38001

ИЗУЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЗАКОНОВ ФОТОЭФФЕКТА И ИЗМЕРЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ ПЛАНКА

Лабораторная работа

Физика

Введение Постоянная Планка h играет в квантовой физике такую же роль как скорость света с в релятивистской физике. В начале XX века была создана так называемая старая квантовая теория в основе которой лежат гипотеза Планка о дискретном характере испускания и поглощения света осциллятором введенное Эйнштейном представление о квантах света фотонах и его уравнение фотоэффекта построенная Бором теория простейших атомов. Внешний фотоэффект Фотоэффектом называется освобождение полное или частичное электрона от связей с атомами и...

Русский

2013-09-25

68.4 KB

10 чел.

Лабораторная работа № 3.23

ИЗУЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЗАКОНОВ ФОТОЭФФЕКТА И ИЗМЕРЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ ПЛАНКА2

М.А. Иванов

Цель работы:

  1.  Изучить основные законы фотоэффекта.
  2.  Измерить постоянную Планка.
  3.  Оценить работу выхода материала фотокатода.
  4.  Введение

Постоянная Планка h играет в квантовой физике такую же роль, как скорость света с в релятивистской физике. Эти фундаментальные мировые константы определяют границы применимости классического описания.

В масштабах макромира числовое значение постоянной Планка чрезвычайно мало. Этим объясняется широкая применимость классической физики с лежащей в ее основе концепцией непрерывности к описанию макроскопических явлений. Решение проблемы теплового излучения исторически было первым шагом на пути к разгадке «тайны потерянной константы». Впоследствии ограниченность представлений классической физики обнаружила себя при исследовании фотоэффекта  и при попытках объяснения устойчивости атомов и закономерностей в спектрах из излучения. В начале XX века была создана так называемая «старая квантовая теория», в основе которой лежат гипотеза Планка о дискретном характере испускания и поглощения света осциллятором, введенное Эйнштейном представление о квантах света (фотонах) и его уравнение фотоэффекта, построенная Бором теория простейших атомов. Но старая квантовая теория не представляла собой стройной, логически замкнутой модели. Удачно описав некоторые экспериментальные факты, она не могла дать правильного объяснения и количественного описания всего многообразия явлений микромира. С наступлением второй четверти двадцатого столетия начинается период создания современной квантовой теории с ее надежными логически непротиворечивыми основными положениями и адекватным математическим аппаратом.

Фундаментальная константа h — постоянная Планка, играющая выдающуюся роль в современной физике, — может быть определена экспериментально как с помощью законов излучения черного тела, так и другими, более прямыми и точными методами. Измерение постоянной Планка можно осуществить на основе свойств разных физических явлений: тепловое излучение, фотоэффект, коротковолновая граница сплошного рентгеновского спектра, эффект Джозефсона в сверхпроводниках и др. Полученные в результате опытов значения постоянной h хорошо согласуются друг с другом.

Учитывая изложенное, приобретение студентами ВУЗов практических навыков измерения постоянной Планка лабораторными методами является важным аспектом изучения квантовой физики.

В данной лабораторной работе измерение постоянной Планка производится на основе внешнего фотоэффекта. Отличие от традиционной схемы, в которой используют чувствительный гальванометр для измерения малого фототока, состоит в использовании менее дорогостоящего милливольтметра для измерения суммы фото-ЭДС и напряжения источника.

  1.  Внешний фотоэффект

Фотоэффектом называется освобождение (полное или частичное) электрона от связей с атомами и молекулами вещества под воздействием света (видимого, инфракрасного, ультрафиолетового). Если электроны выходят за пределы твердого или жидкого освещаемого вещества (полное освобождение), то фотоэффект называется внешним. Внешний фотоэффект изучался в 1887 году Г. Герцем и подробно исследован в 1888 - 1890 годах А.Г. Столетовым.

Ниже приведена традиционная схема, с помощью которой можно наблюдать внешний фотоэффект. G – гальванометр, позволяющий измерять значения малых токов (цена деления обычно 50 нА).

Независимо от интенсивности света, фотоэффект начинается только при определенной (минимальной для данного вещества) частоте света , называемой «красной границей» фотоэффекта. Этой минимальной частоте соответствует максимальная длина волны , которая также называется красной границей фотоэффекта (с – скорость света).

Рис. 1. Традиционная схема для наблюдения внешнего фотоэффекта.

