МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра физики Самсонова Н.П., Михеева О.Б. ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОЭФФЕКТА МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ ПО КУРСУ «ФИЗИКА» для студентов по направлению140104.62 “Промышленная теплоэнергетика” и профилю подготовки “Промышленная теплоэнергетика” очной формы обучения Тюмень, 2011

УДК 531

С-17

Самсонова Н.П., Михеева О.Б. Исследование фотоэффекта: методические указания к лабораторной работе по курсу «Физика» для студентов направления 140100.62 “Теплоэнергетика и теплотехника” очной формы обучения. - Тюмень: РИО ГОУ ВПО ТюмГАСУ, 2011. – 15 с.

Методические указания разработаны на основании рабочей программы ГОУ ВПО ТюмГАСУ дисциплины «Физика» для студентов направления 140100.62 «Теплоэнергетика и теплотехника» по профилю «Промышленная теплоэнергетика» очной формы обучения и предназначены для выполнения лабораторной работы по разделу «Квантовая оптика». Указания содержат методику измерений, математической обработки и оформления таблиц и графиков результатов измерений. Настоящие методические указания нацелены на приобретение студентами следующих компетенций: ОК-1 – способность к обобщению, анализу, восприятию информации; ОК-11 –владение основными методами, способами и средствами получения, хранения, переработки информации; ПК-1 – использование основных законов естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности; ПК -2 - привлечение физико-математического аппарата; ПК -18 – способность к проведению экспериментов по заданной методике и анализу результатов.

Рецензент: Третьяков П.Ю.

Тираж 50 экз.

© ГОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурно-строительный университет»

© Самсонова Н.П., Михеева О.Б.

Редакционно-издательский отдел ГОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурно-строительный университет »

Содержание

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4

1. Теоретическая часть . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2. Экспериментальная часть . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3. Порядок выполнения работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

4. Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

Библиографический список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

Введение

Методические указания разработаны на основании рабочей программы ГОУ ВПО ТюмГАСУ дисциплины «Физика» для студентов направления140100.62 «Теплоэнергетика и теплотехника» по профилю «Промышленная теплоэнергетика» очной формы обучения. Указания содержат методику выполнения лабораторной работы и математическую обработку результатов измерений по разделу «Квантовая оптика».

Настоящие методические указания нацелены на приобретение студентами следующих компетенций: ОК-1 – способность к обобщению, анализу, восприятию информации, постановке цели и выбору путей её достижения; ОК-11 –владение основными методами, способами и средствами получения, хранения, переработки информации, использования компьютера как средства работы с информацией; ПК-1 – использование основных законов естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применения методов математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования; ПК -2 – способность выявлять естественнонаучную сущность проблем, привлечения для их решения соответствующего физико-математического аппарата; ПК -18 – способность к проведению экспериментов по заданной методике и анализу результатов.

Цель данной работы - исследовать вольт-амперные характеристики фотодиода для различных световых потоков; изучить законы фотоэффекта; проверить фотометрический закон обратных квадратов.

Оборудованием является схема-установка для исследования фотоэффекта.

1 Теоретическая часть

Среди разнообразных явлений, в которых проявляется воздействие света на вещество, важное место занимает фотоэлектрический эффект (фотоэффект), т.е. испускание электронов веществом под действием света.

На основе фотоэффекта создано множество приёмников излучения, преобразующих световой сигнал в электрический и объединенных общим названием – фотоэлементы. Они находят широкое применение в технике и в научных исследованиях. Самые разные объективные оптические измерения немыслимы без применения фотоэлементов. Современная фотометрия, спектрометрия, спектральный анализ вещества, измерение слабых световых потоков в астрофизике, биологии и т.д., регистрация инфракрасных спектров, контроль и управление производственными процессами, разнообразные системы связи передачи ( в телевидении, космической технике) представляют собой не полный перечень областей применения фотоэлементов.

В 1888-1889 г.г А.Г.Столетов установил следующие закономерности:

1. Испускаемые под действием света заряды имеют отрицательный знак (позже определили, что эти частицы – электроны).

2. Наибольшее действие оказывают ультрафиолетовые лучи.

3. Величина испущенного телом заряда пропорциональна поглощенной им световой энергии.

