ФГОУ ВПО «КАЛИНИНГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

КАФЕДРА ФИЗИКИ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 302

ИЗУЧЕНИЕ ВНЕШНЕГО

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА

Методическое указание к выполнению лабораторной работы по курсу общей физики для студентов инженерно-технических специальностей

Калининград

2007

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

1. ВВЕДЕНИЕ 3

2. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ. ВНУТРЕННИЙ И ВНЕШНИЙ

ФОТОЭФФЕКТ 4

3. ОПЫТЫ СТОЛЕТОВА. ЗАКОНЫ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА 7

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 11

4.1. Описание экспериментальной установки 11

4.2. Инструкция для выполнения прямых измерений 13

4.3. Обработка результатов 16

4.3.1. Построение вольтамперной характеристики 16

4.3.2. Определение максимальной скорости электронов, вылетающих

из катода фотоэлемента, и работы выхода фотоэффекта 16

5. ВОПРОСЫ ДЛЯ ПРОВЕРКИ 17

6. ЛИТЕРАТУРА 17

7. ПРИЛОЖЕНИЕ

Экспериментальные основания третьего закона внешнего

фотоэффекта 18

Цель работы: 1) Ознакомление с фотоэлектрическими явлениями.

2) Ознакомление с законами внешнего фотоэффекта.

3) Экспериментальное исследование вольтамперной характеристики вакуумного фотоэлемента.

4) Измерение максимальной скорости и кинетической энергии электронов, вылетающих из фотокатода при фиксированной величине квантов энергии фотонов.

Оборудование: 1) Блок электропитания и измерения.

2) Блок фотоэлемента.

3) Стабилизатор напряжения.

1. Введение

1.1. Физические исследования показали, что материальные объекты (тела в твёрдом, жидком и газообразном состояниях) излучают в пространство энергию, носителями которой являются элементарные частицы – фотоны.

Термин «фотон» был введён в научную терминологию в 1929 г. Г.Н.Льюисом – специалистом в области физической химии. Такое название (так же как и ряд других: фотоэффект, фотометр, фотоприемник, фотопластинка, спектрофотометр и пр.) происходит от греческого photos, аналогом которому в древнеславянском языке было слово светение. В современном русском языке это слова пишется короче: свет и обозначает лучистую, т.е. излучаемую энергию.

Примечание: термин «свет» используется также в переносном смысле – в разговорной речи, в поэзии и т.д.

1.2. Структурные элементы вещества – атомы, молекулы, комплексы молекул и атомов и др. – обладают характерной особенностью, а именно, все они являются примерами осцилляторов, в которых происходит периодическое изменение энергии, сопровождаемое таким же периодическим процессом её излучения. При этом спектр частот таких периодических процессов излучения энергии у каждого осциллятора оказывается дискретным (прерывистым). В частности, каждый элемент периодической таблицы Д.И.Менделеева обладает индивидуальным дискретным спектром излучения, регистрируя который с помощью приборов (спектрометров), можно определить атомный состав вещества.

Согласно формуле М.Планка, энергия на каждой частоте осциллятора излучается дискретными порциями:

,

где h = 6,626  10^-34 Джс – постоянная Планка,  – частота периодического процесса в осцилляторе источника света. Эти порции, названные квантами энергии, уносят фотоны. Очевидно, для того, чтобы излучение было стационарным, излучающему телу необходимо передавать такое же количество энергии, которое уносит свет. Способ подвода энергии зависит от типа источника света.

1.3. Излучаемая энергия переносится фотонами в пространстве с огромной скоростью, называемой скоростью света и равной c = 3  10⁸ м/с.

Встречаясь с вещественными объектами, фотоны взаимодействуют с частицами – структурными элементами вещества и, в зависимости от состава, размеров, формы и ряда иных параметров тел, происходят разнообразные явления, называемые, в общем, световыми явлениями. Некоторые из них, например, отражение света от поверхности тел, рассеяние и прохождение света сквозь вещество имеют удовлетворительное математическое описание на основе теоретической модели электромагнитных волн как бы распространяющихся от источника – осциллятора.

Однако существует класс явлений, связанных с поглощением и преобразованием энергии фотонов, описание которых требует учёта именно корпускулярной структуры излучаемой энергии. К таким явлениям относятся нагревание тел внешним излучением, фотохимическое действие света, в том числе и на биологические процессы (например, фотосинтез), фотолюминесценция, фотоэлектрические явления, а также ряд других явлений в области высоких энергий фотонов (например, эффект Комптона).