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

68449. Русская литература начала XIX века 688.5 KB
  Цель данного пособия представить основные факты жизни и творчества писателей-классиков XIXв. Герои выбирались из простых людей идеалы извлекались из обыденной жизни. Важно высказать свое отношение к ней создать свой вымышленный образ мира часто по принципу контраста к окружающей жизни.
68450. Вплив підприємства на навколишнє середовище 148 KB
  Екологічна характеристика підприємства припускає оцінку прогресивності технологій повноту використання сировини та палива застосовані схеми очистки стічних вод та аеровикидів характеристику потоків які відходять від води та газу вилучаємої території загальну економічну оцінку шкоди яку наносить...
68451. Функції, форми та методи державного управління 132.5 KB
  Система державного управління складається із повсякденного здійснення певних функцій. Термін “функція” застосовують для позначення діяльності будь-яких державних органів незалежно від їх мети. Функціонувати – значить діяти, бути в дії, виконувати обов’язки. Функція є і обов’язок, і коло діяльності, і призначення.
68452. Товародвижение на фармацевтическом рынке. Элементы логистики. Организация деятельности оптового звена 30.56 KB
  Вторая часть пути связана с продвижением готовой продукции от производителя до конечного потребителя или пользователя и называется товародвижением. Новый объект который появился в процессе движения продукции стал предметом изучения науки логистики от греч.
68453. История развития информатики 219.5 KB
  Генетически информатика связана с вычислительной техникой, компьютерными системами и сетями, т.к. именно компьютеры позволяют порождать, хранить и автоматически перерабатывать информацию в таких количествах, что научный подход к информационным процессам становится одновременно необходимым и возможным.
68454. Основные положения права СМИ в РФ 19.83 KB
  Осуществление этих свобод, налагающее обязанности и ответственность, может быть сопряжено с определенными формальностями, условиями, ограничениями или санкциями, которые предусмотрены законом и необходимы в демократическом обществе в интересах национальной безопасности...
68455. Теория и практика сестринского дела. Общение с пациентом и его окружением в процессе профессиональной деятельности 1.26 MB
  О сестринском деле говорят, что это самая юная наука и самое древнее искусство. Сестринское дело считалось женской профессией, и самой из всех сестринских специальностей, и самой древней являлась акушерская (в Древней Греции, по определению Гиппократа, акушерки могли быть только рожавшие женщины...
68456. Информационные технологии в производстве текстильных изделий 52.5 KB
  В настоящее время любому специалисту, связанному с проектированием и производством текстильных изделий, приходится иметь дело с огромным объемом данных. С появлением компьютеров задача обработки и хранения данных существенно упростилась. Любые данные, хранимые на компьютере, подразделяются на текстовые и числовые.
68457. Организация оперативного ввода изображений в авиационные геоинформационные комплексы реального времени 1.17 MB
  Одной из основных проблем создания ИГК РВ является проблема оперативного ввода больших массивов видеоинформации в реальном масштабе времени, налагаемых на картографический фон. Эта видеоинформация может быть «набросана» от руки и представляет собой изображение...