Фотоэффект. Определение постоянной планка и работы выхода электронов

Цель работы: ознакомление с явлением внешнего фотоэффекта и определение постоянной Планка и работы выхода электронов из металла.

Электромагнитное излучение обладает двойственной природой. При взаимодействии с веществом оно проявляет себя как поток частиц - фотонов с энергией Е и импульсом Р, равными

Е = hν, Р = kh/2π. (1)

Под действием электромагнитного излучения электроны могут вылетать из вещества. Это явление называют фотоэффектом.

С точки зрения квантовой теории света взаимодействие света с электронами вещества можно рассматривать как неупругое столкновение фотона с электроном. При таком столкновении фотон поглощается, а его энергия передается электрону. Таким образом, в результате единичного акта столкновения электрон приобретает дополнительную энергию.

Кинетическая энергия электрона частично тратится на совершение выхода А против задерживающих сил, действующих в поверхностном слое вещества, а оставшаяся часть кинетической энергии есть максимальная кинетическая энергия вылетевшего фотоэлектрона. Уравнение Эйнштейна, описывающее баланс энергии для взаимодействия фотона с электроном имеет вид

hν = А + Е_max, (2)

где hν - энергия поглощенного фотона, А - работа выхода электрона, Е_max - максимальная кинетическая энергия вылетевшего фотоэлектрона. Здесь предполагается, что кинетическая энергия электрона в веществе до поглощения фотона много меньше энергии фотона.

При экспериментальном изучении фотоэффекта используется двухэлектродная лампа-диод. Один из электродов - катод, освещается светом определенной частоты. Вылетающие фотоэлектроны достигают анода. При фиксированной частоте и постоянной мощности падающего света типичная зависимость силы фототока I от приложенного напряжения U между катодом и анодом приведена на рис.1.

Рис.1

При некотором отрицательном напряжении U_з, называемом запирающим напряжением, фототок обращается в нуль. Это связано с тем, что максимальной кинетической энергии вылетающих фотоэлектронов Е_max недостаточно для совершения работы eU_з против тормозящих сил электрического поля между катодом и анодом ( e - заряд электрона). Согласно уравнению Эйнштейна (1), величина U_з для определенного фотокатода прямо пропорциональна частоте ν падающего света

eU_з = Е_max= hν – А. (3)

Для каждого вещества существует минимальная частота ν_min, при превышении которой может наблюдаться фотоэффект. Она определяется из условия Е_max = 0 и описывается формулой

ν_min = А/h. (4)

Соответствующая длина волны, называемая красной границей фотоэффекта, равна

λ_max = c /ν_min, (5)

где с - скорость света.

В данной работе осуществляется экспериментальная проверка уравнения Эйнштейна (2) для фотоэффекта и измеряются значения постоянной Планка h и работы выхода электронов А для материала катода.