Контрольные вопросы:

1. В чём состоит физический смысл абсолютного и относительного показателей преломления?

2. Почему объект кажется ближе при рассмотрении его через плоскопараллельную пластинку?

3. Чем обеспечивается в микроскопе при экспериментальных наблюдениях малость углов?

4. Почему окуляр микроскопа должен иметь большое увеличение?

Литература.

1. Ландсберг Г.С. Оптика. – М.: Наука, 1976, с. 272 –280.

2. Поль Р.В. Оптика и атомная физика. – М.: Наука, 1966, с.21–31.

Лабораторная работа№10

Изучение законов внешнего фотоэффекта.

Цель: опытным путем проверить законы Столетова и Эйнштейна, определить «красную» границу фотоэффекта, изучить зависимости фототока от интенсивности излучения, приложенного напряжения и от способа освещения фотоэлемента.

Приборы и принадлежности: установка для проведения измерений, нейтральные и цветные светофильтры, фоторезисторы, вакуумный фотоэлемент.

Описание установки:

10

9

8

2

6

4

1

Рис.1 Схематический рисунок установки

1 – кнопка включения прибора;

2, 4, 6 – цифровое табло, инициирующее силу тока лампы накаливания,

напряжение на фотоприемнике и силу тока фотоприемника соответственно;

3, 5 – ручка регулирования напряжения на лампе накаливания и фотоприемнике соответственно;

7 – кнопка переключения интервалов силы тока;

8 – лампа накаливания;

9 – кассета для светофильтров;

10 – разъем для подключения фотоприемников.

Элементы теории.

Внешним фотоэффектом называется испускание поверхностью тела электронов во внешнее пространство под действием падающего на эту поверхность излучения.

Для изучения фотоэффекта используется вакуумный фотоэлемент F(рис.2).

I

I нас. ---------

К

А

F

мА

U_з0U

Рис.2 Рис.3

Этот фотоэлемент включается в цепь источника электрического напряжения. Излучение через прозрачную часть (окно) баллона попадает на катод (К). Испущенные катодом фотоэлектроны под действием электрического поля перемещаются к аноду (А), обеспечивая ток в цепи.

Вольт-амперная характеристика фотоэлемента (рис.3) отражает зависимость силы фототока I от напряжения U при постоянном световом потоке, падающем на катод. При напряжении U = 0 сила тока . Это означает, что даже при отсутствии напряжения часть испущенных катодом электроном достигает анода. Для того чтобы сила фототока стала равной нулю, необходимо на электроды подать задерживающее напряжениеU_з. Увеличение ускоряющего напряжения приводит к возрастанию фототока, а затем к его насыщению. При насыщении практически все электроны, испущенные катодом, попадают на анод.

Внешний фотоэффект характеризуется тремя законами.

1. Сила фототока насыщения, а, следовательно, и количество фотоэлектронов, вылетающих в единицу времени с единицы поверхности фотокатода, прямо пропорциональны интенсивности падающего излучения, если его спектральный состав остается неизменным (закон Столетова).

2. Скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего излучения.

3. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты монохроматического излучения, вызывающего фотоэффект.

Уравнение Эйнштейна, выражающее закон сохранения и превращения энергии при фотоэффекте, имеет вид

(1)

где энергия кванта падающего на фотокатод излучения частоты;

h- постоянная Планка; А- работа выхода электрона из материала фотокатода; E_max- максимальная кинетическая энергия вылетевшего электрона.

Электроны в металле обладают разными энергиями – они располагаются на разных энергетических уровнях. Поэтому даже при монохроматическом облучении катода энергия разных фотоэлектронов неодинакова. Работа выхода А характеризует энергию, необходимую для выхода электрона с верхнего заполненного энергетического уровня. Для выхода электрона с ниже расположенных энергетических уровней необходима энергия, большая чем работа выхода А. Кроме того, часть фотоэлектронов теряет энергию при движении из глубины катода к его поверхности. В уравнении (1) под E_max надо понимать кинетическую энергию наиболее быстрых фотоэлектронов.

Из уравнения Эйнштейна следует, что для каждого металла должна существовать некоторая минимальная частота излучения, при которой еще возможен фотоэффект. Это частота, получившая название красной границы фотоэффекта, определяется из (1) при условииE_max = 0 :

(2)

Энергию E_max фотоэлектронов можно определить методом задерживающего напряжения. Если на фотоэлемент подать некоторое отрицательное напряжение U, то фотоэлектроны будут тормозиться и электрода А(рис.2) смогут достичь только те электроны, энергия которых ,гдее- заряд электрона. Поэтому анодный ток в цепи уменьшится. При некотором значении задерживающего напряжения U_з даже самые быстрые фотоэлектроны не смогут достичь электрода А(рис.2) и анодный ток в цепи прекратится. По закону сохранения энергии

, (3)