Энергия фотона h, поглощенная электроном, частично расходуется на совершение электроном работы выхода А из вещества. Оставшаяся часть энергии представляет собой кинетическую энергию фотоэлектрона , где m - масса электрона,  – его начальная скорость. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта:

,     (1)

где  – максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона. Согласно уравнению (1), с уменьшением частоты света кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается, т. к. величина А постоянна для данного вещества. При некоторой частоте  = кинетическая энергия фотоэлектрона станет равной нулю, и фотоэффект прекратится. Это будет иметь место при h= А, т.е. в случае, когда вся энергия фотона расходуется на совершение работы выхода. Тогда

.     (2)

Если подать на катод (+), а на анод (–), то между катодом и анодом создается тормозящее электроны электрическое поле. При прохождении электроном расстояния между катодом и анодом силы поля совершают работу, равную eU (e – заряд электрона, U – разность потенциалов между катодом и анодом), которая идет на торможение электрона. В том случае, когда эта работа больше максимальной начальной кинетической энергии электрона, т.е.

,     (3)

все электроны полностью тормозятся прежде, чем достигнут анода, после чего возвращаются обратно на катод. Значение «запирающего» напряжения  определяется из равенства:

    (4)

  1.  Измерение постоянной Планка

Соотношение (4) дает возможность использовать явление фотоэффекта для измерения постоянной Планка.

Если мы будем облучать фотокатод сначала светом одной частоты , а затем другой  и определим соответствующие значения напряжения  и , то получим следующие равенства (сделав замену: , где  - длина волны света):

    (5)

Решая их совместно, получим:

    (6)

Для удобства вычислений в дальнейшем будем находить произведение hc, (его табличное значение: hc=1,254 эВ·мкм, где h – постоянная Планка, , с – скорость света, .

  1.  Описание лабораторной установки

Вместо гальванометра в данной установке использован милливольтметр, который позволяет определять малые значения напряжения. С помощью милливольтметра измеряется напряжение , где  - фото-ЭДС, генерируемая за счёт попадания света. Если бы мы измеряли в этой схеме фототок  с помощью гальванометра, то фототок  обратился бы в ноль при условии . Следовательно, находя точку, где , и измеряя соответствующее напряжение U, мы измеряем то самое напряжение, при котором фототок  обращается в ноль.

Вместо фотоэлемента в установке использован фотоэлектронный умножитель ФЭУ-13. Благодаря большой площади фотокатода, ФЭУ-13 при дневном освещении создаёт напряжение между фотокатодом и фотоанодом до 500 mV при U = 0.

Схема установки для измерения постоянной Планка с лампами накаливания в качестве источников света показана ниже. Между лампами и фотокатодом установлены синий и желтый светофильтры для выделения узких полос излучения из широкого спектра света ламп.

Интенсивность света меняется при помощи диода, включенного последовательно с лампой накаливания. При включении диода в цепь мощность лампочек P уменьшается в 4 раза.

Рис. 2. Схема лабораторной установки с лампами накаливания. Здесь Б – батарейка на 9 В, R – потенциометр, V – вольтметр для измерения U, Ф – фотоумножитель ФЭУ–13, mV – милливольтметр для измерения , включенный последовательно.

При сопротивлении милливольтметра 1 МОм изменение его показания на 1 мВ соответствует изменению фототока на 1 нА ( ≈ 1нА), т.е. чувствительность примерно в 50 раз выше, чем при использовании схемы Рис. 1.

В другом варианте установки для измерения постоянной Планка вместо ламп накаливания в качестве источников света использованы светодиоды. Между светодиодами и фотокатодом также установлены синий и желтый светофильтры. Интенсивность света меняется путем изменения величины балластного сопротивления, включенного последовательно со светодиодом и ограничивающего ток через него. При меньшем значении  балластного сопротивления ток через светодиод равен , а при большем    Величина балластного сопротивления меняется с помощью переключателя “/”. Для этого варианта установки 𝝀ж = 0,597 мкм, 𝝀с=0,550 мкм.

  1.  Порядок выполнения работы

1. Проверить, что показание милливольтметра при закрытом от света ФЭУ-13 равно нулю. Включить лампочку №1 (светофильтр ЖС-19, 𝝀ж = 0,580 мкм) и подать на ФЭУ-13 задерживающее напряжение. Увеличивая задерживающее напряжение, добиться ослабления фототока до нуля и измерить значение задерживающего напряжения Uз1 с точностью до милливольта.

