ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ЭЛЕКТРОСТАЛЬСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (филиал) Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

Лабораторный журнал

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 73:

Определение работы выхода электронов из металла

	Дата	Роспись
Допуск
Выполнение
Защита

Студент______________________________

Группа_______________________________

Преподаватель________________________

Электросталь 20___ г.

1. Цель работы.

Определение работы выхода электронов из материала фотокатода вакуумного фотоэлемента. Экспериментально подтверждение существования красной границы фотоэффекта.

2. Теоретическое введение.

Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием света. Он наблюдается в твердых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриках). Установлены три закона внешнего фотоэффекта:

1. При фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых с поверхности тела в единицу времени, пропорционально интенсивности света.

1. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой , а именно линейно возрастает с увеличением частоты.

2. Для каждого вещества существует «красная граница» фотоэффекта, т.е. минимальная частота света (зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности), при которой свет любой интенсивности фотоэффекта не вызывает.

Явление фотоэффекта и его закономерности могут быть объяснены на основе предложенной Эйнштейном квантовой теории фотоэффекта. Согласно гипотезе Эйнштейна, свет не только испускается, но и распространяется в пространстве и поглощается веществом отдельными порциями (квантами), энергия которых , где – постоянная Планка.

Эти кванты света получили название фотонов. По Эйнштейну, каждый квант поглощается только одним электроном. Поэтому число вырванных фотоэлектронов должно быть пропорционально интенсивности света (I закон фотоэффекта). Энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы выхода A из металла и на сообщение вылетевшему электрону кинетической энергии. По закону сохранения энергии:

Это уравнение называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Оно позволяет объяснить ΙΙ и III законы фотоэффекта. Так, из уравнения Эйнштейна следует, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения и не зависит от его интенсивности, так как ни А, ни от интенсивности света не зависят (ΙΙ закон фотоэффекта). Поскольку с увеличением частоты света кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается (А = const для данного металла), то при некоторой частоте кинетическая энергия фотоэлектронов станет равна нулю и фотоэффект прекратится (ΙΙΙ закон фотоэффекта). Согласно изложенному, красная граница фотоэффекта для данного вещества:

3. Описание установки.

Блок-схема данной установки для изучения фотоэффекта представлена на рис. 73.1.

Рисунок 73.1. Блок-схема лабораторной установки.

Источником света служит лампа накаливания 4, питаемая от блока питания 5. свет лампы с помощью конденсора 3 направляется на щель коллиматора, через которую попадает в монохроматор 2. монохроматор выделяет монохроматический участок спектра излучения лампы. Монохроматический свет попадает на вакуумный фотоэлемент 1 и вызывает фотоэффект в металле, которым покрыт катод фотоэлемента. Фототок регистрируется микроамперметром (А). Напряжение на фотоэлемент подается от выпрямителя 6.

Внешний вид монохроматора УМ-2 показан на рис. 73.2.

Рис. 73.2. Общий вид монохроматора (а) и блока питания (б).

Вращением барабана 5, на котором нанесены относительные деления - градусы, можно получить на выходе монохроматора необходимый участок спектра. Барабан 3 служит для установки ширины щели коллиматора (рекомендуется установить ширину щели 4 мм). Затвор 4 при работе монохроматора должен быть открыт. Объектив коллиматора фокусируется маховиком 2 (рекомендуется установить указатель шкалы 1 на деление «10»). Тумблеры 6 и 7 на блоке питания служат для включения сети и лампы накаливания.