Методички и вопросы по истории / Методички / Рухляда Н.Я., Прокурат Т.Э., Станковский А.Ю

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ОБНИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ (ИАТЭ)

Факультет естественных наук

Н.Я.РУХЛЯДА, Т.Э.ПРОКУРАТ, А.Ю.СТАНКОВСКИЙ

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

по курсу «Общая физика»

(раздел «Атомная физика»)

Обнинск 2005

УДК 539.18 (076.5)

Рухляда Н.Я., Прокурат Т.Э., Станковский А.Ю. Лабораторный практикум по курсу «Физика» (раздел «Атомная физика»). – Об-

нинск: ИАТЭ, 2005. – 80 с.

За период, прошедший после издания лабораторного практикума по атомной физике в 1993 г., возникла необходимость расширения цикла работ по атомной физике в связи с открытием на кафедре «Общая и специальная физика» специальности «Физика».

Описания издававшихся ранее работ исправлены и дополнены. Дополнения связаны с реализациями работ в двух вариантах. Вариант А предусматривает выполнение работ на установках, разработанных в лабораториях кафедры. Вариант Б позволяет сделать те же работы на промышленном оборудовании. Все работы прошли опытную проверку в лабораториях кафедры.

Пособие предназначено для студентовИАТЭ всех специальностей. Постановку и составление описаний работ осуществляли преподаватели и сотрудники кафедры: С.И.Кучерявый (№ 1), В.А.Шакиров (№ 2), Г.А.Фесенко (№ 3), Т.Б.Росткова (№ 4),

А.Ю.Станковский (№ 5, 7), Г.И.Белоголовцев (№ 6).

Илл. 30, табл. 9, библ. 25 назв.

Рецензенты: к.ф.-м.н. П.Н.Свиркунов, к.ф.-м.н. М.М.Троянов

Темплан 2005, поз. 20

©Обнинский государственный технический университет атомной энергетики, 2005 г.

©Н.Я.Рухляда, Т.Э.Прокурат, А.Ю.Станковский, 2005 г.

2

Работа № 1. ВНЕШНИЙ ФОТОЭФФЕКТ

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ:

Установка А: монохроматор, цифровой вольтметр, лампа накаливания, блок питания лампы, фотоэлемент, блок питания фотоэлемента, регулятор анодного напряжения, панель коммутации, осциллограф.

Установка Б: блок облучения, содержащий лампу ДРС-50, блок, содержащий фотоэлемент, блок управления и индикации.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

•демонстрация корпускулярных свойств электромагнитного излучения на примере внешнего фотоэффекта;

•проверка закона Столетова;

•определение красной границы фотоэффекта;

•определение постоянной Планка;

•исследование спектральной характеристики фотоэлемента.

Краткая теория

Внешним фотоэффектом или фотоэлектронной эмиссией называется испускание электронов с поверхности твердых и жидких тел в вакуум или другую среду под действием электромагнитного излучения. Экспериментально установлены следующие закономерности фотоэффекта:

•количество испускаемых электронов пропорционально интенсивности излучения, падающего на поверхность – закон Столетова;

•для каждого вещества при определенном состоянии его поверхности существует порог – минимальная частота (или максимальная длина волны) излучения, за которой фотоэффект не возникает; этот порог называется красной границей фотоэффекта;

•максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой ν и не зависит от его интенсивности – закон Эйнштейна.

Фотоэлектронная эмиссия – результат трех последовательных процессов: поглощения фотона и появления электрона с высокой, по сравнению со средним значением энергией; движения этого электрона к поверхности твердого тела, при котором часть энергии может рассеяться; выхода электрона в другую среду через поверхность раздела.

3

Пользуясь этими представлениями, можно объяснить основные законы фотоэффекта.

Поскольку вероятность одновременного поглощения одним электроном двух фотонов при обычной интенсивности излучения ничтожно мала, то каждый фотоэлектрон появляется в результате взаимодействия с одним фотоном, и поэтому число вылетающих электронов должно быть пропорционально числу падающих на поверхность фотонов, т.е. интенсивности светового потока (при неизменном спектральном составе).

