Отчёт_6.5

Федеральное агентство связи

СибГУТИ

Кафедра физики

Лабораторная работа № 6.5

«ИЗУЧЕНИЕ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА»

Выполнил: студент гр. ИС-74*

Некто Н.Н.

Преподаватель:

Лубский В. В.

Выполнение: _______________ ________________

дата подпись

Защита: _______________ ________________

оценка дата подпись

Новосибирск 2018 г.

1) Цель работы

1. Изучить зависимость фототока от приложенного напряжения.

2. Изучить зависимость задерживающего потенциала от частоты падающего света.

3. Определить постоянную Планка.

2) Краткая теория

Внешним фотоэлектрическим эффектом называется явление испускания

(эмиссии) электронов телами под действием света. В данной работе изучается

фотоэффект с поверхности металлов.

Фотоэффект с поверхности металлов объясняется взаимодействием фотонов с валентными электронами металла. Валентные электроны в металлах являются "свободными", в том смысле, что они не связаны с отдельными атомами, хотя они остаются связанными с кристаллической решеткой в целом. Благодаря этому валентные электроны в металлах могут легко перемещаться по всему объему металла. Для того чтобы "свободный" электрон мог покинуть металл и выйти в окружающее пространство, ему необходимо сообщить энергию, равную энергии связи электрона с кристаллической решеткой. Эту энергию называют работой выхода A. Работа выхода зависит от материала, состояния его поверхности и многих других факторов.

При взаимодействии фотона со "свободным" электроном металла фотон отдаёт свою энергию ћω "свободному" электрону металла и прекращает свое существование. Если ћω ≥ A, то возможен выход электрона за пределы металла, и, в этом случае, наблюдается фотоэффект. В этой формуле ћ – постоянна я Планка, а ω – циклическая частота. Таким образом, фотоэффект возможен только в том случае, когда частота падающего света превышает некоторое критическое значение:

называемое красной границей фотоэффекта.

В соответствии с законом сохранения энергии, при фотоэффекте часть A энергии ћω, полученной от фотона, фотоэлектрон затратит на выход из металла, а остаток ћω – A сохранит в виде кинетической энергии. При выходе фотоэлектронов из металла возможны, помимо затрат на работу выхода, и другие побочные энергетические потери, например, на нагревание металла. Поэтому разные фотоэлектроны обладают различной кинетической энергией. Наибольшей кинетической энергией обладают электроны, не испытавшие побочных потерь энергии. Для таких фотоэлектронов уравнение сохранения энергии принимает вид:

Данное уравнение называется уравнением Эйнштейна для фоэффекта.

Явление фотоэффекта изучается обычно при помощи схемы, представленной

на рис.1:

рис. 1 – Принципиальная схема для изучения законов фотоэффекта

Исследуемый металл наносят на пластину (8), называемую катодом. Катод помещается в стеклянный или металлический баллон (5), в котором создан вакуум. В этот же баллон помещен металлический анод (6). Баллон имеет кварцевоеокно (7) для света. Баллон, с помещенными в него катодом и анодом, мы будем называть фотоэлементом. Фотоэлемент через гальванометр (4) при помощи потенциометра (2) подключаются к источнику питания (1). Напряжение между катодом и анодом фотоэлемента измеряется вольтметром (3), а силу тока в фотоэлементе – гальванометром (4). При помощи данного устройства можно построить зависимость тока, протекающего через фотоэлемент от приложенного к нему (фотоэлементу) напряжения, которую мы будем называть вольтамперной характеристикой (ВАХ) фотоэлемента.

При напряжениях анода U ≥ U_н ток через гальванометр не зависит от приложенного напряжения. Этот ток называется током насыщения. Явление насыщения обусловлено тем, что в режиме, при котором U ≥ U_н, в окрестности катода не существует электронного облака, все электроны, выбиваемые светом из катода, сразу же отводятся на анод. Согласно закону Столетова, ток насыщения фотоэлемента прямо пропорционален падающему на катод световому потоку.

