11811

ИССЛЕДОВАНИЕ КВАНТОВОЙ ПРИРОДЫ СВЕТА

Лабораторная работа

Физика

Лабораторная работа 1 по курсу КСЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КВАНТОВОЙ ПРИРОДЫ СВЕТА Цель работы: Исследовать квантовые свойства света и построить график зависимости фототока от напряжения. Приборы и принадлежности: источник питания ИПС106 стенд с объектами исследования С3...

Русский

2013-04-11

142.5 KB

11 чел.

Лабораторная работа 1 по курсу КСЕ

ИССЛЕДОВАНИЕ КВАНТОВОЙ ПРИРОДЫ СВЕТА

Цель работы: Исследовать квантовые свойства света и построить график зависимости фототока от напряжения.

Приборы и принадлежности: источник питания ИПС1-06, стенд с объектами исследования С3-ОК01.

Краткая теория

  1.  Законы фотоэффекта. Внешним фотоэффектом называется явление испускания электронов веществом под действием света, поглощаемого этим веществом.

Экспериментально установлены три основных закона внешнего фотоэффекта, справедливые для любого материала фотокатода:

1) количество электронов, испускаемых в единицу времени (сила фототока в режиме насыщения), пропорционально интенсивности света (закон Столетова);

2) для каждого вещества при определенном состоянии его поверхности существует «красная граница» внешнего фотоэффекта  , при которой ещё возможен фотоэффект, а при меньших частотах () фотоэффект не происходит;

3) максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно растет с частотой света и не зависит от его интенсивности (закон Эйнштейна).

Все эти закономерности находят исчерпывающее объяснение на основе фотонных представлений о свете (М. Планк, 1900 г.; А. Эйнштейн, 1905 г.).

При облучении вещества светом электроны получают энергию не непрерывно, а порциями (квантами). Энергия каждой порции равна

,      (1)

где – постоянная Планка; – частота света.

Эти порции энергии света были названы фотонами.

Чем больше интенсивность света определенной частоты, тем больше фотонов с определенной энергией падает на поверхность в единицу времени и, следовательно, больше выбивается электронов. Если все выбитые электроны являются носителями электрического тока в цепи (режим тока насыщения), то сила этого тока будет пропорциональна интенсивности света. То есть действительно должен выполняться закон Столетова.

Если энергии одного фотона не достаточно, чтобы выбить электрон, то фотоэффекта не будет, сколько бы таких фотонов ни падало на вещество. При этом предполагается, что электрон может поглотить только один фотон; вероятность же одновременного поглощения двух и более фотонов ничтожно мала.

2. Зависимость фототока от напряжения. На рис. 1 показана схема включения фотоэлемента, позволяющая снять его вольтамперную характеристику (ВАХ), т.е. зависимость фототока от напряжения между катодом и анодом.

Рис. 1 Схема включения фотоэлемента,     Рис. 2  Вольтамперная характе- позволяющая снять зависимость               ристика фотоэлемента.

                 фототока от напряжения.  

Примерный вид таких ВАХ, полученных при фиксированной частоте, но при различных интенсивностях света, представлен на рис. 2.

Участок  графика соответствует току насыщения  фотоэлемента. При  сила тока не зависит от напряжения между катодом и анодом, потому что электроны, выбитые светом в область пространства между катодом и анодом, попадают в достаточно сильное ускоряющее электрическое поле и все достигают анода.

При напряжениях  электрическое поле между катодом и анодом недостаточно для того, чтобы при данной геометрии фотоэлемента собрать на аноде все выбитые электроны. Наблюдаемая при этом сила тока меньше . Причем при нулевом и даже отрицательном напряжении на аноде сила тока отлична от нуля. Это объясняется тем, что некоторые выбитые фотонами электроны (при ) обладают достаточным запасом кинетической энергии для того, чтобы даже в тормозящем поле достичь анода (участок графика ).

При некоторой определенной разности потенциалов задерживающего поля  наступает состояние, когда даже электроны, обладающие самой большой энергией, не коснувшись анода, отбрасываются назад к фотокатоду. Ток через фотоэлемент при этом становится равным нулю (точка  графика).

Порядок выполнения работы

1. Соберите схему для проведения измерений согласно рис. 3. Анод на схеме подключите через амперметр к «плюсу», а катод – к «минусу» источника напряжения ИПС1 (гнезда 9 на рис. 4). 

Рис.3  Принципиальная схема установки для проведения измерений.

2.  После проверки правильности собранной вами схемы преподавателем или инженером, включите кнопку  «СЕТЬ» на источнике питания ИПС1 (кнопка 5 на рис. 4) и на измерительном блоке («амперметр» - «вольтметр»).

Запрещается вставлять и вынимать вилку питания при нажатой кнопке «СЕТЬ».

Рис.4 Внешний вид передней панели источника питания ИПС1.

