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

9300. Синдром длительного сдавления 18.66 KB
  Лекция №19 Синдром длительного сдавления. В локализации повреждений преобладает как правило, сдавление конечностей (60% всех случаев СДС - нижние конечности, и 20% - верхние). При уже развившейся острой почечной недостаточности летальность дост...
9301. Медицина катастроф. Классификация. Организация медицинской помощи 26.56 KB
  Лекция №20 Медицина катастроф. Классификация. Организация медицинской помощи. Рост тяжелых антропогенных и природных катаклизм, сопровождающийся значительным материальным ущербом и огромными человеческими жертвами стал поводом и основной причиной дл...
9302. Ожоговая травма. Ожоговая болезнь. Современные принципы терапии 24.23 KB
  Лекция №21 Ожоговая травма. Ожоговая болезнь. Современные принципы терапии. Ожоги - повреждение тканей, вызванные воздействием термической, химической, электрической или лучевой энергии. В первую очередь поражаются кожные покровы (4-6% массы те...
9303. Отморожения. Общее переохлаждение. Современные принципы терапии 23.62 KB
  Лекция №22 Отморожения. Общее переохлаждение. Современные принципы терапии. Холодовая травма (криотравма) - поражение тканей в результате воздействия на организм низкой температуры окружающей среды. Делится: Местная: Острая - ч...
9304. Первичная хирургическая обработка ран. Профилактика раневой инфекции 17.91 KB
  Лекция №23 Первичная хирургическая обработка ран. Профилактика раневой инфекции. Первичная - это первое по счету вмешательство, проведенное по первичным показаниям, обусловленным характером ранения с целью профилактики раневой инфекции. Вторичн...
9305. Специфическая острая хирургическая инфекция 19.72 KB
  Лекция №24 Специфическая острая хирургическая инфекция Столбняк (tetanus - тяну, вытягиваю) - зооантропонозное бактериальное острое инфекционное заболевание с контактным механизмом передачи возбудителя, характеризующееся поражением нервной...
9306. ВИЧ-инфекция в хирургии (хирургические маски СПИДа) 19.43 KB
  Лекция №26 ВИЧ-инфекция в хирургии (хирургические маски СПИДа) ВИЧ-инфекция - вирусная антропонозная инфекция, характеризующаяся медленным течением с прогрессирующим развитием иммунодефицита, приводящая к летальному исходу в результате присоеди...
9307. Перитонит. Проблемы и современные принципы лечения 20.48 KB
  Лекция №27 Перитонит. Проблемы и современные принципы лечения. Патогенез перитонита: Инвазия бактерий Снижение потребления кислорода клетками Высвобождение токсинов Воспалительный отек брюшины Тахикардия Аутовенозное шунтирование в легких Нарушение ...
9308. Договор контрактации 26.5 KB
  Тема №8: Договор контрактации. Понятие договора. Договор контрактации - отдельный вид договора купли-продажи - признан регулировать отношения, связанные с закупками сельскохозяйственных организаций и крестьянско-фермерских ...