Вольтамперная характеристика позволяет также определить величину

наибольшей кинетической энергии фотоэлектронов. Будем увеличивать величину тормозящего потенциала. Как только работа против сил тормозящего поля:

сравняется с наибольшей кинетической энергией выбиваемых светом фотоэлектронов:

фототок, регистрируемый гальванометром, прекратится. Потенциал анода, при котором фототок становится равным нулю, называется задерживающим – U_з.

и задерживающий потенциал однозначно характеризует наибольшую кинетическую энергию выбитых электронов. Подставляя (5) в уравнение Эйнштейна, получим:

т.е. задерживающий потенциал прямо пропорционален частоте падающего

света и не зависит от величины падающего светового потока.

Освещая фотокатод монохроматическим светом различных частот, и, измеряя соответствующие значения задерживающего потенциала, можно экспериментально изучить зависимость U_з от ω и убедиться в справедливости уравнения (6). Построенная прямая (6) позволяет определить постоянную Планка. Для этого возьмем на прямой две произвольные точки 1 и 2 и запишем уравнение (6) для этих точек:

3) Описание экспериментальной установки

Установка состоит из точечного источника света (1), вакуумного фотоэлемента (3), гальванометра (4), вольтметра (5), переключателя (6) источников ускоряющего (8) и тормозящего (10) напряжений, потенциометров (7) и (9) для регулирования напряжений.

Рисунок 2 – Схема установки

Устанавливая между источником света (1) и фотоэлементом (3) различные светофильтры (2), мы можем облучать катод фотоэлемента примерно монохроматическим светом различных частот. Включив в цепь фотоэлемента при помощи переключателя (6) источник (10) тормозящего поля, мы можем для каждой частоты ω измерить задерживающий потенциал U_з и, тем самым, проверить зависимость.

4) Выполнение:

Задание 1:

S = 5,25 * 10^-4 м

r, м	U, В	i, мкА	Ф, лп	Uн, В
0,65	0	0,02	0,00002	5,35
	10	4,04	0,00502
	20	5,11	0,00635
	30	5,35	0,00665
	40	5,35	0,00665
	50	5,35	0,00665
0,5	0	0,03	0,00006	8,12
	10	5,95	0,01250
	20	7,71	0,01619
	30	8,12	0,01705
	40	8,12	0,01705
	50	8,12	0,01705
0,35	0	0,08	0,00034	16,31
	10	10,37	0,04444
	20	15,28	0,06549
	30	16,31	0,0699
	40	16,31	0,0699
	50	16,31	0,0699
0,2	0	0,18	0,00236	51,21
	10	20,67	0,27129
	20	38,54	0,50584
	30	48,86	0,64129
	40	51,21	0,67213
	50	51,21	0,67213

Рисунок 3 – ВАХ U(I)

Задание 2:

r, м	λ, м	Uз, В	ν, Гц
0,2	610*10-9	0,14	4,92*1014
	550*10-9	0,3	5,45*1014
	500*10-9	0,5	6*1014

Рисунок 4 – График зависимости U_з(ν)

Задание 3:

Вывод: во время выполнения лабораторной работы № 6.5 я построил вольтамперную характеристику U(I), рассчитал частоты волн для красного (), зелёного () и синего () света, построил график зависимости U_з(ν), а также рассчитал постоянную Планка (.

5) Ответы на контрольные вопросы:

1) Что называется внешним фотоэффектом?

I) Сущность явления, называемого внешним фотоэффектом состоит в том, что при попадании фотонного пучка на поверхность металлического проводника, содержащего свободные электроны, каждый фотон может с некоторой вероятностью передать всю свою энергию какому-то электрону, в результате чего электрон может вылететь из проводника.

2) Объясните механизм возникновения фотоэффекта.

II) Фотоэффект с поверхности металлов объясняется взаимодействием фотонов с валентными электронами металла. Валентные электроны в металле "свободны" (т.е. не связаны с атомами), поэтому они легко перемещаются по всему объёму металла.

