Тема 2. Внешний фотоэффект
Цель работы: определить постоянную Планка; оценить работу выхода фотоэлектрона.
Приборы и принадлежности: лабораторная установка для определения внешнего фотоэффекта ФКТ-10, карандаш, линейка, калькулятор, миллиметровая бумага.
Таблица заданий
Задание 1
407 нм |
I, мА |
0 |
0,03 |
0,17 |
0,43 |
0,72 |
0,97 |
1,17 |
1,46 |
1,8 |
2,03 |
2,03 |
|
|
U, В |
-0,62 |
-0,47 |
-0,25 |
0 |
0,25 |
0,44 |
0,6 |
0,8 |
1,06 |
1,26 |
1,26 |
|
|
|
435 нм |
I, мА |
0 |
0,02 |
0,10 |
0,26 |
0,34 |
0,45 |
0,6 |
0,8 |
1,0 |
1,22 |
1,24 |
1,25 |
1,25 |
U, В |
-0,59 |
-0,5 |
-0,25 |
0 |
0,24 |
0,52 |
0,73 |
1,01 |
1,26 |
1,5 |
1,6 |
1,62 |
1,63 |
|
546 нм |
I, мА |
0 |
0,01 |
0,05 |
0,10 |
0,21 |
0,41 |
0,82 |
1,08 |
1,08 |
|
|
|
|
U, В |
-0,27 |
-0,25 |
-0,20 |
-0,11 |
0 |
0,24 |
0,44 |
0,60 |
0,80 |
|
|
|
|
|
578 нм
|
I, мА |
0 |
0,01 |
0,02 |
0,03 |
0,13 |
0,35 |
0,52 |
0,66 |
0,88 |
0,96 |
1,10 |
|
|
U, В |
-0,07 |
-0,06 |
-0,03 |
-0,01 |
0 |
0,24 |
0,40 |
0,60 |
0,85 |
1,06 |
1,26 |
|
|
Задание 2
380 нм |
I, мА |
0 |
0,03 |
0,2 |
0,5 |
0,8 |
0,96 |
1,2 |
1,4 |
1,6 |
1,68 |
1,68 |
|
|
U, В |
-0,8 |
0,52 |
0,28 |
0 |
0,32 |
0,48 |
0,66 |
0,80 |
1,02 |
1,2 |
1,2 |
|
|
|
435 нм |
I, мА |
0 |
0,01 |
0,04 |
0,12 |
0,38 |
0,60 |
1,0 |
1,2 |
1,4 |
1,56 |
1,58 |
1,58 |
|
U, В |
-0,71 |
-0,22 |
-0,17 |
-0,08 |
0 |
0,22 |
0,46 |
0,60 |
0,80 |
1,0 |
1,2 |
1,4 |
|
|
546 нм |
I, мА |
0 |
0,10 |
0,16 |
0,20 |
0,3 |
0,45 |
0,60 |
0,80 |
1,08 |
1,26 |
1,33 |
1,34 |
1,34 |
U, В |
-0,38 |
-0,33 |
-0,26 |
-0,1 |
0 |
0,2 |
0,46 |
0,84 |
1,22 |
1,5 |
1,6 |
1,66 |
1,66 |
|
578 нм
|
I, мА |
0 |
0,01 |
0,02 |
0,03 |
0,1 |
0,26 |
0,48 |
0,55 |
0,72 |
0,83 |
0,96 |
|
|
U, В |
-0,30 |
-0,20 |
-0,1 |
-0,02 |
0 |
0,16 |
0,35 |
0,50 |
0,80 |
1,02 |
1,11 |
|
|
Задание 3
405 нм |
I, мА |
0 |
0,05 |
0,11 |
0,16 |
0,18 |
0,8 |
0,85 |
0,9 |
0,9 |
|
|
|
|
U, В |
-0,9 |
-0,6 |
-0,4 |
-0,22 |
-0,05 |
0 |
0,2 |
0,5 |
1,0 |
|
