Фотоэффект

При каком условии с поверхности шарика перестают вылетать электроны? Какой заряд и какой потенциал получает шарик при этом?

Что происходит с зарядом пленки, если из неё непрерывно вылетают электроны? Как заряженная пленка действует на вылетающие электроны?

Поскольку эмиссия электронов означает, что из пленки вылетают отрицательно заряженные частицы, то сама пленка в процессе эмиссии будет заряжаться положительно. Именно для нейтрализации образующегося положительного заряда плёнки необходимо заземление. При отсутствии заземления увеличивающийся положительный заряд пленки будет создавать вблизи неё электрическое поле, которое будет тормозить вылетающие электроны. В связи с этим при дальнейшем непрерывном облучении пленки рентгеновским излучением регистрируемая энергия электронов будет уменьшаться. Уменьшение регистрируемой энергии со временем будет всё сильнее, т.к. будет увеличиваться напряжённость тормозящего электрического поля.

Соберём схему, указанную в официальном решении. Убедимся, что напряжение мультиметра зависит от интенсивности света: при прикрывании фотодиода рукой оно уменьшается — схема собрана верно.

Расположим светодиод на миллиметровой бумаге и закрепим напротив лист тонкой бумаги: такая конструкция близка к точечному источнику, излучающему примерно одинаково во все стороны. Перемещаем фотодиод по окружности радиусом \(20\) см с центром в светодиоде, держа его параллельно стороне миллиметровой бумаги. Для каждого положения записываем координаты фотодиода и показание вольтметра, для каждой пары вычисляем угол падения света из светодиода. Строим график зависимости показаний от угла.

Если измерения довести до больших углов, помимо центрального пика при нулевом угле видны два пика меньшей высоты около \(70^\circ\). Аналогичный эффект даёт линза светодиода: вокруг основного круглого пятна видно дополнительное светлое кольцо.

Пятно при ускоряющем напряжении и при тормозящем различается из-за движения электронов в однородном поле между пластинами. Сравните радиусы пятен и выразите кинетическую энергию фотоэлектронов, затем примените уравнение Эйнштейна.

Пусть расстояние между пластинами \(L\), ускорение электрона в поле \(a=\dfrac{e\xi}{Lm}\). Для ускоряющей разности потенциалов \(D=2v\sqrt{\dfrac{2L}{a}}\). При тормозящей разности потенциалов с учётом \(D=2d\) получаем условие \(2La=\dfrac{3v^2}{4}\), откуда \[\frac{mv^2}{2}=\frac{4e\xi}{3}.\] Из уравнения Эйнштейна \(\dfrac{mv^2}{2}=h\nu-A\) находим \[\nu=\frac{4e\xi}{3h}+\frac{A}{h}\approx 7{,}43\cdot 10^{14}~\text{Гц}\quad(h\approx 4{,}13\cdot10^{-15}~\text{эВ}\cdot\text{с}).\]

Согласно закону Малюса интенсивность поляризованного света, прошедшего через поляризатор, равна \(I = I_0\cos^2\varphi\), где \(I_0\) — интенсивность падающего света. Лазерная указка даёт частично поляризованный луч: первый поляризатор ставят в положение максимальной интенсивности, а второй поворачивают относительно первого на углы \(\varphi\), которые задают транспортиром (направление пропускания отмечают на пластинке маркером). Получают источник с регулируемой интенсивностью. Измеряют напряжение \(U\) и строят зависимость \(U/U_{max}\) от \(\cos^2\varphi\).

Характер степенной зависимости устанавливают логарифмированием напряжения и интенсивности и построением графика в логарифмических координатах. Фоточувствительность \(S = U/I\) нормируют и строят её зависимость от освещённости.

Вентильный фотоэффект — возникновение фото-э.д.с. при освещении контакта двух полупроводников с разной проводимостью (или полупроводника и металла) без внешнего источника напряжения. При контакте \(p\)- и \(n\)-полупроводников возникает контактная разность потенциалов, препятствующая переходу основных носителей через контакт. При освещении \(p\)–\(n\)-перехода в полупроводниках образуются электронно-дырочные пары; поле перехода разделяет заряды: неосновные носители проходят через переход, основные задерживаются, и на переходе накапливается добавочная разность потенциалов — фото-э.д.с. При подключении сопротивления в цепи возникает фототок.

Нелинейность связана с рекомбинацией: одновременно с генерацией носителей идёт их рекомбинация, скорость которой пропорциональна числу дырок и свободных электронов и растёт с ростом числа выбитых светом электронов, что и даёт нелинейность зависимости.