Федеральное агентство по образованию

Муромский институт (филиал)

Государственного образовательного учреждения высшего

профессионального образования

Владимирский государственный университет

Кафедра: Физика

Дисциплина: Физика

Лабораторная работа №3.09

Утверждено:

На методическом семинаре

кафедры физики

Зав.кафедрой ___________

Муром 2005 г.

Техника безопасности

1. Сборку и разборку схемы производить только при отключенном источнике питания.

2. Не включать собранную схему ,пока не изучите инструкцию по данном работе и не получите на это разрешение лаборанта или преподавателя.

3. Схема должна находиться под напряжением только во время регулировки и снятия показаний с приборов. КАТЕГОРИЧЕСКИ ЗАПРЕ­ЩАЕТСЯ оставлять схему под напряжением без присмотра.

4. Строго соблюдать порядок выполнения работы, описаний и инструкций.

5. На рабочем месте не должно быть посторонних предметов. Твердо знать, где расположен общий выключатель и порядок пользования им.

6. Не допускать зашкаливания приборов.

7. После окончания работы отключить источник питания, а затем разобрать схему и привести в порядок рабочее место.

Изучение внешнего фотоэффекта и определение постоянной Планка

Приборы и принадлежности:

1. Источники постоянного тока на 30В и на 3В;

2. Вольтметр постоянного тока до 30В;

3. Микроамперметр постоянного тока;

4. Фотоэлемент вакуумный;

5. Установка для определения задерживающего потенциала;

6. Соединительные провода.

Теоретическое введение

Фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называется испускание электронов веществом под действием под действием света. Это явление было открыто в 1887г. Г. Герцем, который обнаружил, что проскакивание искры между цинковыми шариками разрядника облегчается если один из шариков осветить ультрафиолетовыми лучами. Систематическое исследование фотоэффекта было выполнено в 1888-1889 гг. профессором Московского университета А.Г. Столетовым, который установил:

1. под действием света теряют заряд только отрицательно заряженные тела положительно заряженные тела не теряют заряд под действием света;

2. потеря заряда отрицательно заряженным телом особенно заметна под действием ультрафиолетовых лучей;

3. величина заряда, потерянного телом, пропорциональна интенсивности падающего света.

В 1889г. Леонардом и Томсоном было доказано на опыте, что под действием света тела испускают электроны.

В опытах Столетова электроны вылетают из тел наружу. Это явление впоследствии получило название внешнего фотоэффекта. Он характерен для металлов.

Рисунок 1

Схема современной установки для исследования фотоэффекта показана на рисунке 1. Свет через кварцевое окошко Кв падает на катод К, сделанный из исследуемого материала. Катод К и анод А помещаются в вакуумной трубке.

Электроны, испускаемые катодом вследствие фотоэффекта, устремляются к аноду, образуя фототок.

Изменяя потенциометром П напряжение между анодом и катодом, можно установить зависимость фототока от напряжения при данной интенсивности света и заданном спектральном составе. Эта зависимость называется вольтамперной характеристикой (рис. 2).

Рисунок 2

Из вольтамперной характеристики видно, что при некотором напряжении фототок достигает насыщения, когда все электроны, выбиваемые светом, уносятся электрическим полем.

А.Г. Столетовым экспериментально было установлено, что ток насыщения при неизменном спектральном составе падающего на катод света пропорционален световому потоку (интенсивности света).

(1)

При U=0 фототок не прекращается. Это значит, что электроны вылетают с фотокатода с некоторыми начальными скоростями. Для прекращения фототока надо приложить некоторое запирающее напряжение U_з, которое называется задерживающим потенциалом. При U=U_з ни одному из электронов, даже с максимальными начальными скоростями не удастся достичь анода. Очевидно, что:

(2)

где m – масса электрона; e – его заряд.

Экспериментальные исследования, выполненные Милликеном, показали, что задерживающий потенциал изменяется с частотой света по закону:

(3)

где а, - некоторые постоянные, а – не зависит от материала катода,  - определяется свойством вещества катода. График дан на рис.3.

Рисунок 3

Учитывая (2) запишем:

(4)

Из уравнения (4) следует, что начальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего на фотокатод света, а зависит от его частоты. Эти закономерности фотоэффекта противоречат представлениям волновой теории света.

Согласно законам теории света, под действием электромагнитной световой волны электроны вещества фотокатода должны совершать вынужденные колебания с амплитудой, пропорциональной амплитуде световой волны. При достаточной интенсивности света связь электрона с атомами вещества может быть нарушена, и электроны будут вылетать наружу со скоростью, величина которой должна зависеть от амплитуды падающего света, т.е. от интенсивности.

В действительности такой зависимости нет. Опыт показывает, что начальные скорости фотоэлектронов зависят только от частоты падающего света.

Из уравнения (4) следует, что фотоэффект возможен, если , поэтому частота падающего света должна удовлетворять условию:

(5)

Наименьшая частота, при которой еще возможен фотоэффект, равная называется красной границей фотоэффекта.

Если ₀, то фотоэффект наблюдается.

Если <₀, то фотоэффект не возможен.

Объяснение закономерности фотоэффекта дано 1905г. А. Эйнштейном. Он предположил, основываясь на квантовой гипотезе Планка, что свет представляет поток частиц-фотонов. Энергия фотона равна h. Падая на поверхность металла, фотон может передавать свою энергию электрону. За счет энергии фотона электрон может совершить работу выхода А и получить некоторую кинетическую энергию:

(6)

Уравнение (6) называется уравнением Эйнштейна для фотоэффекта.

Учитывая (2) имеем:

или (7)

что совпадает с (3). Очевидно (см. рис. 3):

h – постоянная Планка, равная 6,62510³⁴ Дж с.

Из уравнения (6) легко объясняются все закономерности фотоэффекта.

На явлении фотоэффекта основано действие фотоэлементов. В данной работе используется вакуумный фотоэлемент СЦВ рис. 4. Он представляет собой откачанный сферический стеклянный сосуд, на одну из внутренних стенок которого наносится подкладочный слой серебра или магния, а на этот слой наносится тонкий слой сурьмы, а затем слой цезия. Эти слои образуют катод К. В центре баллона помещен металлический шарик, служащий анодом А. Через прозрачное окошечко в стенке баллона катод освещается светом.

Рисунок 4