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

65584. РОЗВИТОК У КЕРІВНИКІВ ОПЕРАТИВНО-РОЗШУКОВИХ ПІДРОЗДІЛІВ ДЕРЖАВНОЇ ПРИКОРДОННОЇ СЛУЖБИ УКРАЇНИ ЗДАТНОСТІ ДО САМОРЕГУЛЯЦІЇ ПСИХІЧНОЇ СТІЙКОСТІ В ЕКСТРЕМАЛЬНИХ УМОВАХ 235 KB
  За оцінкою експертів у рейтингу якостей керівника ОРП ДПСУ найважливішою є здатність до саморегуляції в екстремальних умовах професійної діяльності. З огляду на це керівник ОРП повинен бути емоційно стриманим уміти контролювати себе тобто мати високий рівень саморегуляції...
65585. СТРУКТУРА ТА МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ БАГАТОШАРОВИХ КОМПОЗИТІВ МІДЬ –ТАНТАЛ, ОТРИМАНИХ МЕТОДОМ ДИФУЗІЙНОГО ЗВАРЮВАННЯ 457.5 KB
  Для досягнення поставленої мети виникла необхідність у вирішенні таких основних задач: вибір металу проміжного між міддю та танталом шару та методів виготовлення мідних та проміжних шарів; – встановлення технологічних параметрів дифузійного зварювання які забезпечували б надійний адгезійний...
65586. Діагностика процесу чистового шліфування по динаміці зміни вихідних змінних 454.5 KB
  Вирішення перелічених завдань має особливе значення для операцій шліфування при виконанні яких на якість і продуктивність впливають збурюючи дії і зміни параметрів технологічної системи. Операція настроюється на найгірший стан системи і середовища.
65587. Багатофункціональні сонячні системи тепло-холодопостачання і кондиціювання повітря 402.5 KB
  Метою роботи є вдосконалення багатофункціональних сонячних систем тепло холодопостачання і кондиціювання повітря на основі осушувальновипарних методів і сонячної енергії для підтримки безперервності циклу.
65588. ТВОРЧІСТЬ ЗЕНОВІЯ КРАСІВСЬКОГО ТА ЯРОСЛАВА ЛЕСІВА: ДИСКУРС НАЦІОНАЛЬНОЇ ІДЕНТИЧНОСТІ 172 KB
  Простежити діахронію розуміння України Батьківщини дому рідної мови свободи Бога в життєвому та літературному досвіді обох письменників; з’ясувати жанровотематичні параметри творчості...
65589. МОДУЛЯЦІЯ ГЛІЦИНОВИХ РЕЦЕПТОРІВ КАНАБІНОЇДАМИ В НЕЙРОНАХ ЦНС ЩУРІВ 724 KB
  Мета роботи полягала у вивченні впливу канабіноїдів на електрофізіологічні характеристики гліцин-активованого струму, та функціональне значення такого впливу на мережеву нейронну активність в гіпокампі.
65590. Розроблення основ технологій формування карбонітридних та карбооксидних термодифузійних покриттів на титанових сплавах 4.27 MB
  Проте деякі особливості притаманні титану обмежують його застосування в якості конструкційного матеріалу. Тому експлуатація в умовах складних навантажень та впливу агресивних середовищ яка висуває підвищені вимоги до фізикохімічних властивостей робочих поверхонь вимагає додаткової обробки титану.
65591. РОЗВИТОК МОВЛЕННЄВИХ ЗДІБНОСТЕЙ ДОШКІЛЬНИКІВ У РІЗНОМУ СОЦІОКУЛЬТУРНОМУ ОТОЧЕННІ 265.5 KB
  У зв’язку з цим особливої актуальності набуває проблема розвитку мовленнєвих здібностей дошкільників у різному соціокультурному оточенні. Щерба мовлення дітей та їх цілеспрямованого навчання у процесі розвитку мовленнєвих здібностей А. Щерба окремих сторін мовлення дитини та комплексного розвитку...
65592. ВПЛИВ ПОЧАТКОВИХ ОСМОТИЧНИХ ТА ТЕМПЕРАТУРНИХ УМОВ НА СТІЙКІСТЬ ЕРИТРОЦИТІВ ССАВЦІВ ДО ГІПЕРТОНІЧНОГО ШОКУ 2.9 MB
  Актуальною проблемою кріобіології є розробка нових методів зберігання еритроцитів в умовах низьких температур а також поліпшення показників збереження клітин при використанні існуючих методик зберігання. Щоб оцінити внесок висококонцентрованих розчинів солей...