Приборы и оборудование

Установка состоит из объекта исследования (ОИ) и устройства измерительного (УИ), соединяемых между собой кабелем.

Схема установки приведена на рис. 2.

Рис.2

ОИ конструктивно выполнен в виде цилиндра, установленного с помощью стойки на штативе. В нем размещены: кристалл сцинтиллятора, фотоэлектронный умножитель с цепями питания и устройство сопряжения. На верхний торец цилиндра установлен держатель для источника γ-излучения, а из нижней части корпуса выведен кабель с двумя разъемами для подключения объекта исследования к устройству измерительному (один - для подключения к высоковольтному источнику питания фотоэлектронного умножителя, второй - для передачи выходного сигнала с объекта исследования к устройству измерительному и напряжения питания для устройства сопряжения объекта исследования).

Гамма-излучение (фоновое или фоновое плюс от источника), воздействуя на сцинтиллятор, вызывает в его кристалле световые импульсы, пропорциональные энергии γ квантов, которые усиливаются ФЭУ и устройством сопряжения. В результате этого, на выходе объекта исследования получаются импульсы напряжения, амплитуда которых пропорциональна энергии воздействующих на сцинтиллятор γ-квантов. Эти импульсы поступают на вход устройства измерительного для дальнейшей обработки

УИ содержит устройство сопряжения, высоковольтный преобразователь, цифровой вольтметр и источники питания.

Устройство сопряжения предназначено для обработки импульсов, поступающих с объекта исследования (дополнительное усиление и преобразование значения амплитуды в цифровую форму), передачи полученной информации в ПЭВМ и организации связи с последней.

На передней панели устройства измерительного размещены следующие органы управления и индикации:

- ручка НАПРЯЖЕНИЕ (2) - предназначена для установки и регулировки высокого напряжения питания ФЭУ объекта исследования.

- индикатор кВ (1) - предназначен для индикации значения величины высокого напряжения питания ФЭУ объекта исследования.

На задней панели устройства измерительного расположены выключатель СЕТЬ, клемма заземления, держатели предохранителей (закрыты предохранительной скобой), сетевой шнур с вилкой, разъемы для подключения объекта исследования и кабель с разъемом для подключения устройства измерительного к ПЭВМ.

Лабораторная работа №12 изучение явления внешнего фотоэффекта

Цель работы: изучить законы внешнего фотоэффекта, определить постоянную Планка.

Содержание работы

Гипотеза Планка получила подтверждение при объяснении явления фотоэлектрического эффекта. Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Фотоэффект был обнаружен в 1887 году г. Герцем, позднее детально исследован А. Г. Столетовым, схема опыта которого приведена на рис.1.

Рис.1

В вакуумной трубке с помощью потенциометра R можно менять величину напряжения между катодом К и анодом А и его знак. Облучая катод светом разных длин волн, Столетов установил следующие основные закономерности фотоэффекта:

1. Сила тока, возникающего под действием света, прямо пропорциональна его интенсивности.

2. Для каждого вещества существует “красная граница” фотоэффекта, то есть минимальная частота ₀, ниже которой фотоэффект не происходит.

3. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света и линейно возрастает с частотой излучения.

В

Напр. К-А U

1905 году для объяснения явления фотоэффекта А. Эйнштейн выдвинул квантовую теорию фотоэффекта, согласно которой свет испускается, распространяется в пространстве и поглощается в веществе порциями – квантами (фотонами), энергия которых

 = h, (1)

При этом каждый квант поглощается только одним электроном. Отсюда следует первый закон фотоэффекта. Энергия падающего фотона идет на совершение им работы выхода А из металла и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии:

h = А + mv_max²/2, (2)

это уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта, из которого непосредственно следует вывод второго и третьего законов фотоэффекта. Так, максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с ростом частоты падающего света (третий закон). А с уменьшением частоты света кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается до нуля, при этом

h₀ = А, (3)

следовательно,

₀=А/h (3а)

– красная граница фотоэффекта для данного материала.

Эксперимент, представленный на рис.1, позволяет получить вольт-амперную характеристику фотоэффекта – зависимость фототока i от разности потенциалов между катодом и анодом U (рис.2)

Рис.2.

С ростом U фототок i постепенно возрастает, т.е. все большее число фотоэлектронов достигает анода, и достигает насыщения i_нас. При U=0 фототок не исчезает, то есть электроны, выбитые из катода, обладают некоторой начальной скоростью v, позволяющей им достигнуть анода без внешнего поля. Для того чтобы фототок стал равным нулю, необходимо приложить задерживающее напряжение U_0, измерив которое, можно определить максимальное значение скорости и кинетической энергии фотоэлектронов:

mv_max²/2 = qU_0, (4)

Электроны в твердом теле можно считать находящимися в некоторой потенциальной яме на глубине U (рис. 3).

Согласно квантовой теории металлов свободные электроны в потенциальной яме заполняют дискретный ряд уровней энергии.

При низких температурах (Т → 0) заполненными оказываются все нижние уровни, вплоть до уровня E_f, называемого уровнем Ферми. Для выхода электронов за пределы металла с уровня Ферми следует сообщить ему дополнительную энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера.

Рис. 3

Минимальная дополнительная энергия, достаточную для преодоления потенциального барьера с уровня Ферми, называется работой выхода А. Величина А зависит от свойств кристаллической решетки твердого тела и состояния поверхности металла.