Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

LM / 62

.pdf
Скачиваний:
6
Добавлен:
12.05.2015
Размер:
111.75 Кб
Скачать

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

________________________________________________________________

КАЗАНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ

Кафедра физики

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ ПО ФИЗИКЕ

для студентов специальностей 2903, 2906, 2907, 2908, 2910

Лабораторная работа № 62

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА УРАВНЕНИЯ ЭЙНШТЕЙНА ДЛЯ ФОТОЭФФЕКТА

Казань - 2003 г.

Составитель: Э.М.Ягунд Под редакцией В.В.Алексеева, Л.И.Маклакова

УДК 539.431

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА УРАВНЕНИЯ ЭЙНШТЕЙНА ДЛЯ ФОТОЭФФЕКТА: Методические указания к лабораторным работам по физике для студентов специальностей 2903, 2906, 2907, 2908, 2910 /Казанская государственная архитектурно-строительная академия. Составитель Э.М.Ягунд под редакцией В.В.Алексеева, Л.И.Маклакова.-Казань, 2003, 9 с.

В работе рассмотрена теория внешнего фотоэлектрического эффекта. Приведено описание установки, с помощью которой экспериментально

проверяется уравнение Эйнштейна и определяется величина постоянной Планка.

Стр.9, рис.3, табл.1.

Рецензент: профессор кафедры общей физики Казанского госуниверситета Фишман А.И.

СКазанская государственная архитектурно-строительная академия, 2003 г.

2

 

Явление фотоэлектрического эффекта было обнаружено в 1887 г. Г.

Герцем, наблюдавшим усиление процесса газового разряда при облучении

искрового промежутка ультрафиолетовым излучением. В настоящее время

различают внешний и внутренний фотоэффект. Внешним фотоэлектрическим

эффектом называется испускание электронов веществом под действием

электромагнитного излучения и, в частности, света. Внешний фотоэффект

наблюдается в твердых телах, как правило, в металлах.

 

 

 

Фотоэффект, при котором освобожденные под действием излучения

электроны остаются внутри тела, называется внутренним. При этом

концентрация свободных носителей заряда внутри тела увеличивается, что

приводит к возникновению фотопроводимости, т.е. к повышению

электропроводности вещества при его освещении. Внутренний фотоэффект

наблюдается в полупроводниках и диэлектриках.

 

 

 

Первые фундаментальные исследования внешнего фотоэффекта были

выполнены русским ученым А.Г.Столетовым. Типичная установка для

исследования фотоэффекта приведена на рис.1.

К

 

А в

 

свет

 

Два

электрода катод

и анод

 

 

вакуумной трубке подсоeдинены к батарее

так,

 

 

 

К

е

А

чтобы с помощью потенциометра

можно было

 

изменять не только величину, но и знак

 

 

 

 

 

 

 

А

подаваемого на них напряжения. В отсутствии

 

V

 

освещения катода ток в цепи отсутствует,

 

 

 

несмотря

на

приложенную

к

электродам

 

П

 

ускоряющую разность потенциалов. Если же

 

 

 

осветить катод, то стрелка амперметра

 

ε

 

отклонится, свидетельствуя о появлении тока

 

 

 

через газоразрядную трубку. Это означает, что из

 

Рис. 1

 

катода выбиваются носители заряда

 

 

электроны.

 

 

 

 

Систематическими исследованиями внешнего фотоэффекта установлены

три закона:

 

 

 

 

 

 

 

1.Закон Столетова: при фиксированной частоте падающего света число

фотоэлектронов, выбиваемых из катода в единицу времени, пропорционально

интенсивности света.

 

 

 

 

 

 

 

3

2.Максимальная кинетическая энергия выбиваемых электронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой, а именно линейно возрастает с увеличением частоты.

3.Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота света (максимальная длина волны), за пределами которой свет любой интенсивности фотоэффекта не вызывает.

В 1905 г. А.Эйнштейн объяснил фотоэффект на основе предложенной Планком квантовой теории света. При этом Эйнштейн предположил, что не только излучение, но и поглощение света происходит порциями квантами с энергией E = hν. По закону сохранения энергии при фотоэффекте энергия

поглощенного кванта расходуется на совершение электроном работы выхода (т.е. на преодоление электроном энергетического барьера при переходе из объема тела на его поверхность и отрыв с поверхности), и придания электрону кинетической энергии.

Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта имеет вид:

hv = Aвых +

mυmax2

(1)

2

 

 

Величина красной границы фотоэффекта легко получается из уравнения Эйнштейна, если учесть, что кинетическая энергия выбитого фотоэлектрона будет при этом равна нулю, так как вся энергия электромагнитного кванта пойдет на совершение работы выхода. Тогда

hvо = Aвых Þ vo = Aвых / h

(2)

Используя соотношение длины световой волны λ с частотой колебаний ( λ = c ⁄ ν , где с = 3×108 м/с скорость света в вакууме ), находим, что длина

световой волны, соответствующая красной границе фотоэффекта, равна λ0 =

hc/Aвых .

Явление фотоэлектрического эффекта широко используется в науке и технике для регистрации и измерения световых потоков и для преобразования световой энергии в электрическую. Приборы, действие которых основано на явлении фотоэффекта, называются фотоэлементами. Различные типы фотоэлементов в настоящее время активно применяются на Земле и в космосе.