|
|
|
|
430 нм |
I, мА |
0 |
0,1 |
0,2 |
0,3 |
0,45 |
0,6 |
0,65 |
0,7 |
0,8 |
0,88 |
0,9 |
|
|
U, В |
-0,65 |
-0,4 |
-0,3 |
-0,24 |
-0,1 |
0 |
0,2 |
0,4 |
0,7 |
1,1 |
1,52 |
|
|
|
541 нм |
I, мА |
0 |
0,1 |
0,2 |
0,3 |
0,4 |
0,42 |
0,25 |
0,5 |
1,0 |
1,5 |
|
|
|
U, В |
-0,45 |
-0,3 |
-0,22 |
-0,15 |
-0,5 |
0 |
0,5 |
0,51 |
0,52 |
0,52 |
|
|
|
|
570 нм
|
I, мА |
0 |
0,1 |
0,2 |
0,24 |
0,3 |
0,32 |
0,36 |
0,38 |
0,4 |
|
|
|
|
U, В |
-0,25 |
-0,1 |
-0,03 |
0 |
0,2 |
0,5 |
0,75 |
0,8 |
1,1 |
|
|
|
|
Задание 4
400 нм |
I, мА |
0 |
0,2 |
0,4 |
0,6 |
0,8 |
1,2 |
1,4 |
1,6 |
1,68 |
1,72 |
1,74 |
|
|
U, В |
-1,0 |
-0,7 |
-0,5 |
-0,4 |
-02 |
0 |
0,4 |
0,7 |
1,2 |
1,4 |
1,6 |
|
|
|
425 нм |
I, мА |
0 |
0,10 |
0,16 |
0,20 |
0,8 |
0,85 |
0,9 |
0,95 |
1,08 |
1,26 |
1,33 |
1,34 |
1,34 |
U, В |
-0,7 |
-0,5 |
-0,3 |
-0,1 |
0 |
0,2 |
0,46 |
0,84 |
1,22 |
1,5 |
1,6 |
1,66 |
1,66 |
|
535 нм |
I, мА |
0 |
0,1 |
0,2 |
0,3 |
0,4 |
0,5 |
0,6 |
0,7 |
0,8 |
0,85 |
0,9 |
|
|
U, В |
-0,6 |
-0,4 |
-0,35 |
-0,28 |
-0,1 |
0 |
0,2 |
0,7 |
1,4 |
1,6 |
1,8 |
|
|
|
545 нм
|
I, мА |
0 |
0,1 |
0,2 |
0,3 |
0,35 |
0,38 |
0,40 |
0,44 |
0,45 |
|
|
|
|
U, В |
-0,2 |
-0,1 |
-0,05 |
0 |
0,25 |
0,6 |
0,8 |
1,2 |
1,5 |
|
|
|
|
Задание 5
380 нм |
I, мА |
0 |
0,3 |
0,6 |
1,3 |
1,8 |
2,2 |
2,5 |
3,3 |
3,6 |
3,7 |
3,8 |
3,85 |
|
U, В |
-1,1 |
-0,7 |
-0,5 |
-0,3 |
-0,15 |
0 |
0,2 |
0,5 |
1,0 |
1,2 |
1,5 |
1,6 |
|
|
400 нм |
I, мА |
0 |
0,2 |
0,6 |
1,0 |
1,5 |
2,2 |
2,7 |
2,8 |
2,84 |
|
|
|
|
U, В |
-1,0 |
-0,6 |
-0,3 |
-0,2 |
-0,1 |
0,2 |
0,6 |
0,8 |
1,3 |
|
|
|
|
|
450 нм |
I, мА |
0 |
0,1 |
0,4 |
0,8 |
1,08 |
1,3 |
1,7 |
2,0 |
2,1 |
2,12 |
2,14 |
|
|
U, В |
-0,85 |
-0,6 |
-0,3 |
-0,1 |
0 |
0,1 |
0,3 |
0,7 |
1,2 |
1,5 |
1,7 |
|
|
|
500 нм
|
I, мА |
0 |
0,1 |
0,3 |
0,5 |
0,76 |
0,9 |
1,1 |
1,3 |
1,4 |
1,5 |
1,52 |
|
|
U, В |
-0,7 |
-0,5 |
-0,25 |
-0,12 |
0 |
0,1 |
0,3 |
0,6 |
0,9 |
1,4 |
1,7 |
|
|
Задание 6
390 нм |
I, мА |
0 |
0,1 |
0,4 |
0,8 |
