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

14 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

75912. Российские экономические реформы 1990-х гг. в оценках западных исследователей: направления критики 19.84 KB
  В оценках западных исследователей: направления критики Негативная оценка результатов российских реформ общее в выступлениях экономистов Оправдывать или объяснять логику развития событий в России становится неприличным и социально опасным Российские реформы далеки от того чтобы считать их феноменально успешными Главные аргументы критиков Игнорирование китайского опыта...
75913. Понятие «модернизация». Что подразумевают под «европейской модернизацией» России? Какие исторические формы этот процесс приобретал? Можно ли считать сталинскую индустриализацию модернизацией 16.6 KB
  Что подразумевают под европейской модернизацией России Какие исторические формы этот процесс приобретал Можно ли считать сталинскую индустриализацию модернизацией Модернизация современный термин используемый для характеристики давно уже идущего в мире процесса процесса социальных изменений посредством которых менее развитые общества приобретают характеристики отличающие большинство развитых обществ. Несмотря на то что исторически многие страны в своем развитии шли бок о бок термин модернизация долгое время не использовался....
75914. Помешало ли строительство империи в России (XVIII-XIX вв.) созданию российской (русской) нации? Точки зрения Хоскинга и Миллера. Понятие нации и русского национализма в России до 1917 года 20 KB
  Усилия уходившие на сбор налогов и создание армии для нужд империи требовали подчинения практически всего населения особенно русских интересам государства и таким образом затрудняли создание общественных ассоциаций представляющих основу для национального самосознания в гражданском смысле. В России условия для национального самосознания были созданы в XVI веке изобретением традиции это дало толчок и послужило оправданием первых шагов по строительству империи но в середине XVII века само имперское государство внезапно отказалось от...
75915. Политика «коренизации» и межнациональные отношения в период создания СССР. Нациостроительство и проведение границ союзных республик 18.67 KB
  В резолюции XII съезда чётко записано: органы национальных республик и областей строились по преимуществу из людей местных знающих язык быт нравы и обычаи соответствующих народов; были изданы специальные законы обеспечивающие употребление родного языка во всех государственных органах и во всех учреждениях обеспечивающих местное национальное население и национальные меньшинства законы преследующие и карающие со всей революционной суровостью всех нарушителей национальных прав и в особенности прав национальных меньшинств. был...
75916. Трансформация представлений о морали в России 16-19 вв: общее и особенное 29 KB
  История развития морали в России начинается уже в устных и письменных произведениях Древней Руси. С принятием христианства Россия обогатилась учениями морали пришедшими к ней из Византии и объединившими в себе лучшие традиции греческой философской школы. Теория морали которую основали древнегреческие мыслители была дополнена русскими учеными разработавшими собственные оригинальные этические концепции и нравственные идеи.
75917. Советский быт и официальная культура (анализ одного-двух примеров – искусство, кинематограф, музыкальная культура) 19.76 KB
  Рассматривая противоречивые взаимосвязи и взаимодействия советской культуры с точки зрения таких категорий диалектики можно отметить следующее: общее в культуре СССР характеризуется тем что советская культура закономерный этап развития отечественной культуры тех ее элементов традиций которые были заложены или привнесены в нее предшествовавшими историко-культурными периодами; особенное в культуре советского периода заключается в том что она не только выступает в качестве наследницы русской культуры но и является главным реформатором...
75918. Совесткий underground: диссидентствующая культура 44 KB
  Идейную и организационную оппозицию власти в условиях “развитого социализма” представляли разномастные диссидентские движения. Основные из них обнаруживали идейное родство с известными с середины XIX в. славянофилами, западниками и социалистами. С учетом реалий второй половины
75920. Причины негативного восприятия России на западе в прошлом и настоящем 19.32 KB
  Западные политики до сих пор опасаются возрождения СССР в его прошлых границах и уповают на наличие у России как правоприемницы СССР амбиций вернуть утраченные территории. Что имеется ввиду Реалии нашей действительности позволяют западному человеку находить в них то что соответствует его суждениям о России сколь бы превратными и односторонними с чьейлибо точки зрения они ни были. В этом смысле сложившийся на Западе образ России во многих случаях больше говорит об особенностях западного менталитета чем о самой нашей стране.