2Експериментальна частина

Р івняння Ейнштейна (1) відноситься до окремого акту взаємодії одного фотона з одним електроном. Збільшення інтенсивності світла веде лише до зростання кількості фотонів, а відтак до збільшення числа зіткнень в одиницю часу електронів з фотонами. Звідси – пряма залежність між інтенсивністю падаючого світла і кількістю утворених фотоелектронів, тобто силою фотоструму в колі, рисунок 1. Залежність сили фотоструму I від напруги U між катодом та анодом фотоелемента називають вольт-амперною характеристикою фотоелемента (рисунок 2). При збільшенні U від нуля (область U > 0 відповідає прямому включенню фотоелемента в коло, показаному на рисунку 1) сила фотоструму монотонно зростає, прямуючи до певного значення I_нас – фотоструму насичення, яке залежить від інтенсивності світла, падаючого на фотокатод. При зміні полярності включення фотоелемента (зворотне включення) електричне поле між катодом та анодом буде гальмувати рух фотоелектронів, внаслідок чого спостерігається поступове зменшення сили фотоструму до повного його припинення при деякій величині U_з, яка називається затримуючою напругою (затримуючим потенціалом). Зворотному включенню фотоелемента відповідає на вольт-амперній характеристиці область U < 0. Існування фотоструму при U < 0 свідчить про відмінну від нуля початкову кінетичну енергію фотоелектронів. Максимальна початкова швидкість v_m фотоелектронів пов’язана з величиною затримуючої напруги співвідношенням:

, (3)

де e та m – заряд і маса електрона.

Враховуючи (3), рівняння (1) можна подати у вигляді:

, (4)

Отже, при експериментальному дослідженні фотоефекту визначення максимальної кінетичної енергії фотоелектронів зводиться до вимірювання відповідної затримуючої різниці потенціалів. В цьому полягає суть методу затримуючої напруги. Рівняння (4) дозволяє за відомою частотою ν монохроматичного світла визначити роботу виходу A фотоелектронів для даного матеріалу.

На ранньому етапі розвитку квантової теорії фотоелектричні вимірювання відіграли важливу роль при визначенні однієї з фундаментальних величин – сталої Планка. Для визначення сталої Планка можна також застосувати рівняння (4). В тих випадках, коли робота виходу для фотокатода відома не достатньо точно або взагалі не відома, виконують вимірювання затримуючої напруги для декількох частот монохроматичного світла в області чутливості фотокатода. Відтак, записавши рівняння (4) для двох різних частот ν₁ та ν₂

та

і вилучаючи з цих рівнянь А, дістанемо формулу для визначення сталої Планка:

. (5)

В даній лабораторній роботі для фотоелектричних вимірювань використовується серійний вакуумний фотоелемент СЦВ–4, виготовлений у вигляді скляного балона, всередині якого розміщені фотокатод та колектор електронів (рисунок 3). Фотокатод являє собою тонкі шари сурми та цезію, нанесені на одну з половин внутрішньої поверхні скляного балона. Як було сказано раніше, матеріал фотокатода вибирається залежно від області застосування фотоелемента. Так, сурм’яно-цезієві фотокатоди чутливі до ультрафіолетової та частини видимої області спектра (~ до 600 нм). Металевий анод фотоелемента розташований у центральній частині скляного балона. Електричні контакти вмонтовані у цоколь фотоелемента. Світло від лампи розжарення освітлювача проходить крізь оптичний фільтр з відомою (ефективною) довжиною хвилі і падає на фотокатод. Фотострум, що виникає в колі фотоелемента, контролюється по шкалі гальванометра G. Різниця потенціалів між катодом і анодом фотоелемента відповідає зворотному включенню, регулюється потенціометром R і вимірюється вольтметром V.