3.Вращая ручку 7 на панели ИПС1, установите относительное значение интенсивности светового потока  около единицы, (но не более 1), видимое на цифровом табло 1 (рис. 4) и следите, чтобы в последующих опытах оно не менялось.

4. Запишите значение величины  в таблицу 1.

5. Нажатием кнопки 6 на ИПС1 в окошке 2 («Излучатели») установите  цифру «0», что соответствует наиболее короткой длине волны излучателя  (в окошке фотоэлемента виден фиолетовый цвет).

6. Перед снятием вольтамперной характеристики фотоэлемента кнопка  должна быть отжата, пределы измерения силы тока и напряжения  установлены на  и , соответственно.  

7. Снимите  вольтамперную характеристику фотоэлемента  при его прямом подключении к источнику питания, изменяя напряжение  ручкой 4 (рис. 4) от 0 до 19 В с шагом 1 В. Измеренные значения силы тока занесите в таблицу 1.

8. Постройте график вольтамперной характеристики , сравните его с ожидаемой зависимостью, показанной на рис. 2. Найдите по графику диапазон напряжений, соответствующих току насыщения .

Таблица 1.

0

1

2

3

4

5

6

19

9. Уменьшите напряжение между анодом и катодом до нуля поворотом ручки 4 (рис. 4) против часовой стрелки. Отключите установку от источника питания нажатием кнопки 5 «СЕТЬ». Разберите электрическую схему.

10. Сделайте выводы.

Контрольные вопросы

1. Что такое внешний фотоэффект?

2. Можно ли объяснить все закономерности фотоэффекта, пользуясь волновой теорией света?

3. Можно ли объяснить все закономерности фотоэффекта, пользуясь квантовой теорией света?

4. Почему в фотоэффекте обнаруживаются корпускулярные свойства света?

5. Объясните все особенности вольтамперной характеристики фотоэффекта.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

70846. ОБРАБОТКА И ПРЕДСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ОДНОКРАТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ПРИ НАЛИЧИИ СИСТЕМАТИЧЕСКОЙ ПОГРЕШНОСТИ 375 KB
  Получение навыков обнаружения и устранения влияния систематических погрешностей на результаты прямых однократных измерений. Ознакомиться с понятием погрешности средства измерений. Ознакомиться с понятием погрешности результата измерений.
70847. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ПРЯМЫХ ИЗМЕРЕНИЙ С МНОГОКРАТНЫМИ НАБЛЮДЕНИЯМИ ПРИ НАЛИЧИИ ГРУБЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ 444 KB
  Ознакомление с методикой выполнения прямых измерений с многократными наблюдениями при наличии грубых погрешностей выбросов. Получение навыков обработки результатов наблюдений и оценивания погрешностей результатов измерений. Ознакомиться с видами и методами измерений.
70848. ОБРАБОТКА И ПРЕДСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ СЕРИИ ПРЯМЫХ ИЗМЕРЕНИЙ С МНОГОКРАТНЫМИ НАБЛЮДЕНИЯМИ 418.5 KB
  Ознакомление с методикой обработки и представления результатов измерений для группы равнорассеянных многократных наблюдений. Получение навыков обработки результатов наблюдений и оценивания погрешностей результатов измерений. Ознакомиться с видами и методами измерений.
70849. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОГРЕШНОСТИ ЦИФРОВОГО ВОЛЬТМЕТРА МЕТОДОМ ПРЯМЫХ ИЗМЕРЕНИЙ 237.5 KB
  Получение навыков проведения метрологических работ в процессе определения контроля погрешности цифрового вольтметра методом прямых измерений. Ознакомьтесь с принципом действия устройством и характеристиками цифрового вольтметра.
70850. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОГРЕШНОСТИ ЭЛЕКТРОННОГО ВОЛЬТМЕТРА МЕТОДОМ СЛИЧЕНИЯ 368.5 KB
  Получение навыков проведения метрологических работ в процессе определения контроля погрешности электронного вольтметра методом сличения. Ознакомиться с принципом действия устройством и характеристиками электромагнитного вольтметра.
70851. ИЗМЕРЕНИЕ СИЛЫ ПОСТОЯННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА 494 KB
  Ознакомление с прямыми и косвенными измерениями силы постоянного электрического тока; получение сведений о способах учета погрешностей измерений в этих случаях; знакомство с некоторыми средствами измерения силы постоянного электрического тока.
70852. Измерение мощности постоянного электрического тока 521 KB
  Ознакомление со способом измерения мощности постоянного тока при помощи амперметра и вольтметра. Ознакомьтесь с косвенными измерениями мощности при помощи амперметра и вольтметра.
70854. Измерение переменного электрического напряжения 593 KB
  Получение навыков измерения переменного электрического напряжения. Ознакомление с особенностями влияния формы и частоты измеряемого напряжения на показания приборов. Приобретение представления о порядке работы с электроизмерительными приборами при измерении переменного напряжения.