3560

Изучение внешнего фотоэффекта

Лабораторная работа

Физика

Цель работы: изучение внешнего фотоэффекта. Задача: определение световой и вольт-амперной характеристики фотоэлемента. Техника безопасности: напряжение 220 В подается от сети на трансформатор и выпрямитель, поэтому соответствующие токоведущие...

Русский

2012-11-03

67.5 KB

92 чел.

Цель работы: изучение внешнего фотоэффекта.

Задача: определение световой и вольт-амперной характеристики фотоэлемента.  

Техника безопасности: напряжение 220 В подается от сети на трансформатор и выпрямитель, поэтому соответствующие токоведущие части должны быть закрыты.

Приборы и принадлежности: экспериментальная схема, состоящая из фотоэлемента, осветительной лампочки, источников питания фотоэлемента и лампочки, микроамперметра, вольтметра; оптическая скамья, на которой закреплены фотоэлемент и осветительная лампочка.

ВВЕДЕНИЕ

Внешним фотоэффектом называется явление испускания электронов из вещества под действием электромагнитного излучения. Внешний фотоэффект наблюдается в твердых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриках).

Основные закономерности внешнего фотоэффекта, полученные из эксперимента (законы Столетова), следующие.

  1.  Число выбитых из вещества электронов пропорционально интенсивности падающего электромагнитного излучения (при его фиксированной частоте).
  2.  Начальная скорость выбитых из вещества электронов не зависит от интенсивности падающего электромагнитного излучения, а определяется только его частотой.
  3.  Для каждого вещества существует своя минимальная частота падающего электромагнитного излучения, при которой возникает фотоэффект.

Явление внешнего фотоэффекта было объяснено А. Эйнштейном. Он предположил, что электромагнитное излучение распространяется в виде отдельных порций – квантов. Падающий на вещество квант с энергией       (h = 6,62 ∙ 10 – 34 Дж ∙ с – постоянная Планка, ν – частота падающего электромагнитного излучения) может поглотиться электроном. При этом энергия кванта передается электрону, причем часть ее затрачивается на работу по удалению электрона из вещества (работа выхода А) и оставшаяся часть идет на сообщение кинетической энергии  вылетевшему электрону  (здесь m – масса электрона, v – скорость, с которой электрон вылетает из вещества).

Закон сохранения энергии в данном процессе записывается в следующем виде:

                                                                            (1)

и называется уравнением Эйнштейна для фотоэффекта.

Уравнение Эйнштейна легко объясняет все закономерности внешнего фотоэффекта, открытые Столетовым. Действительно, чем больше интенсивность падающего электромагнитного излучения, тем больше квантов падает на вещество и взаимодействует с электронами вещества и, следовательно, тем больше выбивается электронов. Поскольку работа выхода электрона для каждого вещества постоянна, то из уравнения Эйнштейна (1) видно, что чем больше частота падающего электромагнитного излучения, тем больше скорость выбитого электрона. И наконец, как видно из уравнения (1), для того чтобы внешний фотоэффект имел место, энергия падающего кванта должна превышать работу выхода электрона из вещества ( > А). Следовательно, внешний фотоэффект имеет место лишь в том случае, когда частота падающего электромагнитного излучения превышает некоторую минимальную частоту, определяемую из уравнения

0 = А.                                                  (2)

Поскольку частота и длина волны λ связаны соотношением

,                                                   (3)

где с – скорость света, то можно также сказать, что внешний фотоэффект наблюдается в том случае, если длина волны падающего электромагнитного излучения λ меньше длины волны λ0, определяемой из соотношения

.                                                (4)

Минимальная частота ν0 (или максимальная длина волны λ0), при которой возможен внешний фотоэффект, называется красной границей фотоэффекта:

,                            .                             (5)

На явлении внешнего фотоэффекта основано действие вакуумного фотоэлемента (рис. 1). Он представляет собой стеклянный баллон,  из которо-

го  отка

чан воздух. Часть внутренней поверхности баллона покрыта фоточувствительным слоем, служащим фотокатодом. Для регистрации видимого и инфракрасного излучения используется кислородно-цезиевый фоточувствительный   слой.   В    качестве  анода

Рис. 1. Устройство фотоэлемента

обычно используется кольцо или сетка, помещаемая в центре баллона. Фотоэлемент включается в цепь батареи. При попадании на фотокатод электромагнитного излучения из него выбиваются электроны, которые летят к аноду. В результате по цепи протекает электрический ток.

Зависимость фототока от напряжения  (вольт-амперная  характеристи-

ка) изображена на рис. 2. Электроны вылетают из фотокатода в различных   направлениях, но приложенное напряжение заставляет их перемещаться к аноду. С ростом напряжения фототок возрастает, т.е. все большее количество выбитых электронов достигает анода. Максимальное значение фототока Jн (называемое фототоком насыщения), определяется таким значением U, при котором все электроны, испускаемые фотокатодом,   достигают   анода.   По-

скольку  вылетевшие  из  фотокатода электроны обладают некоторой начальной скоростью v и отличной от нуля кинетической энергией, то они могут достигать анода при   U = 0, т.е. при U = 0 фототок не прекращается. Для того чтобы Jф = 0, необходимо приложить задерживающее напряжение U3, т.е. на анод подать небольшой отрицательный потенциал.