1,08 |
1,3 |
1,7 |
2,0 |
2,1 |
2,12 |
2,14 |
|
|
U, В |
-0,9 |
-0,6 |
-0,3 |
-0,1 |
0 |
0,1 |
0,3 |
0,7 |
1,2 |
1,5 |
1,7 |
|
|
|
410 нм |
I, мА |
0 |
0,1 |
0,3 |
0,5 |
0,76 |
0,9 |
1,1 |
1,3 |
1,4 |
1,5 |
1,52 |
|
|
U, В |
-0,8 |
-0,5 |
-0,25 |
-0,12 |
0 |
0,1 |
0,3 |
0,6 |
0,9 |
1,4 |
1,7 |
|
|
|
480 нм |
I, мА |
0 |
0,1 |
0,2 |
0,3 |
0,4 |
0,5 |
0,6 |
0,7 |
0,8 |
0,85 |
0,9 |
|
|
U, В |
-0,6 |
-0,4 |
-0,35 |
-0,28 |
-0,1 |
0 |
0,2 |
0,7 |
1,4 |
1,6 |
1,8 |
|
|
|
505 нм
|
I, мА |
0 |
0,1 |
0,2 |
0,24 |
0,3 |
0,32 |
0,36 |
0,38 |
0,4 |
|
|
|
|
U, В |
-0,3 |
-0,1 |
-0,03 |
0 |
0,2 |
0,5 |
0,75 |
0,8 |
1,1 |
|
|
|
|
Задание 7
400 нм |
I, мА |
0 |
0,3 |
0,6 |
1,3 |
1,8 |
2,2 |
2,5 |
3,3 |
3,6 |
3,7 |
3,8 |
3,85 |
0 |
U, В |
-1,1 |
-0,7 |
-0,5 |
-0,3 |
-0,15 |
0 |
0,2 |
0,5 |
1,0 |
1,2 |
1,5 |
1,6 |
-1,1 |
|
425 нм |
I, мА |
0 |
0,1 |
0,2 |
0,3 |
0,45 |
0,6 |
0,65 |
0,7 |
0,8 |
0,88 |
0,9 |
|
|
U, В |
-0,65 |
-0,4 |
-0,3 |
-0,24 |
-0,1 |
0 |
0,2 |
0,4 |
0,7 |
1,1 |
1,52 |
|
|
|
535 нм |
I, мА |
0 |
0,1 |
0,2 |
0,3 |
0,4 |
0,5 |
0,6 |
0,7 |
0,8 |
0,85 |
0,9 |
|
|
U, В |
-0,6 |
-0,4 |
-0,35 |
-0,28 |
-0,1 |
0 |
0,2 |
0,7 |
1,4 |
1,6 |
1,8 |
|
|
|
545 нм
|
I, мА |
0 |
0,1 |
0,2 |
0,24 |
0,3 |
0,32 |
0,36 |
0,38 |
0,4 |
|
|
|
|
U, В |
-0,3 |
-0,1 |
-0,03 |
0 |
0,2 |
0,5 |
0,75 |
0,8 |
1,1 |
|
|
|
|
Задание 8
407 нм |
I, мА |
0 |
0,1 |
0,4 |
0,8 |
1,08 |
1,3 |
1,7 |
2,0 |
2,1 |
2,12 |
2,14 |
|
|
U, В |
-0,9 |
-0,6 |
-0,3 |
-0,1 |
0 |
0,1 |
0,3 |
0,7 |
1,2 |
1,5 |
1,7 |
|
|
|
435 нм |
I, мА |
0 |
0,1 |
0,3 |
0,5 |
0,76 |
0,9 |
1,1 |
1,3 |
1,4 |
1,5 |
1,52 |
|
|
U, В |
-0,8 |
-0,5 |
-0,25 |
-0,12 |
0 |
0,1 |
0,3 |
0,6 |
0,9 |
1,4 |
1,7 |
|
|
|
546 нм |
I, мА |
0 |
0,1 |
0,2 |
0,3 |
0,4 |
0,5 |
0,6 |
0,7 |
0,8 |
0,85 |
0,9 |
|
|
U, В |
-0,6 |
-0,4 |
-0,35 |
-0,28 |
-0,1 |
0 |
0,2 |
0,7 |
1,4 |
1,6 |
1,8 |
|
|
|
578 нм
|
I, мА |
0 |
0,1 |
0,2 |
0,24 |
0,3 |
0,32 |
0,36 |
0,38 |
0,4 |
|
|
|
|
U, В |
-0,3 |
