Литература

[1, глава 35, § 35.1 – 35.3; 2, глава 1, § 1 – 7; 3, глава 26, § 197 – 201].

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №:6.2

ИЗУЧЕНИЕ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА

Цель и содержание работы: провести экспериментальные исследования основных закономерностей внешнего фотоэлектрического эффекта, исследовать зависимость фототока от приложенного напряжения и энергии выбитых электронов, от частоты света. По полученным данным вычислить постоянную Планка.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

Под действием света с поверхности некоторых металлов вылетают электроны. Это явление называют внешним фотоэлектрическим эффектом. Сущность фотоэффекта и его законы можно объяснить только на основе квантовых представлений о свете.

Световое излучение (согласно теории Планка) происходит не непрерывно, а отдельными порциями – квантами, энергия которых (ε) пропорциональна частоте колебаний излучения падающего на металл света (ν) и равна ε = h ν, (где h – постоянная Планка).

Энергия такого кванта, упавшего на поверхность вещества, в результате столкновения с электронами поглощается, что может привести к выходу электронов из металла. Минимальная часть энергии, необходимой для выхода электрона, называется работой выхода (А_вых) из металла, остальная энергия идет на сообщение выбитому электрону максимальной кинетической энергии .

Сумма этих энергий:

(1)

представляет собой закон сохранения энергии при фотоэлектрических процессах и называется основным уравнением фотоэффекта Эйнштейна.

Из уравнения (1) вытекают законы внешнего фотоэффекта:

1) сила фототока насыщения пропорциональна падающему световому потоку,

2) максимальная скорость фотоэлектронов определяется длиной волны падающего на металл света, и не зависит от его интенсивности,

3) для каждого вещества существует длина волны, начиная с которой фотоэффект не наблюдается (красная граница фотоэффекта).

Для экспериментального исследования явления фотоэффекта, используют установку схема, которой приведена на рис 1. Поток монохроматического света, выделенный с помощью светофильтра, направляется на пластинку К (катод), помещенную в сосуде С, из которого удален воздух. В сосуде С, вблизи катода, имеется еще один электрод – анод (А). Между катодом и анодом с помощью источника постоянного тока создается электрическое поле, величина которого контролируется вольтметром V.

Р исунок 1 – Схема экспериментальной установки.

В озникающий в цепи фотоэлектрический ток измеряется микроамперметром μA. Напряжение между анодом и катодом регулируется потенциометром П. Световые лучи попадают в сосуд через окошко О и освещают фотокатод К. Выбитые из катода электроны, перемещаются к аноду А. Графики зависимости фототока I_А от приложенного напряжения U для двух значений светового потока, приведены на рис. 2.Эта вольтамперная характеристика (ВАХ) имеет участок насыщения I_н, когда все электроны, вылетевшие из катода, достигают анода. Другой особенностью ВАХ является наличие тока при нулевой разности потенциалов между анодом и катодом.

Рисунок 2 – Зависимость фототока от приложенного напряжения.

Рисунок 3 – Зависимость энергии от частоты света.

Для прекращения фототока в цепи необходимо подать на электроды обратное напряжение – задерживающий потенциал U_з. Его значение определяется кинетической энергией выбитых из катода электронов

, (2)

где m и e – масса и заряд электрона; v - скорость электрона.

Из уравнений (1) и (2) получим

. (3)

Из уравнения (3) следует, что величина задерживающего потенциала линейно зависит от частоты света ν (рис.3), поэтому постоянную Планка можно определить по углу наклона этой зависимости:

. (4)

Рисунок 4 – Блок осветителя. 1 – осветитель, 2 – переключатель светофильтров, 3 – блок фотоэлементов, 4 – блок питания, 5 – установка нуля «точно», 6 – установка нуля «грубо».

АППАРАТУРА И МАТЕРИАЛЫ

Экспериментальная установка (рис. 4) состоит из двух основных блоков. Блок излучателя, который содержит: источник света (1), набор интерференционных светофильтров (2), фотоэлемент (3), усилитель фототока и источник питания (4) на боковой панели последнего находятся ручки установки нуля (5 – ″грубо″, 6 – ″точно″). Второй блок (рис. 5), предназначен для управления установкой и индикации полученных измерений. На передней панели последнего размещены кнопка “прям-обр“ для выбора режима измерения прямой и обратной ветви ВАХ фотоэлемента, цифровой индикатор значений напряжения (В) и фототока (мкА) фотоэлемента. Интервал регулирования напряжений от 0 до 10 В в прямом режиме и от 0 до 1 В – обратном осуществляется кнопками ″+″, ″″, ″сброс″. Блоки соединены между собой кабелем. На задней панели измерительного блока расположен выключатель. Устройство измерительное с помощью сетевого шнура подключается к сети.

УКАЗАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ

Без разрешения преподавателя установку в сеть включать запрещается.

Перед началом работы с установкой необходимо убедиться, что установка заземлена.

Через каждые 45 минут работы необходимо делать 15 минутный перерыв в работе установки.

Рисунок 5 – Блок управления и индикации.

МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Подключите сетевые шнуры блоков к сети и включите блок измерительного устройства выключателем ″сеть″ на его задней панели. При этом должны загореться индикаторы ″обратная″, ″В″ и ″мкА″. На индикаторе ″В″ должны установиться нули (0000).

2. Включить блок излучателя выключателем ″сеть″ на его передней панели. Дать лампе осветителя прогреться в течение 10 мин. После прогрева прибора нажать кнопку ″ сброс″.

3. Кнопкой ″прямая – обратная″ установить режим измерения прямой ветви вольтамперной характеристики (нажать кнопку ″прямая″).

4. Установить на пути светового потока светофильтр номер 5. При этом световой поток, падающий фотоэлемент, будет перекрыт.

5. Ручками ″установка нуля″ (5,6) установить нулевое значение тока на индикаторе ″мкА″ измерительного блока.

6. Установить на пути светового потока светофильтр номер 1.

7. Изменяя значения напряжения на фотоэлементе с помощью кнопок ″+″ и ″″ через 1 В и, считывая показания фототока I_a с индикатора ″мкА″, получите данные для построения прямой ветви вольтамперной характеристики этого светофильтра.

8. Проверить отсутствие темнового тока (смотри п. 5).

10. Кнопкой ″прямая – обратная″ установить режим измерения обратной ветви вольтамперной характеристики (нажать кнопку ″обратная″ )

11. Изменяя значения напряжения на фотоэлементе с помощью кнопок ″+″ и ″″ через 1 В и, считывая показания фототока I_a с индикатора ″мкА″, получите данные для построения обратной ветви вольтамперной характеристики этого светофильтра.

12. Устанавливая на пути светового потока поочередно светофильтры номер 2, 3 или 4 (по указанию преподавателя), повторить пп. 5.-11.

13. По полученным данным построить вольтамперные характеристики и по ним найти для разных светофильтров задерживающие потенциалы .

14. Найти число фотоэлектронов, выбитых из катода в единицу времени:

, (5)

где е = 1,6·10^-19 Кл.

15. Для найденных задерживающих потенциалов U_з, соответствующих двум длинам волн (l₁ и λ₂), (по указанию преподавателя) определить постоянную Планка по формуле:

(6)

16. Полученные данные занести в таблицу.

17. Оценить погрешность измерений.

18. После окончания измерений выключателем Сеть установку необходимо выключить.

Длины волн пропускания интерференционных светофильтров установки: 1  407 нм; 2  435 нм; 3  546 нм; 4  578 нм.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА И ЕГО ФОРМА

Основу содержания отчета составляют данные по измерениям и их элементарным преобразованиям, которые сводятся в таблицу. Форма отчета представлена в приложении 1 (стр. 30).

ВОПРОСЫ ДЛЯ ЗАЩИТЫ РАБОТЫ

1. В чем состоит явление внешнего фотоэффекта?

2. .Запишите и объясните формулу Эйнштейна по фотоэффекту. Объясните смысл входящих в нее величин.

3.Сформулируйте законы фотоэффекта. Объясните, применяя уравнение Эйнштейна второй и третий законы фотоэффекта.

4. Почему законы фотоэффекта противоречат представлениям о волновой природе света?

5 . Как изменяется число фотоэлектронов с увеличением интенсивности излучения?

6. Чем обусловлен темновой ток?

7. Что такое ″красная граница фотоэффекта″. Почему ее существование? подтверждает корпускулярную теорию фотоэффекта и не подтверждает волновую?

8. От каких параметров зависит задерживающее напряжение?

9. Что такое работа выхода электрона из металла, отчего она зависит?