificator fotocurent este atașat corpului, fotodetectoarele F-8 și F-25 înlocuibile sunt montate pe capacul superior. La instalarea fotodetectoarelor, fereastra de recepție este combinată cu fereastra de ieșire a iluminatorului. Pe capacul lateral al amplificatorului sunt amplasate regulatoarele de echilibru ale amplificatorului "aproximativ" și "exact".
Dispozitivul de măsurare permite măsurarea fotocelulei curent, instalat în obiectul în studiu pentru a stabili și se măsoară tensiunea de alimentare la detectorul de lumină și îndeplini funcțiile de control al sistemului (inclusiv setarea unui înainte sau modurile de măsurare inversă). In modul direct, domeniul de măsurare a tensiunii de la 0 la 40 V, în sens invers 0--2.5 V, butoanele „+“, „-“ și „descărcare“ sunt utilizate pentru a regla tensiunea la detectorul de lumină și resetați-l la zero. Indicatoarele B și μA sunt proiectate pentru a indica valorile valorilor tensiunii pe fotocelulă și pe fotocurent în timpul funcționării.
Astfel, principiul de funcționare al instalației se bazează pe măsurarea curentului prin fotocelule atunci când polaritatea și magnitudinea tensiunii aplicate se schimbă, iar compoziția spectrală și iluminarea schimbării catodului fotocelular.
Ordinea lucrării.
- Pentru a instala un fotodetector cu o fotocelula F-8 pe obiectul de cercetare. Porniți dispozitivul de măsurare. După o încălzire de 5 minute de către butoanele "punct zero" pe obiectul studiului, setați valoarea zero pe indicatorul μA al dispozitivului de măsurare. În același timp, poziția "0" trebuie să fie pe tamburul filtrelor de lumină. În această poziție nu există filtre de lumină.
- Porniți obiectul studiului și lăsați lampa iluminatorului să se încălzească timp de 15 minute.
- Utilizați butonul "înainte-invers" pentru a selecta modul de măsurare a tensiunii directe.
- Introduceți filtrul de lumină №1.
- Prin schimbarea valorilor tensiunii de la 0 la 40 V, utilizați butoanele "+" sau "-" pentru a citi fluxul fotografic de la indicatorul "μA". Înregistrați rezultatele măsurătorilor în Tabelul 1.
- Când măsurătorile sunt finalizate în modul înainte, apăsați butonul "Resetare". Tensiunea este resetată la zero. Apoi, utilizați butonul "înainte-invers" pentru a selecta modul de măsurare inversă. În modul invers, intervalul de variație a tensiunii este de la 0 la -2,5 V. Citiți fluxul fotografic până când fluxul fotografic ajunge la valoarea zero. În acest caz, tensiunea va fi o blocare U s. Nu se recomandă măsurarea sub U s.
- După instrucțiunile instructorului, instalați o nouă fotocelula și filtre de lumină adecvate. Efectuați măsurările în conformitate cu punctele 3-6. Rezultatele sunt înscrise în tabelul 1.
- Folosind formula (6), calculați constanta Planck h.
- Folosind formula (7), calculați funcția de lucru a ieșirii A (în electron-volți) pentru diferite lungimi de undă.
1. Care este fenomenul fotoefectului extern și cel intern?
2. Formați legile lui Stoletov și explicați-le din punctul de vedere al teoriei cuantice a luminii.
3. Scrieți ecuația Einstein și explicați semnificația sa fizică pentru efectul fotoelectric extern.
4. Care este "marginea roșie a efectului fotoelectric"?
5. Explicați natura potențialului întârziat și dependența acestuia de lungimea de undă a radiației.
6. Care este dependența fotocurentului de iluminarea catodului? Explicați-l din poziția conceptului cuantic al luminii.
7. Aplicarea practică a fotocelulelor.
la lucrările de laborator nr. 14
Și alte lucrări care ar putea să te intereseze
Trimiteți-le prietenilor: