Физика 4 семестр / Opisania_labotatornykh_rabot_po_fizike / Описание работы №53

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

________________________

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

КАФЕДРА ОБЩЕЙ ФИЗИКИ И ЯДЕРНОГО СИНТЕЗА

А.Н. Седов

Лабораторная работа №53

ИЗУЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА

Методическое пособие

Лаборатоная работа №53

ИЗУЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА

Цель работы – экспериментальная проверка уравнения Эйнштейна для внешнего фотоэффекта; определение постоянной Планка и работы выхода фотокатода методом задерживающего потенциала.

1. Теоретические основы работы

Внешним фотоэлектрическим эффектом называется испускание электронов веществом под действием света. Закономерности фотоэффекта изучаются на установке, принципиальная схема которой приведена на рис. 1. Установка состоит из вакуумного диода с фотокатодом (фотоэлемента), источника питания и измерительных приборов. В стеклянной колбе фотоэлемента имеется окно, изготовленное из кварцевого стекла, через которое освещается фотокатод.

Рис. 1 Схема установки для исследования фотоэффекта

Электроны, испущенные вследствие фотоэффекта с катода К, под действием ускоряющего электрического поля движутся к аноду А. В результате в цепи фотоэлемента возникает электрический ток (фототок), измеряемый гальванометром G. Напряжение между анодом и катодом, измеряемое вольтметром V, можно изменять с помощью потенциометра П. Данная установка позволяет измерить зависимость силы фототока от напряжения между анодом и катодом, которая называется вольтамперной характеристикой фотоэлемента. Типичная вольтамперная характеристика фотоэлемента приведена на рис. 2.

I

Iн

Рис. 2 Вольтамперная характеристика фотодиода

Характерными величинами на вольтамперной характеристике являются сила тока насыщения Iн (максимальное значение силы фототока, достигаемое при некотором значении напряжения между анодом и катодом фотоэлемента, и не изменяющееся при дальнейшем росте напряжения) и задерживающее напряжение UЗ – отрицательное напряжение, при котором сила фототока становится равной нулю.

Исследование зависимости силы тока насыщения и задерживающего напряжения от освещенности фотокатода и спектрального состава излучения позволяет установить

2

закономерности фотоэффекта. Для этого снимается два семейства вольтамперных характеристик – при фиксированной освещенности фотокатода и различном спектральном составе излучения (при различных длинах волн); при постоянном спектральном составе излучения и различных значения освещенности фотокатода.

Анализ семейства вольтамперных характеристик позволяет установить закономерности фотоэффекта.

1.Для данного спектрального состава излучения сила фототока насыщения прямо пропорциональна освещенности фотокатода.

2.Задерживающее напряжение прямо пропорционально частоте излучения и не зависит от освещенности фотокатода.

3.Для каждого материала фотокатода существует свое минимальное значение частоты или максимальное значение длины волны света, освещающего фотокатод, при которых еще возможен фотоэффект. Эти значения частоты или длины волны называются красной

границей фотоэффекта – ωкр и λкр. При меньших значения частоты или при больших значениях длины волны фототок не возникает.

Теоретическое объяснение закономерностей фотоэффекта было дано Альбертом Эйнштейном, который предположил, что свет поглощается такими же порциями (квантами), какими он, по гипотезе Планка, испускается. Так появилось представление о свете как потоке частиц – фотонов, с энергией ω ( = 1, 055 ×10−34 Дж×с – постоянная

Планка).

С этих позиций фотоэффект рассматривается как поглощение фотонов веществом, сопровождающееся испусканием электронов. Электроны вещества (электроны проводимости) поглощая фотон приобретают энергию, равную ω . Часть этой энергии затрачивается на совершение работы выхода А. Остаток энергии представляет собой кинетическую энергию Eк свободного электрона, покинувшего вещество. До того как электрон покинет вещество, он может потерять часть энергии вследствие случайных столкновений. Если этими потерями пренебречь, то кинетическая энергия свободного электрона будет максимальной. Исходя из этих соображений можно записать закон сохранения энергии для электрона, получившего энергию фотона

2

который называется уравнением Эйнштейна для фотоэффекта.

При отрицательном напряжении между анодом и катодом фотоэлемента фотоэлектроны движутся в тормозящем поле. Преодолеть тормозящее поле и достичь анода могут только электроны, имеющие достаточную кинетическую энергию. Отсюда следует, что задерживающее напряжение связано с максимальной кинетической энергией фотоэлектронов:

Для экспериментального анализа закономерностей фотоэффекта уравнение Эйнштейна

Красная граница фотоэффекта равна частоте света, освещающего фотокатод, при которой кинетическая энергия фотоэлектронов и, следовательно, задерживающее напряжение равны нулю.

Из формулы Эйнштейна следует, что значение частоты, соответствующей красной границе фотоэффекта, определяется работой выхода материала фотокатода:

3

В лабораторной работе производится экспериментальная проверка уравнения Эйнштейна для внешнего фотоэффекта, определяются значения задерживающего напряжения для пяти длин волн света и строится график зависимости максимальной кинетической энергии электронов от циклической частоты излучения, освещающего фотокатод (рис. 3).

|еUз|

Рис. 3 Зависимость максимальной кинетической энергии электронов от частоты

Соответствие этого графика функциональной зависимости (3) дает основание говорить о справедливости уравнения Эйнштейна, а коэффициенты уравнения прямой, описывающей эту зависимость, найденные с помощью аналитической или графической аппроксимации, позволяют определить постоянную Планка и работу выхода материала фотокатода.

2. Описание экспериментальной установки

Схематическое изображение экспериментальной установки для исследования фотоэффекта приведено на рис. 4.

1 2 6 5 3

7

8

0.000

0.000

4

Рис 4. Экспериментальная установка

Фотоэлемент 1Р39, используемый в установке, представляет собой вакуумный диод с катодом в виде диска, на который напылен цезий, и анодом кольцевой формы. Освещение

4

катода производится со стороны анода через патрубок 1, непрозрачного корпуса, в котоый помещен фотоэлемент. На патрубок надеваются или заглушка или светодиод в корпусе 2. Яркий свет сокращает срок службы фотокатода, поэтому фотоэлемент должен быть всегда закрыт непрозрачным кожухом. На корпусах заглушки и светодиодов сверху и снизу имеются фиксаторы, которые нужно сжать, чтобы снять с патрубка заглушку или корпус светодиода. В комплекте установки имеется набор из пяти светодиодов, излучающих свет различных длин волн (472 нм, 505 нм, 525 нм, 588 нм и 611 нм). При выполнении измерений с патрубка снимается заглушка и надевается соответствующий светодиод. Кабель электропитания светодиода подключается к разъему 3. Интенсивность излучения светодиода изменяется с помощью ручки 4. На на фотоэлемент подается постоянное напряжение таким образом (“ минус” к аноду и “ плюс” к катоду), чтобы для электронов электрическое поле было тормозящим. Величину напряжения с помощью двойного потенциометра можно изменять грубо ручкой 5 и точно – ручкой 6. Напряжение между катодом и анодом измеряется вольтметром 7, а сила тока в цепи фотоэлемента – наноамперметром 8.

3.Порядок выполнения работы

1.Заполните табл. 1 спецификации измеритиельных приборов и запишите данные установки.

Таблица 1

Спецификация измерительных приборов

2. Измерьте зависимость силы фототока от напряжения между катодом и анодом фотоэлемента для пяти светодиодов для чего:

–сажав фиксаторы патрубка, снимите с него заглушку. Наденьте корпус светодиода 472 нм полностью на патрубок, пока фиксаторы не встанут на место. Подключите трансформатор установки к источнику питания 220 В.

–регулятором 4 установите яркость света 75%. Подключите кабель светодиода к разъему электропитания;

− установите ручку 6 точной регулировки напряжения в среднее положение;

–выждав 2 – 3 минуты установите силу тока фотоэлемента примерно на ноль при помощи ручки 5 грубой регулировки напряжения;

–с помощью ручки 6 точной регулировки установите значение силы тока, равное нулю (по крайней мере, с точностью до 1 – 2 единиц последнего разряда наноамперметра). Измерьте и запишите в табл. 2 значение задерживающегонапряжения Uз;

–повторите измерения для остальны четырех светодиодов.

Таблица 2

Зависимость задерживающего напряжения от длины волны излучения

5

4.Обработка результатов измерений

1.Переведите длины волн излучения светодиодов в циклическую частоту, а задерживающее напряжение в кинетическую энергию электронов. Результаты запишите в табл. 2.

2.Постройте график зависимости максимальной кинетической энергии фотоэлектронов (модуль произведения заряда электрона на задерживающее напряжение

|eUз|) от циклической частоты ω. Проведите аналитическую или графическую аппроксимацию экспериментальной зависимости прямой линией согласно уравнению (3). По коэффициентам уравнения прямой определите постоянную Планка и работу выхода цезия.

5. Определите абсолютные погрешности постоянной Планка и работы выхода. Запишите результаты измерений в стандартном виде.

5.Контрольные вопросы

1.В чем заключается явление внешнего фотоэффекта?

2.Сформулируйте основные закономерности фотоэффекта.

3.Что называется красной границей фотоэффекта?

3.Напишите и сформулируйте уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

4.Что называется работой выхода?

5.Почему в уравнение Эйнштейна входит максимальное значение кинетической энергии фотоэлектронов?

6.Какая характеристика материала фотокатода определяет значение красной границы фотоэффекта?

7.Нарисуйте вольтамперные характеристики фотоэлемента для различных длин волн.

6