2. Аналогичные измерения провести со вторым светофильтром (синий, 𝝀с=0,510 мкм), определить Uз2. (При работе на установке со светодиодами принять: 𝝀ж = 0,597 мкм, 𝝀с=0,550 мкм.)

3. Измерения повторить 3 раза для каждого светофильтра. Полученные данные занести в таблицу 1.

4. Усредненные значения задерживающих напряжений подставить в формулу (6) и вычислить произведение hc.

5. Сравнить полученное значение hс с табличным и вычислить относительную погрешность.

6. Из любого уравнения системы (5) найти работу выхода материала фотокатода А. По формуле (2) найти 𝝀max.

7. Снять вольтамперные характеристики  для каждого из светофильтров для двух интенсивностей света. Построить 4 графика . Снимать данные от -Uз до нуля с шагом 100 мВ, сменить полярность напряжения U, используя тумблер «смена полярности», и снимать данные от 0 В до +2 В с шагом 200 мВ, а от +2 В до +9 В с шагом 1 В. Данные занести в таблицу 2.

8. После выполнения работы отключить от сети макет и измерительные приборы.

Таблица 1. Результаты измерений.

1

2

3

, мВ

, мВ

Таблица 2. Результаты измерений.

Синий фильтр

Жёлтый фильтр

Мощность лампочки

Мощность лампочки

P/4

P

P/4

P

U, мВ

Uф, мВ

U, мВ

Uф, мВ

U, мВ

Uф, мВ

U, мВ

Uф, мВ

  1.  Контрольные вопросы

  1.  Что называется фотоэффектом?
  2.  Как устроен ФЭУ?
  3.  Что называется вольтамперной характеристикой фотоэлемента?
  4.  Что называется красной границей фотоэффекта?
  5.  От чего зависит сила фототока?
  6.  Написать и объяснить уравнение Эйнштейна.
  7.  Объясните физический смысл задерживающего потенциала.

  1.  Литература

1. И. В. Савельев. Курс общей физики. Том 3. - М.: Наука, 1987.

2. Е. И.  Бутиков. Оптика: Учеб. пособие для вузов/Под ред. Н. И, Калитеевского. — М.: Высш. шк., 1986.

3. О.С. Айданова, С.А. Сверчинская. Изучение основных законов фотоэффекта и определение постоянной Планка: Методические рекомендации. Иркутский государственный университет, 1999.

Краткая инструкция по выполнению

лабораторной работы № 3.23

Рис. 1. Схема установки с лампами накаливания, где Б – батарейка на 9 В, R – потенциометр, V – вольтметр для измерения U, Ф – фотоумножитель ФЭУ–13, mV – милливольтметр для измерения Uф.

Порядок выполнения работы

1. Проверить, что показание милливольтметра при закрытом от света ФЭУ-13 равно нулю. Включить лампочку №1 (светофильтр ЖС-19, 𝝀ж = 0,580 мкм) и подать на ФЭУ-13 задерживающее напряжение. Увеличивая задерживающее напряжение, добиться ослабления фототока до нуля и измерить значение задерживающего напряжения Uз1 с точностью до милливольта.

2. Аналогичные измерения провести со вторым светофильтром (синий, 𝝀с=0,510 мкм), определить Uз2. (При работе на установке со светодиодами принять: 𝝀ж = 0,597 мкм, 𝝀с=0,550 мкм.)

3. Измерения повторить 3 раза для каждого светофильтра. Полученные данные занести в таблицу 1.

4. Усредненные значения задерживающих напряжений подставить в формулу (6) и вычислить произведение hc.

5. Сравнить полученное значение hс с табличным и вычислить относительную погрешность.

6. Из любого уравнения системы (5) найти работу выхода материала фотокатода А. По формуле (2) найти 𝝀max.

7. Снять вольтамперные характеристики  для каждого из светофильтров для двух интенсивностей света. Построить 4 графика . Снимать данные от -Uз до нуля с шагом 100 мВ, сменить полярность напряжения U, используя тумблер «смена полярности», и снимать данные от 0 В до +2 В с шагом 200 мВ, а от +2 В до +9 В с шагом 1 В. Данные занести в таблицу 2.

8. После выполнения работы отключить от сети макет и измерительные приборы.

