Вопросы

Вариант №19

15. Что такое задерживающее напряжение? Как зависит это напряжение от частоты?

Задерживающее напряжение - минимальное обратное напряжение между анодом и катодом, при котором фототок равен нулю.

Задерживающее напряжение прямо пропорционаьно частоте:

7. Объясните вольт-амперную характеристику, которая получается в результате фотоэффекта.

На рис.(а) представлена типичная зависимость силы протекающего через колбу тока от разности потенциалов U между анодом А и катодом К при неизменном потоке света (вольт-амперная характеристика (ВАХ)). При положительной разности потенциалов U (ускоряющее поле) выбитые с поверхности отрицательно заряженного электрода К электроны попадают на положительно заряженный электрод А, ток через фотоэлемент увеличивается при повышении разности потенциалов и, наконец, наступает насыщение, т.е. все фотоэлектроны достигают электрода А (горизонтальный участок вольтамперной характеристики). Задерживающее напряжение (U_з) - минимальное обратное напряжение между анодом и катодом, при котором фототок равен нулю.

На рис.(б) приведена система ВАХ, измеренных при разной интенсивности (световом потоке Ф), но на одной и той же частоте (υ = const) света. Ток насыщения выше, если интенсивность света больше (закон Столетова). Однако U₃ при постоянной частоте остается также постоянной независимо от интенсивности света.

Наоборот, если интенсивность падающего света одинакова (Ф = const), но частота разная, задерживающее напряжение U₃ независимо от интенсивности тем больше, чем больше частота (рис. в).

Протокол измерений

Синий светофильтр

U, В	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
I(E2), мкА	0,43	0,88	1,29	1,79	2,30	2,48	2,68	2,86	3,04	3,10	3,18	3,08	3,04	3,48
I(E3), мкА	0,32	0,64	0,92	1,28	1,49	1,68	1,73	1,75	1,82	1,80	1,83	1,76	1,69	1,90
I(E4), мкА	0,20	0,37	0,51	0,70	0,76	0,80	0,84	0,84	0,84	0,84	0,80	0,77	0,74	0,87
U, В	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24
I(E2), мкА	3,50	3,46	3,45	3,40	3,26	2,80	2,78	3,60	3,60	3,56
I(E3), мкА	1,88	1,90	1,90	1,88	1,80	1,46	1,52	1,90	1,99	1,90
I(E4), мкА	0,86	0,88	0,86	0,88	0,80	0,70	0,68	0,88	0,90	0,88

Зеленый светофильтр

U, В	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
I(E2), мкА	0,22	0,34	0,52	0,60	0,68	0,79	0,76	0,69	0,73	0,73	0,79	0,79	0,78	0,78
I(E3), мкА	0,13	0,20	0,30	0,35	0,40	0,47	0,45	0,41	0,45	0,44	0,47	0,48	0,45	0,45
I(E4), мкА	0,007	0,09	0,14	0,17	0,17	0,20	0,21	0,18	0,20	0,22	0,23	0,24	0,22	0,21
U, В	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24
I(E2), мкА	0,78	0,79	0,78	0,78	0,70	0,76	0,74	0,74	0,80	0,81
I(E3), мкА	0,46	0,46	0,46	0,46	0,44	0,44	0,44	0,43	0,47	0,48
I(E4), мкА	0,20	0,20	0,21	0,21	0,21	0,20	0,18	0,18	0,20	0,21

Светофильтр	U,В
	1	2	3	4	5
Синий (515 нм)	0,556	0,550	0,544	0,528	0,575
Зеленый(550 нм)	0,410	0,307	0,376	0,380	0,365

v₁=5,83 10¹⁴ Гц a₁=5,4*10³ v₂=5,45 10¹⁴ Гц a₂=5*10³

Выполнила: Позняк В. Ю. ___________

Проверила: Черемухина И. А. ___________

Обработка результатов

1. Построим графики зависимости фототока фотоэлемента от напряжения для трех значений освещенности катода E₂, E₃, E₄. Графики построим для зеленого и синего светофильтров. Для каждой вольтамперной характеристики (ВАХ) определим силу тока насыщения и занесем ее в таблицу.

2. Построим графики зависимости тока насыщения от освещенности фотокатода для зеленого и синего светофильтров.

Эта зависимость согласно з. Столетова имеет вид I=КЕ, где экспериментальное значение коэффициента K может быть найдено по выборке объема N = 3.

Для зеленого цвета:

2,02 (мкА м²/Вт)

= =0,038 (мкА м²/Вт)

= =0,022 (мкА м²/Вт)

=t_p,n =0,0896 (мкА м²/Вт)

К_з= ±Δ =(2,02±0,09) мкА·м²/Вт

При аналогичных расчетах для синего цвета получим:

К_с= ±Δ =(1,8±0,1) мкА·м²/Вт

3. Определим экспериментальный квантовый выход электронов.

Для синего: ɲ=ak_c=1,8*5400=9720

Для зеленого: ɲ=ak_з=2,02*5000=10100

4. Рассчитаем по выборкам объема N = 5 значения запирающего напряжения.

Для синего:

0,55 В

= =0,003 В

= =0,001 В

=tp,n =0,003 В

U_з= ±Δ =(0,550±0,003) В

При аналогичных расчетах для зеленого цвета получим:

U_з= ±Δ =(0,38±0,03) В

5. Построим график для (v₁, U_з1) и (v₂,U_з2 ).

Найдем угловой коэффициент наклона прямой графика а:

а_э = В/Гц

Из графика:

b = -2,1

v₀ = Гц

6. Найдем значение постоянной Планка:

h_э = ea_э =1,6 10^-19 4,0 10^-15 = 6,4·10^-34 Дж·с

Экспериментальное значение h_э = 6,4·10^-34 Дж·с приблизительно равно теоретическому h = 6,6 ·10-34 Дж·с

7. Рассчитаем работы выхода электрона и длины волн соответственно:

Для v₀= Гц, А=h v₀ = 6,63 10^-34=1,86 эВ, λ=650 нм

Для v`₀= , А=h v₀ = 6,63 10^-34=1,86 эВ, λ=650 нм

Вывод:

В данной лабораторной работе были проверены законы внешнего фотоэффекта.

Для синего и зеленого светофильтов были построены вольт-амперные характеристики, найдены соответствующие им токи насыщения; построены графики зависимости тока насыщения от освещенности фотокатода, найдены коэффициенты К; посчитаны экспериментальные квантовые выходы (для синего ɲ = 9720, для зеленого ɲ = 10100).

Были посчитаны запирающие напряжение для обоих цветов: (U_з= ±Δ =(0,550±0,003) В - синий цвет, U_з= ±Δ =(0,38±0,03) В -зеленый. Запирающее напряжение получилось положительным, так как при значениях меньших, чем v_min= , фотоэффект невозможен, так как v_min является красной границей фотоэффекта. При значениях меньших, чем v_min= Гц запирающее напряжение будет меньше нуля.

Была посчитана экспериментальная постоянная Планка h_э = 6,4·10^-34 Дж·с, что достаточно близко к теоретическому значению h = 6,6 ·10^-34 Дж·с.

В итоге была посчитана работа выхода электрона, которая равняется 1,86 эВ, что соответствует цезию.