Кроме внешнего фотоэффекта еще существуют внутренний фотоэффект и вентильный фотоэффект.

Внутренним фотоэффектом называется переход электронов в полупроводниках или диэлектриках из связанных состояний в свободные  (без вылета наружу) под действием электромагнитного излучения. В результате внутреннего фотоэффекта концентрация свободных электронов в веществе возрастает и увеличивается его проводимость.

Вентильным фотоэффектом называется возникновение электродвижущей силы (генерации электронов и дырок) при облучении электромагнитным излучением контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Схема установки, на которой проводится исследование фотоэлемента, приведена на рис. 3. Питание фотоэлемента  Ф  осуществляется   от   выпря-

мителя. Выпрямленное напряжение регулируется потенциометром П и измеряется вольтметром U. Величина фототока Jф измеряется микроамперметром μА. Лампа Л осветителя питается от автотрансформатора АТ. Фотоэлемент и осветитель закреплены стопорными винтами на оптической  скамье,  причем  осветитель может перемещаться по ней.

        

        Рис. 3. Схема установки для

        исследования фотоэлемента

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

  1.  Определить самостоятельно основные метрологические характеристики микроамперметра (ток измеряется в мкА) и вольтметра (напряжение измеряется в В). Результаты занести в табл. 1.
  2.  Подать напряжение на фотоэлемент; включить осветитель.
  3.  Снять вольт-амперную характеристику. Для этого установить осветитель на расстоянии 40 см от фотоэлемента и, меняя напряжение на фотоэлементе от 10 В до 140 В через 10 В, измерить соответствующее значение фототока Jф. При этом стрелка микроамперметра не должна зашкаливать. Если стрелка микроамперметра зашкаливает, установить расстояние между фотоэлементом и осветителем 50 см и повторить измерения. Результаты измерений занести в табл. 2. Построить на миллиметровке график зависимости Jф от U.
  4.  Снять световую характеристику. Для этого установить на фотоэлементе постоянное напряжение 140 В. Изменяя расстояние ℓ от осветителя до фотоэлемента от 80 см до 40 см через каждые 5 см, измерить значения фототока Jф. Для каждого значения вычислить световой поток Ф по формуле    

,

где I – сила света лампы осветителя; S – площадь фотокатода.

В единицах СИ значение S измеряется в м2, ℓ в м, I в кд, световой поток Ф в лм. Значения силы света лампы и диаметра фотокатода указаны на установке. Полученные значения ℓ, Ф и Jф занести в табл. 3. Построить на миллиметровке график зависимости Jф от Ф.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

  1.  Почему фототок пропорционален световому потоку?
  2.  Почему скорость фотоэлектронов не зависит от величины светового потока?
  3.  Объясните уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.
  4.  Что такое красная граница фотоэффекта?
  5.  При попадании на некоторое вещество красного света внешний фотоэффект наблюдался. Будет ли наблюдаться фотоэффект при облучении этого же вещества синим светом?

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1.  Трофимова Т. И. Курс физики. М.: Высшая школа, 1999. 542 с.
  2.  Савельев И. В. Курс общей физики: В 3 т. М.: Наука, 1989. Т. 3. 320 с.

ОБРАЗЕЦ ОТЧЕТА

Лабораторная работа № 55

Исследование фотоэлемента

Цель работы:

Задача:

Приборы и принадлежности:

Таблица 1

Основные метрологические характеристики приборов

 

Прибор  

Диапазон

измерений

Цена деления шкалы прибора

Погрешность измерения

Микроамперметр

Вольтметр

Основные понятия и законы:

Таблица 2

Вольт-амперная характеристика

 

U (B)

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

JФ (мкА)

График зависимости JФ от U

Вычисление значений светового потока Ф при разных  расстояниях между осветителем и фотоэлементом

Таблица 3

Световая характеристика

ℓ (см)

80

75

70

65

60

55

50

45

40

Ф (лм)

Jф (мкА)

График зависимости Jф от Ф

Выводы:


