ЛАБОРАТОРНЫЕ ПО ФИЗИКЕ 4 семестр / LR_8_3

Лабораторная работа 8.3.

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА

И ОПРЕ­ДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ ПЛАНКА

Библиографический список

1. Трофимова Т. И. Курс физики. М.: Высшая школа, 1985.

2. Савельев И.В. Курс общей физики. – М.: Наука, 1988. Т. 3.

Цель работы: экспериментальная проверка уравнения Эйнштейна по установлению линейной зависимости между задерживающим потен­циалом и частотой света.

Приборы и принадлежности: лабораторная установка «Изучение законов внешнего фотоэффекта».

Описание метода и экспериментальной установки

Фотоэффект принадлежит к явлениям, в которых обнаруживаются корпускулярные свойства света. Энергетический баланс взаимодей­ствия фотона со связанным электроном для внешнего фотоэффекта устанавливается уравнением Эйнштейна

(1)

где: h - постоянная Планка;  - частота света; A - ра­бота выхода электрона; mv²/2 - кинетическая энергия фото­электронов.

Электроны, вылетающие под действием света, движутся с различными скоростями. Наибольшей скоростью будут обладать электроны, вырванные с самого верхнего энергетического уровня в ме­талле. Электроны, вырванные с более глубоких энергетических уровней или претерпевшие еще до выхода столкновения внутри ве­щества, будут иметь меньшую скорость. Поэтому соотношение (1) определяет кинетическую энергию не всех, а только наиболее быст­рых электронов

Следовательно,

(2)

П риборы, устройство которых основано на внешнем фотоэффекте, на­зываются фотоэлементами. Фотоэлемент представляет собой стеклян­ный баллон, в который впаяны фотокатод и анод. Световой поток Ф, падающий на катод, покрытый фоточувствительным слоем (фотокатод), вызывает фотоэлектронную эмиссию и при положительном напряжении на аноде относительно катода в вакуумном промежутке создается поток свободных электронов (фототок), (рис.1).

Основными характеристиками фотоэле­мента являются следующие:

1) вольтамперная характеристика - зависимость фототока от анодного напряжения U при постоянном световом потоке (рис.2);

2) частотная характеристика - зави­симость фототока от частоты при по­стоянном световом потоке (рис.3).

Д ля измерения энергии фотоэлектронов обычно пользуются методом за­держивающего потенциала. Этот метод заключается в том, что около фотока­тода создается тормозящее поле, т.е. на анод подается отрицательный по отношению катода потенциал U. В этом случае долететь до анода смо­гут только те электроны, кинетичес­кая энергия которых больше работы, которую необходимо совершить против сил тормозящего поля (Е_K > eU). Поэтому при увеличении U анодный ток будет уменьшаться. При некото­ром значении U = U_з (потенциал запирания или задерживающий потенциал) даже наиболее быстрые фото­электроны не смогут достичь анода и анодный ток станет равен нулю (рис.4).

Максимальная кинетическая энергия связана с задерживающим потенциалом следующим соотношением:

(3)

Подставив уравнение (3) в уравне­ние (2), получим

(4)

Из уравнения (4) видно, что между задерживающим потенциалом и часто­той света существует следующая ли­нейная зависимость, уравнение прямой линии U_з() (рис. 5)

(5)

По тангенсу угла наклона этой прямой к оси абсцисс () можно рассчитать постоянную Планка. На рис. 5 , откуда

, (6)

где е = 1,6^.10^-19 Кл – заряд электрона.

Следует обратить внимание, что берётся не конкретный угол наклона прямой на графике U_з(), а его тангенс с учётом выбранного масштаба по осям U_з и .

Внешний вид лабораторной установки приведён на рис. 6.

Работа выхода определяется пересечением продолжения экспериментальной прямой с осью ординат. Чтобы получить значение работы выхода в джоулях, полученную величину нужно умножить на заряд электрона. Работа выхода в электронвольтах равна значению потенциала, соответствующего точке пересечения.

Для экспериментальной проверки справедливости этой зависи­мости необходимо определить соответствующие задерживающие потен­циалы для различных частот (длин волн). На опыте величина задер­живающего потенциала определяется по графику зависимости анодно­го тока I от U₃ (рис.4). Точка пересечения кривой с осью U (I = 0) определяет задерживающий потенциал.

Порядок выполнения работы.

1. Проверить положение ручек потенциометра П1 и сопротивле­ния R2 (ручки должны быть повернуты против часовой стрелки до упора).

2. Включить тумблеры К1 и K2.

3. Установить красный светофильтр.

4. Ручкой сопротивления R2 установить максимальный ток (0,9-0,95 всей шкалы микроамперметра).

5. Проверить действие усилителя постоянного тока. Для этого подать с помощью потенциометра R1 (средняя рукоятка прибора) максимальный задерживавший потенциал и с помощью потенциометра установки нуля (крайняя левая ручка) установить стрелку микроамперметра на 0.

6. Установить задерживающий потенциал на 0. При этом стрелка микроамперметра должна вновь отклониться на 0,9-0,95 всей шкалы. Если отклонение будет другим, вновь подогнать его к это­му значению с помощью правой рукоятки.

7. Повторить операции по п.п.5 и 6. При этом, когда за­держивающий потенциал максимален, ток должен быть равен нулю; при задерживающем потенциале равном нулю, ток должен составлять 0,9-0,95 всей длины шкалы.

8. Изменяя задерживающий потенциал в пределах от нуля до максимального через 0,1 - 0,2 записать значения тока.

9. Проделать измерения по п.п.4 - 8 при жёлтом, зелёном и синем светофильтрах.

10. Построить для каждого светофильтра на одном листе миллиметровки график зависимости I = f(U).

11. Экстраполируя полученную кривую к оси U₃ , определить величину задерживающего потенциала, соответствующего I = 0 (см. рис.4).

12. Построить график зависимости задерживающего потенциала от частоты.

13. По графику определить постоянную Планка (см. рис.5).

14. Пользуясь графиком, рассчитать работу выхода А.

Таблица записи результатов наблюдения

Светофильтр	№ измерения	λ, нм	U, В	I, мкА	U3, В
Красный	1 2 3
Жёлтый	1 2 3
Зеленый	1 2 3
Синий	1 2 3

Задание

Сформулировать закон фотоэффекта, вытекающий из уравнения Эйн­штейна.

Контрольные вопросы

1. В чём сущность квантовых свойств света?

2. В чём суть внешнего и внутреннего фотоэффекта?

3. Сформулировать основные законы внешнего фотоэффекта.

4. Сформулировать закон сохранения энергии и объяснить уравнение Эйнштейна.

5. В чём суть метода задерживающего потенциала?

6. Каков физический смысл постоянной Планка?

7. Как определяется величина работы выхода электрона из ме­талла?

8. Как определяется красная граница фотоэффекта?

23