Порядок выполнения лабораторной работы

1. Запустите на компьютере программу «Открытая физика 1.1», на экране монитора выберите раздел «Оптика», затем «Поляроиды».

2. Внимательно рассмотрите картинку в средней части монитора. Найдите регуляторы с движками, задающими значение угла поворота и

3. Установите движком регулятора угла поворота первого поляроида значение угла , взятое из таблицы 1 для Вашей бригады.

4. Аналогичным образом установите угол = 0, а затем изменяйте его движком регулятора от 0 до 360⁰ с шагом в 10⁰, записывая отношение (высвечивающееся в нижнем белом окошке на экране монитора) в таблицу 2.

5. Для каждого значения угла рассчитайте и . Запишите результаты в таблицу 2.

6. Постройте графики зависимости .

7. Постройте график зависимости в полярных координатах

8. Проанализируйте полученные результаты и сделайте выводы.

Таблица 1

Номер бригады	Значение	Номер бригады	Значение
1	10	5	50
2	20	6	60
3	30	7	70
4	40	8	80

Таблица 2

№ измерения	, град	, град	, град
1
2
…..

Контрольные вопросы

1. Дайте определения поляризации, частично поляризованного света,

линейно поляризованного света.

2. Какой свет называется естественным?

3. В чем проявляется анизотропия?

4. Объясните явление двойного лучепреломления (призма Николя).

5. Сформулируйте и запишите закон Брюстера.

6. Запишите и объясните закон Малюса.

Лабораторная работа № 404

Внешний фотоэффект

Цель работы:

• экспериментальное подтверждение закономерностей внешнего фотоэффекта с помощью виртуальной модели

• экспериментальное определение красной границы фотоэффекта, работы выхода электронов из фотокатода и постоянной Планка с помощью виртуальной модели.

Приборы и принадлежности:

• персональный компьютер

• компьютерные модели «Открытая физика 1.1».

Краткая теория

Фотоэлектрическим эффектом или фотоэффектом называется освобождение (полное или частичное) электронов от связей с атомами или молекулами вещества под воздействием света.

При облучении вещества светом может проявляться внутренний или внешний фотоэффект.

Внутренний фотоэффект –­ перераспределение электронов по энергетическим состояниям в конденсированной среде, происходящее при поглощении электромагнитного излучения. В полупроводниках и диэлектриках в результате внутреннего фотоэффекта концентрация носителей заряда внутри тела увеличивается, что приводит к изменению электропроводности среды (фотопроводимости), её диэлектрической проницаемости или возникновению электродвижущей силы (фотовольтаический эффект). Разновидностью внутреннего фотоэффекта является вентильный фотоэффект. Он заключается в появлении ЭДС при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла.

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов твёрдыми телами или жидкостями под действием электромагнитного излучения в вакуум или другую среду. Вылетевшие электроны называются фотоэлектронами.

Первые фундаментальные исследования внешнего фотоэффекта из твердого тела в вакуум провел А. Г. Столетов с использованием установки, модернизированная схема которой приведена на рис. 1. Два электрода ва-

куумной трубки –­ катод К из исследуемого материала и анод –­ подключены к батареи так, что с помощью потенциометра R можно изменять не только значение, но и знак подаваемого на них напряжения. Величина напряжения на электродах измеряется вольтметром, сила фототока измеряется амперметром. Световой поток, падающий на катод, через окно вакуумной трубки поглощается электронами металла, из которого сделан катод. В результате чего в металле появляются электроны с высокой (по сравнению со средней) энергией. Затем фотоэлектроны движутся к поверхности, в результате чего может происходить частичное рассеивание энергии, и выходят в другую среду через границу раздела сред, попадая при этом в электрическое поле между катодом и анодом. Если это поле достаточно сильное, то все электроны достигают анода.

Рис.1. Схема опыта, по исследованию внешнего фотоэффекта

А. Эйнштейн объяснил законы фотоэффекта на основе квантовой теории света. Согласно его теории, свет поглощается такими же порциями , какими он, по предположению Планка, испускается элементарными осцилляторами (атомами). Порцияэнергии электромагнитного излучения называетсяквантом света, или фотоном. Энергия фотона равна:

Е = h, (1)

где n – частота излучения, h = 6,62×10^-34 Дж×с – постоянная Планка. В квантовой оптике энергия часто измеряется во внесистемных единицах – «электрон-вольтах», 1 эВ = 1,6·10^-19 Дж.