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

81446. Алиментарные и вторичные авитаминозы и гиповитаминозы. Гипервитаминозы 107.12 KB
  С нарушением поступления витаминов в организм связаны 3 принципиальных патологических состояния: недостаток витамина гиповитаминоз отсутствие витамина авитаминоз и избыток витамина гипервитаминоз. Примеры авитаминозов: Авитаминоз С Цинга недостаток витамина C приводит к нарушению синтеза коллагена соединительная ткань теряет свою прочность. Авитаминоз D Рахит специфическая функция витамина D заключается в регуляции процессов всасывания кальция фосфора в кишечнике и отложения их в костную ткань а также реабсорбции кальция и...
81447. Минеральные вещества пищи. Региональные патологии, связанные с недостаточностью микроэлементов в пище и воде 104.17 KB
  В настоящее время 14 микроэлементов признаны необходимыми для жизнедеятельности: железо медь марганец цинк кобальт йод фтор хром молибден ванадий никель стронций кремний селен. При его недостатке часто возникают боли в суставах которые иногда ошибочно принимают за проявления ревматизма ЖЕЛЕЗО FeНедостаток железа в питании может вызвать анемию малокровие. В сочетании с белком железо образует красящее вещество крови гемоглобин а так как процесс распада и образования кровяных телец непрерывен то железо должно поступать в...
81448. Понятие о метаболизме и метаболических путях. Ферменты и метаболизм. Понятие о регуляции метаболизма. Основные конечные продукты метаболизма у человека 105.69 KB
  Обычно в метаболических путях есть ключевые ферменты благодаря которым происходит регуляция скорости всего пути. Регуляция количества молекул фермента в клетке Известно что белки в клетке постоянно обновляются. Регуляция синтеза белка может происходить на любой стадии формирования белковой молекулы. Что касается распада ферментов то регуляция этого процесса менее изучена.
81449. Исследования на целых организмах, органах, срезах тканей, гомогенатах, субклеточных структурах и на молекулярном уровне 104.98 KB
  в биохимии всё шире применяются методы молекулярной и клеточной биологии в особенности искусственная экспрессия и нокаут генов в модельных клетках и целых организмах см. Определение структуры всей геномной ДНК человека выявило приблизительно столько же ранее неизвестных генов и их неизученных продуктов сколько уже было известно к началу XXI века благодаря полувековым усилиям научного сообщества. Искусственая экспрессия ранее неизвестных генов предоставила биохимикам новый материал для исследования часто недоступный традиционными методами....
81450. Эндэргонические и экзэргонические реакции в живой клетке. Макроэргические соединения 126.67 KB
  Многие из этих реакций происходят при участии аденозинтрифосфата АТФ играющего роль сопрягающего фактора. При сопряжении процессов 1 и 2 в реакции катализируемой гексокиназой фосфорилирование глюкозы легко протекает в физиологических условиях; равновесие реакции сильно сдвинуто вправо и она практически необратима...
81451. Дегидрирование субстрата и окисление водорода (образование Н2О) как источник энергии для синтеза АТФ. НАД- и ФАД-зависимые дегидрогеназы, убихинон-дегидрогеназа, цитохромы и цитохромоксидаза 152.07 KB
  Электроны обладающие высоким энергетическим потенциалом передаются от восстановленных коферментов NDH и FDH2 к кислороду через цепь переносчиков локализованных во внутренней мембране митохондрий. Они катализируют реакции типа: RCHOHR1 ND↔ RCOR1 NDH Н. Однако возможно включение электронов с NDPH в ЦПЭ благодаря действию пиридиннуклеотид трансгидрогеназы катализирующей реакцию: NDPH ND NDP NDH. К FMNсодержащим ферментам принадлежит NDHдегидрогеназа которая также локализована во внутренней мембране митохондрий; она...
81452. Окислительное фосфорилирование, коэффициент Р/О. Строение митохондрий и структурная организация дыхательной цепи. Трансмембранный электрохимический потенциал 107.79 KB
  Синтез АТФ из АДФ и Н3РО4 за счёт энергии переноса электронов по ЦПЭ называют окислительным фосфорилированием. В совокупности электрический и концентрационный градиенты составляют электрохимический потенциал ΔμН источник энергии для синтеза АТФ. Энергия электрохимического потенциала ∆μH используется для синтеза АТФ если протоны возвращаются в матрикс через ионные каналы АТФсинтазы. Строение АТФсинтазы и синтез АТФ АТФсинтаза НАТФаза интегральный белок внутренней мембраны митохондрий.
81453. Регуляция цепи переноса электронов (дыхательный контроль). Разобщение тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования. Терморегуляторная функция тканевого дыхания 104.8 KB
  Скорость использования АТФ регулирует скорость потока электронов в ЦПЭ. Если АТФ не используется и его концентрация в клетках возрастает то прекращается и поток электронов к кислороду. С другой стороны расход АТФ и превращение его в АДФ увеличивает окисление субстратов и поглощение кислорода. Механизм дыхательного контроля характеризуется высокой точностью и имеет важное значение так как в результате его действия скорость синтеза АТФ соответствует потребностям клетки в энергии.
81454. Нарушения энергетического обмена: гипоэнергетические состояния как результат гипоксии, гипо-, авитаминозов и других причин. Возрастная характеристика энергетического обеспечения организма питательными веществами 102.97 KB
  Все живые клетки постоянно нуждаются в АТФ для осуществления различных видов жизнедеятельности. Клетки мозга потребляют большое количество АТФ для синтеза нейромедиаторов регенерации нервных клеток поддержания необходимого градиента N и К для проведения нервного импульса; почки используют АТФ в процессе реабсорбции различных веществ при образовании мочи; в печени происходит синтез гликогена жиров белков и многих других соединений; в миокарде постоянно совершается механическая работа необходимая для циркуляции крови; скелетные мышцы в...