Завдання 2. Визначення роботи виходу електронів із металу і сталої Планка.

Електрони, що вилітають з катода фотоелемента під дією світла, досягаючи анода, створюють у замкнутому колі струм. Швидкість руху електронів різна і лежить в межах від 0 до υ_max. Якщо між анодом і катодом створити електричне поле, яке гальмує рух електронів, то можна зменшити величину фотоструму до І_ф=0. Напруга, яка створює в фотоелементі гальмуюче електричне поле одержала назву ЗАТРИМУЮЧОГО ПОТЕНЦІАЛУ. Надалі її будемо позначати як V₃. Величину V₃, при якій електрони з максимальною швидкістю вже не можуть досягти анода (І_ф=0) називається потенціалом ЗАПИРАННЯ – V_зап. Величина V_зап задовольняє умові:

(6)

Враховуючи (3) і (6) отримаємо рівняння, в яке входить V_зап:

h = + eV_зап (7)

звідки

V_зап = (8)

Залежність V_зап від частоти світла ν має лінійний характер. Графік залежності V_зап(ν) показано на рис. 3.

Рівняння (8) дозволяє одержати співвідношення для визначення роботи виходу електронів із металу φ і сталу Планка h

(9)

(10)

де і — потенціали запирання для частот

і .

Визначення з досліду V_зап для певної частоти світла має певні труднощі, які пов’язані з тим, що V_зап відповідає значенню І_ф=0. На рис. 4 показано графік залежності І_ф= ƒ(V_зап), з якого видно, що при наближенні І_ф до нуля, виникає суттєва невизначеність в значенні V_зап. Цю особливість в визначенні V_зап треба мати на увазі.

На практиці замість частоти ν часто вказується довжина хвилі світла λ, яка використовується в досліді. Тому приводимо формулу для визначення сталої Планка, де замість частоти ν використовується довжина хвилі λ:

(11)

Виконання завдання. З ф ібрати електричне коло для проведення досліду згідно рис. 5

Рис. 5. Електричне коло для вимірювань затримуючого потенціалу фотоелемента:

В₁– вимикач, V₁ – цифровий вольтметр В7-22А, V₂ – цифровий вольтметр М-832, Ф  – фотоелемент.

Частина схеми, що обведена на рис. 5 пунктирною лінією, вмонтована в універсальне джерело живлення ВУП –2, а напруга від батарейки через дільник R подається на клеми з познакою 1,5 В. Вимикач В₁ і регулятор дільника R поєднані однією ручкою. Крайнє ліве положення ручки – батарейка відключена від кола. Якщо повернути ручку вправо (при включенні чути клацання вимикача), на клемах (1,5 В) виникає напруга, яка може змінюватися в межах 0–1,5 В.

Перший дослід полягає в перевірці роботи електричного кола. Для цього включаємо джерело світла, на монохроматорі встановлюємо довжину хвилі 500 нм, вимикач В₁ розімкнений. В колі виникає фотострум І₀, який створить на внутрішньому опорі вольтметра V₂ спад напруги в декілька мВ. Покази вольтметра V₂ свідчать про справну дію електричного кола.

Друга частина досліду полягає в дослідженні зміни фотоструму при збільшенні затримуючої напруги. Для цього треба включити вимикач В₁ (ручка повертається вправо) і за допомогою регулятора дільника змінювати затримуючи напругу (покази вольтметра V₁). В досліді треба визначити величину затримуючої напруги, при якій фотострум зникає (І₀=0). В цьому випадку покази вольтметра визначають затримуючий потенціал при заданій довжині хвилі світла, яким опромінюється фотоелемент. Про відсутність фотоструму в колі свідчать покази вольтметра V₂, на табло якого буде спостерігатися зміна знаків перед цифрою 0. Поскільки зміна фотоструму відбувається плавно (рис.4), то зафіксувати впевнено момент, коли І₀=0 важко. Тому визначення затримуючого потенціалу можливе лише при наборі деякої статистики (3–4 виміра і усереднення їх значень).

Затримуючий потенціал фотоелемента визначається для декількох довжин хвиль (від 350 – до 600 нм через 50 нм). Отримані значення вимірів заносяться в таблицю 2. За данними V₁(ν) будується графік (рис. 3). Отриманий графік дозволяє визначити величину роботи вихода φ і сталу Планка h (формули 9, 10).

Оцініть абсолютну і відносну похибку визначених з досліду величин φ і h.

Табл.2

λ(нм)	λ1		λ2	λ3		λk
	V1
V(В)	V2
	V3
1/λ(м-1)