12202

ВНЕШНИЙ ФОТОЭФФЕКТ

Лабораторная работа

Физика

ВНЕШНИЙ ФОТОЭФФЕКТ Методические указания по выполнению лабораторной работы № 74 по оптике для студентов инженернотехнических специальностей Курск 2010 УДК 681.787.2 Составители: В.Н. Бурмистров Л.П. Петрова Рецензент К

Русский

2013-04-24

67 KB

13 чел.

ВНЕШНИЙ ФОТОЭФФЕКТ

Методические указания по выполнению лабораторной работы

№ 74 по оптике для студентов инженерно-технических

специальностей

Курск 2010

УДК 681.787.2

Составители: В.Н. Бурмистров, Л.П. Петрова

Рецензент

Кандидат физико-математических наук, доцент В.М. Пауков

Внешний фотоэффект [Текст]: методические указания по выполнению лабораторной работы по оптике № 74 для студентов инженерно-технических специальностей / Курск. гос. техн. ун-т; сост.: В.Н. Бурмистров, Л.П. Петрова. Курск, 2010. 7 с.: табл. 2. Библиогр.: с.7.

Содержат сведения по изучению явления внешнего фотоэффекта.

Методические указания соответствуют требованиям программы, утвержденной учебно-методическим объединением для студентов инженерно-технических специальностей.

Предназначены для студентов инженерно-технических специальностей дневной и заочной форм обучения.

Текст печатается в авторской редакции

Подписано в печать    . Формат 6084 1/16.

Усл.печ.л.      Уч.-изд.л.  Тираж 100 экз. Заказ.      Бесплатно.

Курский государственный технический университет.

305040 Курск, ул. 50 лет Октября, 94.


Цель работы: ознакомиться с явлением внешнего фотоэффекта, его закономерностями, снятие вольтамперных характеристик фотоэлемента.

Принадлежности: лабораторная установка для снятия вольтамперных характеристик фотоэлемента с блоком питания, микроамперметром и вольтметром, источник света.

Теоретическое введение

Внешний фотоэффект – явление вырывания электронов с поверхности вещества под действием электромагнитного излучения. Был обнаружен Герцем в 1887 г., наблюдавшим усиление процесса разряда при облучении искрового промежутка ультрафиолетовым светом.

Первые фундаментальные исследования внешнего фотоэффекта выполнил русский ученый Столетов в 1888-1889 гг. Опыты Столетова имели феноменологический характер. Тем не менее, они позволили сформулировать основные закономерности внешнего фотоэффекта:

  •  свет оказывает разряжающее действие на отрицательно заряженные тела,
  •  наибольшее действие на заряженные тела оказывает ультрафиолетовое излучение,
  •  незаряженные тела под действием света приобретают положительный электрический заряд,
  •  фототок, возникающий под действием света, пропорционален энергетической освещенности катода и зависит от состояния его поверхности,
  •  фотоэффект практически безынерционен.

Точные количественные исследования фотоэффекта выполнили в 1898-1899 годы Дж. Томсон и Ф. Ленард, измерившие отношение заряда вырванной частицы к ее массе, и доказавшие, что этими частицами являются электроны. Ими же было установлено, что энергия вылетающих фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света и прямо пропорциональна его частоте. Кроме того, оказалось, что для различных металлов существуют свои предельно низкие частоты света, ниже которых фотоэффект не наблюдается.

Теорию внешнего фотоэффекта дал А. Эйнштейн в 1905 г. Он высказал идею, что свет не только испускается, как это предполагал Планк, но и распространяется и поглощается отдельными порциями (квантами) с энергией . Таким образом, распространение света нужно рассматривать не как непрерывный волновой процесс, а как поток локализованных в пространстве дискретных световых квантов, движущихся со скоростью распространения света в вакууме. Кванты электромагнитного излучения получили название фотонов.

Согласно квантовой теории Эйнштейна энергия фотона расходуется на вырывание электрона из металла Авых и на сообщение вырванному электрону кинетической энергии:

.    (1)

Если же энергии фотона не достаточно для совершения работы выхода электрона из металла, то фотоэффект не будет иметь места независимо от интенсивности светового потока. Таким образом, условием красной границы фотоэффекта является равенство:

.      (2)

В настоящее время законы фотоэффекта формулируются следующим образом:

1. при неизменном спектральном составе света, падающего на фотокатод, фототок насыщения пропорционален энергетической освещенности катода;

2. для данного вещества фотокатода максимальная начальная скорость фотоэлектронов зависит от частоты света и не зависти от его интенсивности;

3. для каждого материала фотокатода существует предельно низкая частота света, при которой еще возможен внешний фотоэффект, называемая «красной границей» фотоэффекта.

Второй и третий законы, а также безынерционность фотоэффекта, невозможно объяснить в рамках классической электромагнитной теории света Дж. Кл. Максвелла. Согласно этой теории вырывание электронов проводимости из металла является результатом их «раскачивания» в электрическом поле световой волны, а амплитуда «раскачивания» должна возрастать при увеличении интенсивности света.