2 Макет лабораторной установки был изготовлен в 2010 г. студентами гр. 963001 2-го курса факультета телекоммуникаций БГУИР Поповым Е.В., Осиповым А.Г. и Гроцким Д.Л. под руководством доцента Иванова М.А. Ими же составлено описание лабораторной работы.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

39861. Модернизация конструкции передвижного стола пресса ковочного гидравлического пресса усилием 150 МН 3.45 MB
  В контексте всего вышесказанного в данном дипломном проекте рассмотрены вопросы производительности гидравлического пресса и на основании исследований были произведены изменения в цилиндре стола с целью увеличения производительности также проведены мероприятия по охране труда и гражданской обороне. В качестве аккумуляторов в кривошипных и винтовых прессах применяют маховики в гидропрессахгидроаккумуляторы и в гидровинтовых прессах маховики и гидроаккумуляторы. Однако особый интерес представляют пресса большой мощности к ним относятся...
39862. Экономическое обоснование создания нового предприятия (на примере ООО «Blue bird») 847.5 KB
  В дипломном проекте дана характеристика разрабатываемой станции технического обслуживания, проанализирован рынок сбыта и конкуренция. Также было подсчитано количество необходимого рабочего персонала для оптимальной работы предприятия, разработан план маркетинга и план производства.
39863. УСТРОЙСТВА ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ 469.5 KB
  Созданы волоконные световоды с малыми потерями: затухание сигнала = 1 дБ км в ближней ИК области спектра. Наиболее широкополосны одномодовые световоды в области длин волн 126 132 мкм где материальная дисперсия кварцевых стёкол ближе к 0; полоса пропускания составляет 1011 Гцкм. Важными свойствами такого перехода является наличие обедненной носителями области перехода концентрирующей относительно сильное поле и области поглощения где поглощается падающий свет захватываются фотоны. Структура рn перехода: 1 обедненная область; 2 ...
39864. Обществознание. Учебник для 11 класа 2.83 MB
  азделение общества на группы называют социальной дифференциацией. Слово «дифференциация» происходит от латинского корня, означающего «различие». Многие исследователи считают, что дифференциация свойственна любому обществу. Даже в первобытных племенах выделялись группы в соответствии с полом и возрастом, с присущими им привилегиями и обязанностями.
39865. АВТОМОБИЛЬНЫЙ РЕЧЕВОЙ ИНФОРМАТОР 675 KB
  Курсовой проект выполнен на листах содержит чертежей.5 В каждый тарный ящик должен быть вложен упаковочный лист составленный по форме принятой предприятием изготовителем и согласованной с представителем заказчика. Упаковочный лист и сопроводительная документация должны находиться в пакете из полиэтиленовой плёнки ГОСТ 1035482. Сам корпус изготовляется из листового алюминиевого сплава толщиной 1 мм.
39866. Автомобильный речевой информатор 320.5 KB
  Были произведены необходимые инженерные расчеты. РАСЧЕТНОТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Анализ технического задания описания работы информатора речевого автомобильного 1. Проверочный схемотехнический расчет 1. Компоновочный расчет 1.
39867. Разработка стенда для снятия фазо-токовых характеристик ферритовых фазовращателей 1.11 MB
  Нормы времени на разработку определяем из Нормативы времени на разработку КД в НИИ и КБ по всем направлениям техники на ОАО ММЗ; п количество листов документации ед; К комплексный коэффициент учитывающий различные условия организации труда и вид разрабатываемой аппаратуры. К1 = 10 тип производства единичное; К2 = 10 условия применения РЭС стационарная; К3 = 14 количество чертежей; К4 = 06 одновариантная разработка чертежа; К5 = 12 перевод на иностранный язык; К6 = 085 метод размножения документов; К7 = 09 ...
39868. АЦП с буферной памятью 1.45 MB
  Схема АЦП с буферной памятью состоит из следующих блоков: генератор тактовых импульсов, счётчик формирователь адресов, буферную память составляет динамическое ОЗУ, мультиплексор, регистр последовательного приближения, буферный регистр, компаратор, ЦАП и три логических элемента.
39869. Разработка электронного блока для ИИС мониторинга тепловых полей растений 1.38 MB
  В данном дипломном проекте представлен электронный блок для мониторинга температуры деревьев предназначенный для мониторинга окружающей среды. Блок обеспечивает длительные измерения и регистрацию температуру стволов деревьев в атомном режиме. Между состоянием деревьев их водным режимом и температурой стволов существует определенная связь. Температуре деревьев свойственен свой суточный ход который коррелирует с суточным ходом солнечной радиации и температуры воздуха и оказывается смещен по сравнению с ними во времени в зависимости от...