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

41592. Правительство в зарубежных странах 49.5 KB
  Место правительства в системе органов государственной власти. Порядок формирования и структура правительства. Полномочия правительства. Место правительства в системе органов государственной власти.
41593. Местное самоуправление в зарубежных странах 57 KB
  Понятие и основные принципы местного самоуправления. Системы основные модели местного управления и самоуправления. Понятие и основные принципы местного самоуправления. Исторически социальное назначение местного самоуправления было связано с защитой местных муниципальных интересов которые касаются решения вопросов непосредственного обеспечения жизнедеятельности населения.
41594. Основы конституционного права Французской Республики 78.5 KB
  Статус президента и правительства во Франции. Парламент Франции: структура полномочия. Система судебной власти Франции. принятая на референдуме учредила Пятую Республику во Франции заложила основы новой организации высших органов государственной власти которая в литературе получила наименование полупрезидентской смешанной формы правления.
41595. ПРЕДМЕТ МЕТОД И СИСТЕМА ТРУДОВОГО ПРАВА 54 KB
  ПОНЯТИЕ И ПРЕДМЕТ ТРУДОВОГО ПРАВА. Основным критерием для размежевания отраслей права является предмет правового регулирования т. круг общественных отношений который регулируется той или иной отраслью права.
41596. ИСТОЧНИКИ ТРУДОВОГО ПРАВА 38.5 KB
  Понятие источников трудового права Источники трудового права – это формы выражения правовых предписаний через нормативные акты как результат деятельности компетентных органов государства которые устанавливают или санкционируют правовые нормы обязательные для сторон правоотношений которые составляют предмет трудового права. У термина источники права два значения: 1.материальное – причины образования права т.
41597. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАМЕДЛЯЮЩИХ СИСТЕМ 76.32 KB
  Овладение методами построения дисперсионных характеристик и расчета сопротивления связи. С помощью петли связи в макете возбуждается стоячая волна амплитуда которой контролируется через петлю связи Конструктивно макет выполнен из колец и диафрагм с прорезанными в них щелями связи. Связь генератора и детекторной головки с макетом ЗС или с калибровочным резонатором осуществляется с помощью входной и индикаторной петель связи.
41598. ЛАНДШАФТНАЯ АРХИТЕКТУРА 3.28 MB
  Два варианта посадки растений для вертикального озеленения 15. Устройство и подбор ассортимента растений 18. При формировании древеснокустарниковых насаждений учитываются не только композиционные но и биологические и экологические особенности растений. Виды растений используемых для солитеров: крупные кустарники 23 м и более сирень обыкновенная и венгерская боярышник туя западная; красиво и обильно цветущие: чубушники ракитники калина розы.
41599. Понятие ландшафта в ландшафтной архитектуре. Природный, антропогенный, культурный и деградированный ландшафты 3.27 MB
  При формировании древеснокустарниковых насаждений учитываются не только композиционные но и биологические и экологические особенности растений. Виды растений используемых для солитеров: крупные кустарники 23 м и более сирень обыкновенная и венгерская боярышник туя западная; красиво и обильно цветущие: чубушники ракитники калина розы. По величине: малые 23 растения; средние 47 растений; большие 1012 растений. Виды растений предназначенных для стрижки: липа тополь боярышник чубушник барбарис можжевельник туя...
41600. Основные понятия баз данных ACCESS 2007 104.45 KB
  Создание базы данных состоящей из одной таблицы. Цели урока: Познакомиться с основными понятиями баз данных; Научиться создавать таблицы баз данных в режиме Конструктор; Освоить переход из режима Конструктор в режим таблицы; Освоить основные приемы заполнения и редактирования таблиц; Познакомиться с простой сортировкой данных и с поиском записей по образцу; Научиться сохранять и загружать базы данных. В окне системы управления базы данных щелкнуть по значку Новая база данных . Справа в появившемся окне дать имя новой...