-0,1 |
-0,03 |
0 |
0,2 |
0,5 |
0,75 |
0,8 |
1,1 |
|
|
|
|
Задание 9
390 нм |
I, мА |
0 |
0,03 |
0,2 |
0,5 |
0,8 |
0,96 |
1,2 |
1,4 |
1,6 |
1,68 |
1,68 |
|
|
U, В |
-0,8 |
0,5 |
0,25 |
0 |
0,31 |
0,48 |
0,65 |
0,80 |
1,02 |
1,2 |
1,2 |
|
|
|
410 нм |
I, мА |
0 |
0,01 |
0,04 |
0,12 |
0,38 |
0,60 |
1,0 |
1,2 |
1,4 |
1,56 |
1,58 |
1,58 |
|
U, В |
-0,7 |
-0,2 |
-0,14 |
-0,08 |
0 |
0,22 |
0,45 |
0,60 |
0,80 |
1,0 |
1,2 |
1,4 |
|
|
480 нм |
I, мА |
0 |
0,10 |
0,16 |
0,20 |
0,3 |
0,45 |
0,60 |
0,80 |
1,08 |
1,25 |
1,33 |
1,34 |
1,34 |
U, В |
-0,4 |
-0,3 |
-0,25 |
-0,1 |
0 |
0,2 |
0,46 |
0,85 |
1,22 |
1,5 |
1,6 |
1,66 |
1,66 |
|
505 нм
|
I, мА |
0 |
0,01 |
0,02 |
0,03 |
0,1 |
0,26 |
0,48 |
0,55 |
0,72 |
0,83 |
0,96 |
|
|
U, В |
-0,30 |
-0,20 |
-0,1 |
-0,02 |
0 |
0,16 |
0,35 |
0,50 |
0,80 |
1,02 |
1,11 |
|
|
Задание 10
400 нм |
I, мА |
0 |
0,2 |
0,4 |
0,6 |
0,8 |
1,2 |
1,4 |
1,6 |
1,68 |
1,72 |
1,74 |
|
|
U, В |
-1,0 |
-0,7 |
-0,5 |
-0,4 |
-02 |
0 |
0,4 |
0,7 |
1,2 |
1,4 |
1,6 |
|
|
|
435 нм |
I, мА |
0 |
0,01 |
0,04 |
0,12 |
0,38 |
0,60 |
1,0 |
1,2 |
1,4 |
1,56 |
1,58 |
1,58 |
|
U, В |
-0,71 |
-0,22 |
-0,17 |
-0,08 |
0 |
0,22 |
0,46 |
0,60 |
0,80 |
1,0 |
1,2 |
1,4 |
|
|
546 нм |
I, мА |
0 |
0,10 |
0,16 |
0,20 |
0,3 |
0,45 |
0,60 |
0,80 |
1,08 |
1,26 |
1,33 |
1,34 |
1,34 |
U, В |
-0,38 |
-0,33 |
-0,26 |
-0,1 |
0 |
0,2 |
0,46 |
0,84 |
1,22 |
1,5 |
1,6 |
1,66 |
1,66 |
|
578 нм
|
I, мА |
0 |
0,1 |
0,2 |
0,3 |
0,35 |
0,38 |
0,40 |
0,44 |
0,45 |
|
|
|
|
U, В |
-0,2 |
-0,1 |
-0,05 |
0 |
0,25 |
0,6 |
0,8 |
1,2 |
1,5 |
|
|
|
|
Теоретическая часть выполняется обучающимся самостоятельно [5, с. 30].
Экспериментальная часть
1. Описание экспериментальной установки
Общий вид экспериментальной установки показан на рис. 1.
Рис. 1. Общий вид экспериментальной установки ФПК 10
Установка состоит из объекта исследования (1) и устройства измерительного (2), располагаемых на лабораторном столе и соединяемых между собой кабелем.
