Методичний посібник для підготовки до лабораторних робіт за темами хвильова оптика

За теорією Ейнштейна, кожен квант поглинається тільки одним електроном. Тому число вирваних з поверхні речовини електронів повинно бути пропорційно інтенсивності світла (I закон фотоефекту).

Енергія падаючого фотона витрачається на здійснення роботи виходу електрона з речовини А і на повідомлення йому кінетичної енергії

Рівняння Ейнштейна для зовнішнього фотоефекту є законом збереження енергії стосовно до цього процесу.

З рівняння (1) випливає, що максимальна кінетична енергія фотоелектронів лінійно зростає зі збільшенням частоти падаючого випромінювання і не залежить від його інтенсивності (II закон фотоефекту). Так як зі зменшенням частоти світла кінетична енергія фотоелектронів падає (для даного металу Авих = const.), То при деякій досить малій частоті n = n0 кінетична енергія фотоелектронів стає рівною нулю, і при подальшому зниженні частоти фотоефект припиняється (III закон фотоефекту). Відповідно до викладеного, отримаємо

Величини λ0 і n0 називають червоною межею фотоефекту для даного речовини. Вони залежать лише від роботи виходу електрона, тобто від хімічної природи речовини і стану його поверхні (в тому числі і від наявності або відсутності на поверхні інших речовин).

На явищі фотоефекту заснована дія фотоелектронних приладів, які отримали різноманітне застосування в різних областях науки і техніки.

Фотоелементи - приймачі випромінювання, що працюють на основі фотоефекту і перетворюють енергію випромінювання в електричну.

Залежно від виду здійснюваного фотоефекту, фотоелементи можна розділити на три групи:

1. Фотоелементи з зовнішнім фотоефектом. Найпростішим з них є вакуумний фотоелемент (рис.1). Він являє собою відкачаний скляний балон, внутрішня поверхня якого (за винятком вікна для доступу випромінювання) покрита фоточутливим шаром, службовцям фотокатодом. Як анода зазвичай використовується кільце або сітка, що поміщається в центрі балона. Висновки катода і анода, вмонтовані в пластмасовий цоколь, приєднуються до джерела напруги. Якщо на фотокатод подіяти світлом, здатним виривати електрони, то по ланцюгу піде фототок, інтенсивність якого збільшується при наявності між катодом і анодом прискорює напруги.

Вакуумні фотоелементи безінерційні, для них спостерігається пропорційність між фотострумом і інтенсивністю випромінювання. Ці властивості дозволяють використовувати вакуумні фотоелементи в якості фотометричних приладів (наприклад, фотоелектричний експонометр, люксметр - вимірювач освітленості, і т.д.).

Для збільшення інтегральної чутливості вакуумних фотоелементів балон заповнюється розрідженим газом (Ar або Ne при тиску

1¸10 Па). Такий фотоелемент називається газонаповненим. Фотострум в такому елементі посилюється внаслідок зіткнень іонізації молекул газу фотоелектронами.

2. Фотоелементи з внутрішнім фотоефектом, звані напівпровідниковими фотоелементами або фотосопротівленіем (фоторезисторами), мають набагато більшу інтегральної чутливістю, ніж вакуумні. Для їх виготовлення використовують PbS, CdS, PbSe і деякі інші напівпровідники. Якщо фотокатоди вакуумних фотоелементів мають червону кордон фотоефекту не вище 1,1 мкм, то застосування фотосопротивлений дозволяє проводити вимірювання в далекій інфрачервоній області спектра (до 3¸4 мкм), а також в областях рентгенівського і гамма-випромінювань. Крім того, вони компактні і мають низьку напругу живлення. Недолік фотосопротивлений - їх помітна інерційність, тому вони непридатні для реєстрації швидкозмінних світлових потоків.

3. Фотоелементи з вентильним фотоефектом, звані вентильними фотоелементами (фотоелементами з замикаючим шаром), володіючи (подібно елементам із зовнішнім фотоефектом) суворої пропорційністю фотоструму інтенсивності випромінювання, мають велику в порівнянні з ними інтегральну чутливість і не потребують в зовнішньому джерелі е.р.с . До числа вентильних фотоелементів відносяться германієві, кремнієві, селенові, купоросні, сірчистої-срібні та ін. Кремнієві та інші вентильні фотоелементи застосовуються для створення сонячних батарей, безпосередньо перетворюють світлову енергію в електричну.

4. Фотоелектронні умножители (ФЕУ), в яких поєднується зовнішній фотоефект з ефектом вторинної електронної емісії, яка відбувається на декількох дінодамі. Ці прилади мають чутливістю, на кілька порядків більшою, ніж у фотоелементів.

Основними характеристиками фотоелемента є:

1. Вольтамперная характеристика - залежність сили фотоструму від напруги на фотоелементі при незмінній освітленості фотокатода.

2. Спектральна характеристика - залежність сили фотоструму від довжини хвилі падаючого випромінювання при незмінній освітленості і постійній напрузі на фотоелементі.

3. Світлова характеристика - залежність сили фотоструму від величини світлового потоку даної довжини хвилі при постійній напрузі на фотоелементі.

4. Інтегральна чутливість - відношення сили фотоструму з сумарної потужності випромінювання в обраному діапазоні довжин хвиль.

Вольтамперная характеристика фотоелемента з зовнішнім фотоефектом

На рис.2 приведена вольтамперная характеристика вакуумного фотоелемента. відповідна двом різним освітленням фотокатода (частота падаючого світла в обох випадках однакова). У міру збільшення напруги фотострум поступово зростає, тобто все більше число фотоелектронів досягає анода. Пологий характер кривих показує, що електрони вилітають з катода з різними швидкостями. Максимальне значення фотоструму Iнас - фотострум насичення - визначається