Для фотоэлектронов, которые образовались вблизи поверхности и поэтому на взаимодействие с другими электронами теряют пренебрежимо мало энергии, можно записать закон сохранения энер-

где hν – энергия, получаемая электроном от поглощенного фотона, eϕ – работа выхода [1-3], mV2 2

электрон вылетает из металла. Из уравнения (1) следует, что если энергия фотона окажется меньше работы выхода для данного металла, фотоэмиссия невозможна. Красная граница фотоэффекта определяется соотношением:

Кинетическую энергию фотоэлектрона, входящую в уравнение (1), следует рассматривать как максимальную в данных условиях (ν и eϕ не меняются), потому что в правую часть этого уравнения не включены потери энергии, которые может испытать фотоэлектрон, взаимодействуя с другими электронами проводимости, прежде чем

Видно, что кинетическая энергия должна изменяться линейно с изменением частоты падающего света и никак не связана с плотностью потока фотонов.

4

Количественной характеристикой фотоэффекта является квантовый выход Y – число вылетевших электронов, приходящихся на один фотон, падающий на поверхность тела. Величина Y зависит от свойств тела, состояния его поверхности и энергии фотонов. Вблизи порога фотоэлектронной эмиссии для большинства металлов Y ~ 10-4 электронов/фотон. Малость Y обусловлена тем, что свет проникает в металл на глубину ~ 10-5 см, и там в основном поглощается. Фотоэлектрон при движении к поверхности сильно взаимодействует с электронами проводимости, которых в металле много, и быстро рассеивают энергию, полученную от излучения. Энергию, достаточную для совершения работы выхода, сохраняют только те фотоэлектроны, которые образовались на глубине, не превышающей ~ 10-7 см.

В данной работе фотоэффект изучается на вакуумном фотоэлементе, представляющем собой стеклянный откаченный баллон, на внутреннюю поверхность которого нанесен светочувствительный слой (фотокатод). Собирающий электрод (анод) расположен в центре баллона. Принципиальная схема включения фотоэлемента показана на рис. 1.

Рис. 1. Принципиальная схема включения фотоэлемента

При освещении фотокатода в цепи фотоэлемента возникает ток. Снимая вольтамперную характеристику фотоэлемента при постоянной интенсивности и неизменном спектральном составе света, можно определить фототок iф и максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов. Семейство вольтамперных характеристик фотокатода для различных размеров входной щели монохроматора УМ-2 приведено на рис. 2.

5

iф

iнас

Рис. 2. Семейство вольтамперных характеристик фотокатода для различных размеров входной щели монохроматора

При некотором ускоряющем напряжении все электроны, покидающие катод, достигнут анода, после чего ток при дальнейшем увеличении напряжения не растет. Максимальное значение тока называется током насыщения iнас. Ток насыщения пропорционален числу фотоэлектронов, испускаемых катодом в единицу времени.

При отсутствии ускоряющего напряжения в цепи фотоэлемента все же наблюдается ток. Это говорит о том, что электроны вылетают из катода с некоторой кинетической энергией. Меняя знак напряжения на диоде и замедляя электроны отрицательной разностью потенциалов, можно добиться отталкивания от анода даже самых быстрых электронов. Напряжение, при котором ток обращается в нуль, называется запирающим напряжением (рис. 2). Определив экспериментально запирающее напряжение, можно вычислить максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов:

где e – заряд электрона.

На основании изложенного в работе предлагается следующая программа изучения закономерностей фотоэффекта.

Чтобы убедиться в справедливости закона Столетова, необходимо, меняя интенсивность падающего на фотокатод света (при этом спектральный состав должен сохраняться), измерить соответствующие токи насыщения. Такая зависимость называется световой харак-

6

теристикой фотокатода. В реальных фотокатодах она может не сохранять строго линейный характер из-за ряда побочных явлений.

Чтобы убедиться в справедливости закона Эйнштейна, необходимо, меняя частоту направляемого на фотокатод света, измерить запирающее напряжение, соответствующее каждой частоте. Как следует из выражений (2–4), значения Uз должны лечь на прямую, описываемую уравнением:

Рис. 3. Зависимость запирающего напряжения от частоты падающего на фотокатод света

Значение Uз = 0 соответствует красной границе фотоэффекта. Заметим, что отрезок, который отсекает на вертикальной оси продолжении прямой U з (ν), дает значение потенциала выхода для

вещества, из которого сделан фотокатод: из (1) и (3), полагая ν = 0,

получим – ϕ = −Uз .

