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

31377. Пути адаптации тайцзицюань к системе физического воспитания России 185 KB
  Проблеме адаптации тайцзицюань в систему физического воспитания посвящена кандидатская диссертация аспирантки кафедры СБЕ, шестикратной чемпионки Китая по ушу Лю Шухуэй, фрагменты которой приводятся ниже.
31379. ЭКОНОМИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ ОПЕРАТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕКУЩИМИ АКТИВАМИ КОРПОРАЦИЙ 448 KB
  Как правило, при проведении научных исследований процесса управления, рассматриваются различные стратегические задачи, такие как маркетинг, персонал. На наш взгляд, однако, большое внимание должно также уделяться оперативному (текущему) управлению, от которого зависит повседневная деятельность предприятий, то есть та, которая, в основном, и приносит коммерческий доход.
31380. Корпоративная культура: методы ее формирования и развития в организации 463 KB
  Выбор темы дипломной работы: Корпоративная культура: методы ее формирования и развития в организации обусловлен тем что корпоративная культура напрямую связанна с коммерческий успехом компании. Компания будет успешной только в случае если сотрудники будут понимать важность своей работы чувствовать что их профессиональный уровень пропорционален успеху компании. Мотивация сотрудников построение отношений между сотрудниками принципы и методы работ используемых в деятельности организации все это является важнейшим фактором в борьбе...
31381. ПРАВОВОЕ ГОСУДАРСТВО И ГРАЖДАНСКОЕ ОБЩЕСТВО 506 KB
  Основные признаки правового государства и гражданского общества. Формирование и развитие правового государства и гражданского общества в современной России. Конституционно правовые основы построения правового государства 37 2. Проблема становления и развития правового государства и гражданского общества до сих пор считается нерешенной и недостаточно разработанной в современной политической и правовой науках хотя период ее изучения измеряется столетиями а время от времени она...
31382. ПРАВОВОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ПРЕДПРИНИМАТЕЛЕЙ, КАК УЧАСТНИКОВ ГРАЖДАНСКИХ ПРАВООТНОШЕНИЙ ПО СОВРЕМЕННОМУ ЗЗАКОНОДАТЕЛЬСТВУ» (НА ПРИМЕРЕ ИП ПОЛЯКОВА Л.А) 511 KB
  Исходные данные к работе: Конституция Российской Федерации Гражданский кодекс Российской Федерации Налоговый кодекс Российской Федерации федеральные конституционные законы иные федеральные нормативные правовые акты. Содержание расчетнопояснительной записки перечень подлежащих разработке вопросов: дать понятие предпринимательской деятельности и ее признаков; определить правовое положение в ней индивидуального предпринимателя; рассмотреть вопросы законодательного регулирования предпринимательской деятельности сформулировать конкретные...
31383. Направления по усовершенствованию системы оплаты труда в ООО «Проект 69» 643 KB
  Теоретические основы системы организации и оплаты труда. Формы и системы оплаты труда на предприятии. Основные принципы организации оплаты труда состав фонда оплаты труда. Анализ организации оплаты труда в ООО Проект 69. Анализ существующей системы оплаты труда ООО Проект 69...
31384. Себестоимость продукции промышленного предприятия и пути ее оптимизации на примере ОАО «Сарановская шахта «Рудная» 621.5 KB
  Технологический процесс получения продукции и формирование себестоимости в ОАО Сарановская шахта Рудная. Анализ и оценка структуры затрат в себестоимости продукции. Мероприятия по снижению себестоимости продукции в ОАО Сарановская шахта Рудная как путь повышения производства.
31385. Методические рекомендации по выполнению дипломных проектов (работ) 108.5 KB
  В процессе подготовки квалификационной (дипломной) работы каждому студенту-выпускнику назначается научный руководитель. Научным руководителем квалификационной (дипломной) работы студента-выпускника может быть как преподаватель выпускающей лаборатории, так и сторонние ведущие отраслевые специалисты.