Для исследования вольт-амперной характеристики фотоэффекта применяется диодная лампа. Свет через кварцевое окошко освещает катод. Электроны, испущенные вследствие фотоэффекта, перемещаются под действием электрического поля к аноду. В результате в цепи возникает фототок. Напряжение между катодом и анодом можно изменять с помощью потенциометра. Существенное усовершенствование методики исследования фотоэффекта позволило применить метод сферического конденсатора. Анодом служат посеребрённые стенки стеклянного сферического баллона, в центре которого размещается катод в виде шарика.

На рисунке 1 изображена зависимость фототока i от напряжения между электродами U при неизменном световом потоке Ф.

Из этой кривой видно, что при некотором напряжении фототок достигает насыщения – все электроны, испущенные катодом, попадают на анод. Сила тока насыщения i_н определяется количеством электронов, испускаемых катодом в единицу времени под действием света.

При U = 0 фототок не исчезает, т.к. электроны покидают катод со скоростью, отличной от нуля. Чтобы ток стал равным нулю, нужно приложить задерживающее напряжение U_З. При таком напряжении ни одному из электронов, даже обладающему при вылете из катода наибольшим значением скорость vmax , не удаётся преодолеть задерживающее поле и достигнуть анода.

Рисунок 1 – Вольт - амперная характеристика фотоэффекта

Из закона сохранения и превращения энергии можно записать :

X

, (1)

где m – масса электрона, кг;

e – заряд электрона, Кл.

При неизменном спектральном составе падающего на катод света сила тока насыщения пропорциональна световому потоку Ф. Это первый закон Столетова.

Опытным путем было установлено, что U_З изменяется с частотой ν по линейному закону (рисунок 2).

Учитывая формулу (1) и зависимость , можно сформулировать второй закон фотоэффекта: максимальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности света и определяется только его частотой, т.е. . Из чего следует третий закон: для каждой поверхности существует минимальная частота (так называемая «красная граница » фотоэффекта), при которой еще возможен фотоэффект.

Рисунок 2 – Зависимость U_З от v

Эйнштейн (1905 г ) показал, что все закономерности фотоэффекта легко объясняются, если предположить, что свет поглощается такими же порциями

(квантами), какими по предположению Планка, испускается. По Эйнштейну энергия _, полученная электроном, усваивается им целиком. Часть этой энергии, равной работе выхода электрона , затрачивается на то, чтобы электрон покинул тело. Остаток энергии представляет собой максимальную кинетическую энергию поверхностного электрона. Т.е. по закону сохранения энергии следует формула Эйнштейна для фотоэффекта:

(2)

Учитывая (1), получим другой вид формулы Эйнштейна:

(3)

Теория Эйнштейна объясняет все законы фотоэффекта.

I закон фотоэффекта: каждый квант поглощается только одним электроном. Поэтому число вырванных фотоэлектронов должно быть пропорционально интенсивности.

Из формулы (2) следует, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения и не зависит от его интенсивности (числа фотонов) – II закон фотоэффекта.

Т.к. с уменьшением частоты света кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается (для данного вещества

), то при некоторой достаточно малой частоте кинетическая энергия фотоэлектронов станет равной нулю и фотоэффект прекратится (III закон фотоэффекта), т.е.

(4)

Это и есть «красная граница» фотоэффекта для данного металла.

Из фотометрии известно, что световой поток Ф, падающий на площадку S, пропорционален освещенности Е, т.е.

(5)

Освещённость в свою очередь от точечного изотропного источника с силой света I равна

, (6)

где l – расстояние от источника до площадки, см;

α – угол направления распространения света (если площадка достаточно мала и перпендикулярна направлению света, тоX

).

Учитывая (5) и (6), получим:

(7)

Т.к.

, то

(8)

Последнее выражение представляет собой закон обратных квадратов.

Т.к. из I закона фотоэффекта

(9)

То из соотношения (8) следует, что:

(10)

Отношение фототока i к световому потоку Ф, падающему на фотоэлемент, называют чувствительностью фотоэлемента:

(11)

Чувствительность фотоэлемента зависит от анодного напряжения и спектрального состава света. За единицу измерения принимают микроампер на люмен (X

).