Объект исследования конструктивно выполнен в виде сборного корпуса, в котором установлены осветитель (3) (спектральная ртутная лампа) с источником питания, блок (4) светофильтров 1, 2,3,4 и устройство регулировки освещенности. Положение «0» блока светофильтров соответствует прохождению света без светофильтров и может применяться для снятия интегральных вольтамперных характеристик, а положение «5» перекрывает лампу и используется для установки ноля. К корпусу с помощью кронштейна прикреплен усилитель фототока, на верхнюю крышку которого устанавливаются сменные фотоприемники (5) с фотоэлементами Ф-8 и Ф-25. При установке фотоприемников их приемное окно (6) совмещается с выходным окном осветителя и закрывается при помощи бленды.
На передней панели объекта исследования находится сетевой выключатель с индикатором включения сети. На задней панели объекта исследования расположены клемма заземления, держатели предохранителей и сетевой шнур с вилкой. На боковой стенке расположено выходное окно осветителя и устройства для смены светофильтров и регулировки освещенности. На боковых поверхностях усилителя фототока расположены соединительный шнур с разъемом для подключения объекта исследования к устройству измерительному и регуляторы баланса усилителя «ГРУБО» и «ТОЧНО».
Устройство измерительное (2) выполнено в виде конструктивно законченного изделия. В нем применена однокристальная микро - ЭВМ с соответствующими дополнительными устройствами, позволяющими производить измерение тока фотоэлемента устанавливать и измерять питающие напряжения на фотоэлементе, а также осуществлять функции управления установкой (установка режимов прямого или обратного измерения и т.п.). В состав устройства измерительного входят также источники его питания.
На передней панели устройства измерительного размещены следующие органы управления и индикации:
- кнопка «ПРЯМАЯ – ОБРАТНАЯ» с соответствующими индикаторами – предназначена для включения прямого или обратного режимов измерения;
- кнопки «+», «–» и «СБРОС» – предназначены для регулировки напряжения на фотоэлементе и его сброса в ноль;
- индикаторы «В» и «мкА» – предназначены для индикации значений величин напряжения на фотоэлементе и фототока в процессе работы.
На задней панели устройства измерительного расположены выключатель «СЕТЬ», клемма заземления, держатели предохранителей (закрыты предохранительной скобой), сетевой шнур с вилкой и разъем для подключения объекта исследования.
2. Порядок выполнения расчетно-графической работы
Принцип действия установки основан на измерении тока через фотоэлемент при изменении полярности и величины приложенного к нему напряжения и изменения спектрального состава и величины освещенности катода фотоэлемента.
1. Используя данные задания, заполняем табл. 1 для четырех длин волн.
Таблица 1
λ |
В прямом направлении |
|||||||||
U, В |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
I, мА |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
В обратном направлении |
|
|||||||||
U, В |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
I, мА |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
2. Построить на миллиметровой бумаге семейство прямых и обратных ветвей вольтамперных характеристик фотоэлемента для четырех светофильтров (четыре зависимости на одном графике).
3. Для каждой вольтамперной характеристики найти напряжение Uз, соответствующее полной задержке электронов (рис. 2).
Рис. 2. Зависимость фототока от напряжения (для двух светофильтров).
4. Все измерения и вычисления свести в табл.2 (например, задание №2). В таблице также укажите длины волн, которые пропускает каждый светофильтр.
Таблица 2
№ п/п |
λ, нм |
ω, рад/с |
Uз, В |
ħ, Дж∙с |
1. 2. 3. 4. |
380 435 546 578 |
|
|
|
5. Зная длины волн для каждого светофильтра, необходимо вычислить частоту (ω = 2πс/λ), которую пропускает светофильтр. Это и будет частота света, который, попадая на фотоэлемент, вызывает фотоэффект. Данные занести в табл. 2.
6. Построить график зависимости Uз = f(ω) (рис. 3).
7. Из графика найти
значение постоянной Планка (
;
;
е =
1,6∙10-19
Кл), оценить
ошибку определения постоянной Планка.
Рис. 3. Зависимость запирающего напряжения от частоты падающего света
8. Оценить работу
выхода фотоэлектрона
,
если известно, что
,
где e
– заряд электрона; Uз
– задерживающая разность потенциалов.
8. Сделать вывод по проделанной работе.