Масса фотона связана с его энергией соотношением Эйнштейна

Е = m₀ c²,

отсюда

m₀ = (2)

Импульс фотона

p = m₀ c = (3)

где  – длина волны электромагнитного излучения.

Каждый квант световой энергии (фотон) взаимодействует только с одним электроном проводимости металла, и первый закон внешнего фотоэффекта (закон Столетова) формулируется следующим образом:

Число фотоэлектронов, вырываемых из катода за единицу времени, прямо пропорционально интенсивности падающего света.

Часть энергии фотона, падающего на вещество, затрачивается на удаление электрона из этого вещества в вакуум. Эта часть энергии равна работе выхода электрона (U – потенциал работы выхода для определенного металла). Если электрон находится не у самой поверхности, а на глубине, то часть энергии теряется вследствие случайных столкновений в веществе. Остаток энергии преобразуется в кинетическую энергию электрона, покинувшего вещество. Кинетическая энергия максимальна, если доля энергетических потерь равна нулю ().

Если , то фотоэффекта нет: электрон передает свою энергию окружающим частицам, т.е. происходит преобразование энергии фотона в тепловую энергию вещества.

Если , то фотоэффект наблюдается, причем приразность между энергией падающего на вещество фотона и работой выхода электронов составляет кинетическую энергию электрона:

. (4)

Из (4) следует второй закон внешнего фотоэффекта:

Максимальная кинетическая энергия линейно возрастает с частотой излучения ν и не зависит от его интенсивности.

С уменьшением частоты ν падающего света кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается (при для данного вещества), и, когда,, т. е. квант света расходуется только на работу выхода, этим объясняетсятретий закон фотоэффекта:

Для каждого вещества существует «красная граница» фотоэффекта, т. е. минимальная частота света , меньше которой фотоэффект не возможен:

или . (5)

Значение красной границы фотоэффекта определяется химической природой вещества и состоянием его поверхности.

Из выражения (4) следует уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта:

. (6)

Энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы по выходу его из металла и сообщение вылетевшему электрону кинетической энергии.

Приборы, действие которых основано на использовании фотоэффекта, называются фотоэлементами. Установка на рис. 1 используется для исследования вольтамперной характеристики фотоэлемента. Ток, проходящий через амперметр, определяется числом электронов, освобожденных светом в единицу времени. Вольтамперная характеристика фотоэффекта представляет собой зависимость силы фототока I от напряжения U между электродами в трубке. На рис. 2 приведены зависимости соответствующие двум различным световым потокам, но одной и той же длине волны. Из рис. 2 видно, что при некотором определенном напряжении фототок достигает своего максимума (значенияI_n1 и I_n2). М

аксимальное значение фототока называется фототоком насыщения I_n и определяется таким значением U, при котором все электроны, испускаемые катодом, достигают анода. Для тока насыщения закон Столетова:

При фиксированной частоте падающего света ток насыщения пропорционален световому потоку,

, (7)

где k – коэффициент фоточувствительности, зависящий от материала катода, Ф – поток электронов.

Рис. 2. Вольтамперные характеристики фотоэлемента

Пологий характер кривых свидетельствует о том, что с катода электроны вылетают с различными скоростями. При U = 0 фототок не исчезает. Это означает, что электроны покидают катод с некоторой начальной скоростью, а значит и определенной кинетической энергией W_к > 0 и могут достигать анода без внешнего поля.

Чтобы фототок был равен нулю, необходимо приложить задерживающее (запирающее) напряжение U_з – минимальное напряжение между анодом вакуумной лампы (фотоэлемента) и фотокатодом, при котором фототок отсутствует, т.е. фотоэлектроны не долетают до анода. При этом напряжении кинетическая энергия электронов у катода равна потенциальной энергии электронов у анода, откуда следует выражение:

, (8)

где е – заряд электрона, кг – масса электрона. По величине задерживающего напряженияU_з можно определить скорость и кинетическую энергию W_к фотоэлектронов.

Милликен, изучая фотоэффект, установил, что при освещении катода монохроматическим светом задерживающее напряжение изменяется с частотой по линейному закону. Действительно, если в уравнение Эйнштейна (7) подставить выражение (8), то

, (5)

где для данного металла, и (9) есть линейный закон зависимости измененияот частотысветового потока. Производная

Джс

равна постоянной Планка и не зависит от материала катода.

При использовании высокоинтенсивного света (например, лазерного излучения) возможен многофотонный (нелинейный) фотоэффект, при котором электрон, испускаемый металлом, может одновременно получить энергию не от одного, а от нескольких N фотонов. Тогда уравнение Эйнштейна примет вид:

, а .