Чтобы электрон покинул метал, необходимо совершить работу, больше или равную энергии связи с кристаллической решёткой:

3) Поясните смысл уравнения Эйнштейна.

III) Часть напряжения от фототока тратится на совершение работы выхода, остальное остаётся в виде кинетической энергии:

4) Сформулируйте основные закономерности фотоэффекта.

IV) Основные закономерности фотоэффекта описываются с помощью трёх законов фотоэффекта:

1. При фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых из катода, пропорционально интенсивности света.

2 Максимальная начальная скорость (максимальная начальная кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется его частотой ν.

3. Д ля каждого вещества при определенном состоянии его поверхности существует граничная частота света, ниже которой фотоэффект не наблюдается. Эта частота и соответствующая длина волны называется красной границей фотоэффекта.

5) Поясните, как используется ВАХ фотоэлемента для изучения законов

фотоэффекта.

V) На рис. 5 приведены несколько ВАХ одного и того же фотоэлемента, полученные при облучении катода белым светом одной и той же частоты ν, но разной интенсивности света (а), и одной и той же интенсивности I, но разных частот (б):

Рисунок 5 – ВАХ фотоэлемента

При рассмотрении рисунка 5.а, можно сделать вывод, что число фотоэлектронов, летящих от катода к аноду, пропорционально интенсивности света (так был установлен первый закон фотоэффекта).

При рассмотрении рисунка 5.б можно сделать вывод, что максимальная начальная скорость (максимальная начальная кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой ν. (так был установлен второй закон фотоэффекта).

При анализе ВАХ фотоэлемента обнаруживается, что при U = 0 фототок не исчезает, а для того, чтобы фототок стал равным нулю, нужно приложить задерживающее напряжение U_з. При U_з поле совершает работу, равную максимальной кинетической энергии фотоэлектронов, и ни одному из электронов не удаётся преодолеть задерживающее поле и достигнуть анода. (так был установлен третий закон фотоэффекта).

6) Поясните схему для проверки закона Столетова.

VI) Явление фотоэффекта изучается при помощи схемы, представленной на рис. 6:

Рисунок 6 – принципиальная схема для изучения фотоэффекта

Исследуемый металл наносят на катод (8). Катод помещается в стеклянный или металлический баллон (5), в котором создан вакуум. В этот же баллон помещен металлический анод (6). Баллон имеет кварцевое окно (7) для света. Баллон, с помещенными в него катодом и анодом, является фотоэлементом. Фотоэлемент через гальванометр (4) при помощи потенциометра (2) подключаются к источнику питания (1). Напряжение между катодом и анодом фотоэлемента измеряется вольтметром (3), а силу тока в фотоэлементе – гальванометром (4). При помощи данного устройства можно построить зависимость тока, протекающего через фотоэлемент от приложенного к нему (фотоэлементу) напряжения, которая называется вольтамперной характеристикой (ВАХ) фотоэлемента.

7) Поясните схему для определения постоянной Планка.

VII) Постоянная Планка может быть выведена из уравнения Эйнштейна при исследовании вольтамперных характеристик фотоэффекта.

Если записать уравнение (2) для двух различных частот возбуждающего света ν₁ и ν₂, а затем почленно их вычесть, то при этом исключается работа выхода P, и уравнение позволяет выразить h через кинетическую энергию фотоэлектронов и частоту возбуждающего света:

При измерения кинетической энергии электронов часто используют метод задерживающего потенциала, (фотоэлектроны заставляют проходить напряжение U_з, способное полностью компенсировать их кинетическую энергию):

Подставив (9) в (10), получим формулу нахождения постоянной Планка:

6) Решение задач:

4.1. При очередном освещении поверхности некоторого металла светом с длинами волн 0,35 мкм и 0,54 мкм обнаружили, что соответствующие максимальные скорости фотоэлектронов отличаются в два раза. Найдите работу выхода с поверхности этого металла.

Дано: Решение:

λ1 = 0,35 * 10-6 м λ 2 = 0,54 * 10-6 м
Авых – ?

Зная, что работа выхода из одного металла, – это величина постоянная: