Федеральное агентство по образованию

Дальневосточный государственный технический университет

(ДВПИ им. В.В. Куйбышева)

Изучение явления внешнего фотоэффекта

Методические указания к лабораторной работе № 98

для студентов дневной и заочной форм обучения всех технических

специальностей по курсу физики

Владивосток ∙2009

Лабораторная работа № 98 (фпк – 10)

Изучение явления внешнего фотоэффекта

Цель работы: изучить законы внешнего фотоэффекта, определить постоянную Планка.

Содержание работы

Гипотеза Планка получила подтверждение при объяснении явления фотоэлектрического эффекта. Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Фотоэффект был обнаружен в 1887 году г. Герцем, позднее детально исследован А. Г. Столетовым, схема опыта которого приведена на рис.1.

Рис.1

В вакуумной трубке с помощью потенциометра R можно менять величину напряжения между катодом К и анодом А и его знак. Облучая катод светом разных длин волн, Столетов установил следующие основные закономерности фотоэффекта:

1. Сила тока, возникающего под действием света, прямо пропорциональна его интенсивности.

2. Для каждого вещества существует “красная граница” фотоэффекта, то есть минимальная частота ₀, ниже которой фотоэффект не происходит.

3. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света и линейно возрастает с частотой излучения.

В

Напр. К-А U

1905 году для объяснения явления фотоэффекта А. Эйнштейн выдвинул квантовую теорию фотоэффекта, согласно которой свет испускается, распространяется в пространстве и поглощается в веществе порциями – квантами (фотонами), энергия которых

 = h, (1)

При этом каждый квант поглощается только одним электроном. Отсюда следует первый закон фотоэффекта. Энергия падающего фотона идет на совершение им работы выхода А из металла и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии:

h = А + mv_max²/2, (2)

это уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта, из которого непосредственно следует вывод второго и третьего законов фотоэффекта. Так, максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с ростом частоты падающего света (третий закон). А с уменьшением частоты света кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается до нуля, при этом

h₀ = А, (3)

следовательно,

₀=А/h (3а)

– красная граница фотоэффекта для данного материала.

Эксперимент, представленный на рис.1, позволяет получить вольт-амперную характеристику фотоэффекта – зависимость фототока i от разности потенциалов между катодом и анодом U (рис.2)

Рис.2

С ростом U фототок i постепенно возрастает, т.е. все большее число фотоэлектронов достигает анода, и достигает насыщения i_нас. При U=0 фототок не исчезает, то есть электроны, выбитые из катода, обладают некоторой начальной скоростью v, позволяющей им достигнуть анода без внешнего поля. Для того чтобы фототок стал равным нулю, необходимо приложить задерживающее напряжение U_0, измерив которое, можно определить максимальное значение скорости и кинетической энергии фотоэлектронов:

mv_max²/2 = qU_0, (4)

Электроны в твердом теле можно считать находящимися в некоторой потенциальной яме на глубине U (рис. 3).

Согласно квантовой теории металлов свободные электроны в потенциальной яме заполняют дискретный ряд уровней энергии.

При низких температурах (Т → 0) заполненными оказываются все нижние уровни, вплоть до уровня E_f, называемого уровнем Ферми. Для выхода электронов за пределы металла с уровня Ферми следует сообщить ему дополнительную энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера.

Рис. 3

Минимальная дополнительная энергия, достаточную для преодоления потенциального барьера с уровня Ферми, называется работой выхода А. Величина А зависит от свойств кристаллической решетки твердого тела и состояния поверхности металла.