Целью данной работы является проверка уравнения Эйнштейна для фотоэффекта, определение красной границы фотоэффекта сурьмяно-цезиевого фотоэлемента и определение величины постоянной Планка.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Принципиальная электрическая схема установки в целом совпадает со схемой, приведенной на рис.1, только вакуумная трубка со впаянными электродами заменена в ней на сурьмяно-цезиевый фотоэлемент.

4

Блок-схема установки, применяемой в данной работе, приведена на рис.2

Источник света

Монохроматор

Фотоэлемент

μА

Источник

запирающего

напряжения

Рис. 2

От лампы накаливания, служащей источником излучения, свет направляется на собирающую линзу, в фокальной плоскости которой находится входная щель монохроматора. Основной частью монохроматора является дифракционная решетка, которая разлагает пучок лучей в спектр. Поворачивая решетку с помощью ручки "ДЛИНА ВОЛНЫ", находящейся на передней части монохроматора, можно получить свет различных частот, который падает на катод фотоэлемента и выбивает из него электроны. Выбитые фотоэлектроны попадают на анод, создавая через фотоэлемент электрический ток, регистрируемый микроамперметром А. Схема, приведенная на рис.1, позволяет оценить энергию вылетающих из катода электронов, используя тормозящее электрическое поле, создаваемое между катодом и анодом. Для создания такого тормозящего поля на анод A подается отрицательное напряжение, регулируемое потенциометром П и измеряемое вольтметром V. Если фотоэлектроны обладают достаточной кинетической энергией, за счет которой они могут совершать работу против сил задерживающего поля и достигнуть анода, то в цепи возникает фототок. При некотором значении отрицательного напряжения U = UЗ на аноде фотоэлемента фототок оказывается равным нулю, т.е. даже

наиболее быстрым электронам не удается преодолеть задерживающее поле и достигнуть анода. Поэтому можно написать

 

mυ2

= eUЗ

 

 

max

(3)

2

 

 

где e и m соответственно заряд и

масса

электрона, Umax - максимальное

значение скорости фотоэлектрона. Подставляя это соотношение в уравнение Эйнштейна (1), получаем

hv = eU З + Авых

(4)

UЗ = hv

A

= h

( v v0 )

(5)

e

e

 

e

 

 

 

 

 

5

 

 

(Здесь использовано выражение (2)). Уравнение (5) показывает, что между задерживающим напряжением UЗ и частотой падающего излучения ν имеется линейная зависимость. График этой зависимости показан на рис.3. Из рисунка видно, что прямая UЗ = f(ν) пересекает ось частот в точке ν = ν0 соответствующей красной границе фотоэффекта. По тангенсу угла наклона прямой к оси абсцисс в соответствии с уравнением (5) можно определить постоянную Планка:

tgα =

U З

 

= h

, откуда

h = e ×tgα =

eU З

v - v

 

 

 

0

e

 

 

v - v

0

 

 

 

 

 

 

UЗ

α

0

v0

v

Рис. 3

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.Поставить тумблер "НАКАЛ-НЕДОКАЛ" на передней панели прибора в положение "НЕДОКАЛ".

2.Вставить сетевую вилку в розетку и включить установку тумблером "СЕТЬ".

3.Тумблер "ФОТОЭЛЕМЕНТ" поставить в верхнее положение.

4.Ручкой "ДЛИНА ВОЛНЫ" на панели монохроматора установить значение длины волны λ = 500 нм.

5.Ручку регулировки "UЗ" на блоке управления установить в крайнее левое положение. При этом запирающее напряжение, подаваемое на фотоэлемент, равно нулю, и фототок через фотоэлемент, регистрируемый микроамперметром μA, будет максимальным.

6.По формуле ν = с / λ (6), где с = 3·108 м/с скорость света, λ длина световой волны, выраженная в метрах, вычислить частоту электро-магнитных колебаний световой волны, соответствующую λ = 500 нм.

7.Поворачивая ручку "UЗ" на блоке управления вправо, добиться исчезновения фототока (микроамперметр должен показать I = 0). Для данной длины волны записать по вольтметру V значение UЗ .

6

8. Уменьшить UЗ до 0,3 В (при этом должен появиться фототок). Вращая ручку "ДЛИНА ВОЛНЫ" в сторону увеличения показаний, вновь добиться исчезновения фототока. Записать показания и по формуле (6) определить ν.

9. Повторить последовательно пункт 8 для значений UЗ , равных 0,2 и 0,1 В. 10. Выключить установку. Для этого тумблер "ФОТОЭЛЕМЕНТ" поставить в нижнее положение, выключить тумблер "СЕТЬ" и вынуть сетевую вилку из

розетки.

11. Результаты измерений занести в таблицу:

№ опыта

UЗ, В

Длина волны l,

Частота v, Гц

1

 

5×10-7

0,6×1015

2

0,3

 

 

3

0,2

 

 

4

0,1

 

 

12. Построить график зависимости UЗ = f(ν). При правильном проведении измерений точки графика должны лечь на прямую линию. Экстраполируя (продолжая) эту прямую до пересечения с осью абсцисс, определить красную границу фотоэффекта как точку пересечения графика с осью абсцисс (см.

рис.3).

13. Используя полученный график, определить тангенс угла наклона прямой, численно равный tga = Uз /(ν ν0 ).

14. По формуле h = e×tga (Дж×с) вычислить постоянную Планка (e = =1,6·10-19 Кл заряд электрона).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.В чем заключается явление внешнего и внутреннего фотоэффекта?

2.Сформулируйте законы внешнего фотоэффекта.

3.Запишите и объясните уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

4.Что называется красной границей фотоэффекта?

7

Соседние файлы в папке LM