Чтобы получить представление о зависимости квантового выхода от энергии фотонов, необходимо снять зависимость тока насыщения от частоты падающего света при постоянной интенсивности. Такая зависимость называется спектральной характеристикой фотокатода.

Ввиду того, что интенсивность I(λ) излучения лампы накаливания различна для разных λ, при получении спектральной характеристикой фотокатода необходимо делать поправку на распределение энергии в спектре излучения раскаленной вольфрамовой нити, служащей источником света в данной работе.

7

Экспериментально полученная относительная спектральная характеристика излучения раскаленной вольфрамовой нити в лампе приводится на рис. 4.

При получении спектральной характеристики фотоэлемента (упр. 4) необходимо учесть следующее. Для того, чтобы измеренные на разных длинах волн фототоки соответствовали одной и той же энергии светового потока, необходимо их значения разделить на соответствующие коэффициенты, определяемые по рис. 5. С учетом данной поправки фототок запишется в виде:

где Iфэ' (λ) – значения токов фотоэлемента для разных длин волн,

полученные в результате выполнения упр. 4, Iртн (λ) – спектральная характеристика лампы накаливания (рис. 5).

Рис. 4. Относительная спектральная характеристика лампы накаливания

Описание установки

Данная работа реализована в двух вариантах: на установке А и на установке Б.

Блок-схема установки А представлена на рис. 5. Лампа накаливания (1), используемая в качестве источника излучения, освещает входную щель монохроматора (3). Конденсор (2) служит для пере-

8

носа изображения накала лампы в плоскость входной щели. Из широкого спектра излучения лампы монохроматор на выходной щели выделяет узкую полоску и, таким образом, на выходе получается монохроматическое излучение с длиной волны, определяемой углом поворота призмы монохроматора. Поворот производится с помощью градуированного барабана. К монохроматору придается градуировочный график, устанавливающий соответствие между делениями барабана и длиной волны (λ). На выходе монохроматора установлен фотоприемник (4), в качестве которого используется фотоэлемент типа СЦВ-4С с сурьмяноцезиевым катодом. Величина потока, попадающего на фотоприемник лампы, регулируется размерами (в пределах от 0 до 4 мм) входной и выходной щелей монохроматора. Полное перекрытие потока осуществляется затвором на входе монохроматора.

Рис. 5. Блок-схема установки А:

1 – источник света; 2 – конденсор; 3 – монохроматор; 4 – фотоэлемент

Осциллограф включен последовательно с фотоэлементом и на входном сопротивлении (R=1,0 МОм) фототок создает падение напряжения, величина которого измеряется по вертикальному смещению луча на экране. Вход осциллографа при этом должен быть открыт по постоянному току, т.е. переключатель «Вход» должен стоять в «» положении. Питание фотоэлемента осуществляется от блока питания, к выходу которого подключена панель – регулятор анодного напряжения, позволяющий более плавно изменять напряжение. Величина этого напряжения контролируется цифровым вольтметром.

Внимание! Фотоэлемент не двигать. Щель выходную не менять

Подготовка установки к работе

1. Собрать схему согласно монтажной схеме, приведенной на рис. 6.

9

Рис.6. Монтажная схема установки А

2.Закрыть затвор на коллиматоре монохроматора.

3.Подать напряжение на лампу, освещающую монохроматор с блока питания.

4.Установить ширину входной щели ~ 2 мм.

5.Включить осциллограф. Предварительно установите чувствительность осциллографа 1mV/см, множитель усиления в «×10». Сместите линию развертки на нижнюю горизонталь шкалы с помощью ручки «↕» осциллографа.

6.Включить на панели в схеме – «Прямое включение» фотоэлемента.

7.Установите на барабане монохроматора деление, соответствующее области максимальной чувствительности данного фотоэлемента (~540 нм, см. градуировочный график).

8.Подать напряжение на фотоэлемент с источника = 15 В.

9.Открыть затвор коллиматора на монохроматоре. При этом линия развертки уйдет вверх на 6 см (максимальный размер экрана). Если этого не произошло, подкорректируйте смещение луча входной щелью и перемещением барабана монохроматора влево или вправо от деления, соответствующего 540 нм.

10.Закрыть затвор, при этом луч должен сместиться на нижнюю горизонталь (0 см).

11.Напряжение на фотоэлементе уменьшить до 0.

10