Объяснение всех особенностей фотоэффекта оказалось возможным лишь с позиции квантовой теории света. Из уравнения Эйнштейна следует, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона возрастает с увеличением частоты падающего излучения и не зависит от его интенсивности: числа фотонов (2 закон). Так как с уменьшением частоты света кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается, то при некоторой достаточно малой частоте кинетическая энергия фотоэлектронов станет равной нулю и фотоэффект прекратится (3 закон).

Кроме внешнего существует еще и внутренний фотоэффект. Оба явления нашли широкое применение при создании фотоэлементов, фотоумножителей, солнечных батарей, в телевидении и фотохимии.

Порядок выполнения работы:

Задание 1. Снятие вольтамперной характеристики фотоэлемента.

  1.  Включить в сеть 220 В блок питания установки и осветительную лампочку.
  2.  Установить лампочку на расстоянии 25 см от фотоэлемента.
  3.  Изменяя ускоряющее напряжение от нуля до максимального, записывать соответствующие показания микроамперметра через 2 В до 10-15 В, затем – через 5-10 В.
  4.  Повторить измерения пункта 3, установив лампочку на расстоянии 40 см от фотоэлемента. Заполнить таблицу 1:

Таблица 1

расстояние от фотоэлемента до лампы

r, м

r, м

i, мкА

U, В

i, мкА

U, В

  1.  Построить обе зависимости i = f(U) на одном графике. Найти токи насыщения для каждого случая.

Задание 2. Изучение зависимости фототока насыщения от энергетической освещенности катода.

  1.  Снять зависимости фототока i насыщения от расстояния между фотоэлементом и лампой в пределах от 30 см до 70 см с шагом в 5 см при максимальном ускоряющемся напряжении. Результаты занести в таблицу 2:

Таблица 2

r, м

i, мкА

E, кд/м2

  1.  Построить график зависимости фототока от расстояния i = f(r).
    1.  Рассчитать освещенность фотокатода: , где I – сила света лампы накаливания, r – расстояние между фотоэлементом и лампой. Сила света лампы в кд. примерно численно равна мощности лампы в Вт.
    2.  Построить график зависимости фототока от энергетической освещенности фотокатода i = f(E).
    3.  Сделать выводы по результатам работы.

Контрольные вопросы:

  1.  Фотоэффект, виды фотоэффекта.
  2.  Квантовые свойства света, представления о фотонах.
  3.  Физические основы фотоэффекта и его закономерности. Применение фотоэффекта.
  4.  Фотоэлементы и фотоумножители, их устройство, принцип действия, основные характеристики и практическое применение.
  5.  Сущность эксперимента, объяснение полученных результатов.

Библиографический список:

1. Савельев И. В. Курс физики [Текст] : учебное пособие : в 3 т. Т. 2 : Электричество. Колебания и волны. Волновая оптика / Игорь Владимирович Савельев. - 3-е изд., стер. - СПб. : Лань, 2007. - 480 с.;

2. Трофимова Т. И. . Курс физики [Текст] : учебное пособие / Т. И. Трофимова. - 7-е изд., стер. - М. : Высшая школа, 2003. – 542


3


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

76397. Конституция Российской Федерации 32.5 KB
  Конституция Российской Федерации. Конституция РФ является основным источником любой отрасли национального права и в первую очередь конституционного. Специфика Конституции как основного источника конституционного права выражается в следующем: 1 Конституция принимается народом или от имени народа она является высшей формой воплощения государственной воли народа. Российская Конституция 1993 года была принята на референдуме который является высшим непосредственным выражением власти народа; 2 конституционные нормы имеют учредительный характер...
76402. Принцип инвариантности 63.25 KB
  Так как в самонастраивающихся системах функция качества управления может изменяться под действием параметрических и внешних возмущений то компенсируя влияние этих возмущений можно добиться стационарности функции качества и обеспечить работу системы в экстремальном режиме. Пусть система автоматического управления описывается уравнениями вида где регулируемые координаты; дифференциальные операторы полиномы от с переменными коэффициентами;внешние возмущения; или в более компактной форме При действии параметрических возмущений происходит...
76403. Повышение порядка астатизма 40.51 KB
  Увеличение коэффициента усиления разомкнутой системы; 2. Увеличение коэффициента усиления разомкнутой системы является наиболее эффективным методом. Увеличить коэффициент усиления разомкнутой системы можно например за счет увеличения коэффициента усиления электронного усилителя. Увеличение коэффициента усиления разомкнутой системы приводит к уменьшению ошибок во всех типовых режимах т.
76404. Интегральные критерии качества 1.7 MB
  Интегральный критерий дает обобщенную оценку качество переходного процесса одну из достоинств интегральных критериев в том что для их определения не обязательно строить график переходного процесса что иногда является затруднительным. Этот критерий служит для оценки качества не колебательных процессов графически он представляет собой площадь заключенного между графиками переходного процесса и осью времени. Очевидно что этот критерий будет тем больше чем динамическая ошибка и чем больше длительность динамического процесса. Особый интерес...
76405. Точность систем автоматического управления. Коэффициенты ошибок 62.67 KB
  Одним из основных требований, предъявляемых к САУявляется точность воспроизведения задающего воздействия, которая определяется формой установившегося процессауправления (увын.(t)). При этом установившаяся ошибкасистемы будет