42348

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ ПЛАНКА

Лабораторная работа

Физика

Световой поток Ф падающий на катод покрытый фоточувствительным слоем фотокатод вызывает фотоэлектронную эмиссию и при положительном напряжении на аноде относительно катода в вакуумном промежутке создается поток свободных электронов фототок рис. Основными характеристиками фотоэлемента являются следующие: 1 вольтамперная характеристика зависимость фототока от анодного напряжения U при постоянном световом потоке рис.2; 2 частотная характеристика зависимость фототока от частоты при постоянном световом потоке рис. При...

Русский

2013-10-29

88 KB

9 чел.

Лабораторная работа 8.3.

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА

И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ ПЛАНКА

Библиографический список

Трофимова Т. И. Курс физики. М.: Высшая школа, 1985.

Савельев И.В. Курс общей физики. – М.: Наука, 1988. Т. 3.

Цель работы: экспериментальная проверка уравнения Эйнштейна по установлению линейной зависимости между задерживающим потенциалом и частотой света.

Приборы и принадлежности: лабораторная установка «Изучение законов внешнего фотоэффекта».

Описание метода и экспериментальной установки

Фотоэффект принадлежит к явлениям, в которых обнаруживаются корпускулярные свойства света. Энергетический баланс взаимодействия фотона со связанным электроном для внешнего фотоэффекта устанавливается уравнением Эйнштейна

   (1)

где: h - постоянная Планка; - частота света; A - работа выхода электрона; mv2/2 - кинетическая энергия фотоэлектронов.

Электроны, вылетающие под действием света, движутся с различными скоростями. Наибольшей скоростью будут обладать электроны, вырванные с самого верхнего энергетического уровня в металле. Электроны, вырванные с более глубоких энергетических уровней или претерпевшие еще до выхода столкновения внутри вещества, будут иметь меньшую скорость. Поэтому соотношение (1) определяет кинетическую энергию не всех, а только наиболее быстрых электронов

Следовательно,

     (2)

Приборы, устройство которых основано на внешнем фотоэффекте, называются фотоэлементами. Фотоэлемент представляет собой стеклянный баллон, в который впаяны фотокатод и анод. Световой поток Ф, падающий на катод, покрытый фоточувствительным слоем (фотокатод), вызывает фотоэлектронную эмиссию и при положительном напряжении на аноде относительно катода в вакуумном промежутке создается поток свободных электронов (фототок), (рис.1).

Основными характеристиками фотоэлемента являются следующие:

1) вольтамперная характеристика - зависимость фототока от анодного напряжения U при постоянном световом потоке (рис.2);


2) частотная характеристика - зависимость фототока от частоты при постоянном световом потоке (рис.3).

 

Для измерения энергии фотоэлектронов обычно пользуются методом задерживающего потенциала. Этот метод заключается в том, что около фотокатода создается тормозящее поле, т.е. на анод подается отрицательный по отношению катода потенциал U. В этом случае долететь до анода смогут только те электроны, кинетическая энергия которых больше работы, которую необходимо совершить против сил тормозящего поля (ЕK > eU). Поэтому при увеличении U анодный ток будет уменьшаться. При некотором значении U = Uз (потенциал запирания или задерживающий потенциал) даже наиболее быстрые фотоэлектроны не смогут достичь анода и анодный ток станет равен нулю (рис.4).

Максимальная кинетическая энергия связана с задерживающим потенциалом следующим соотношением:

   (3)

Подставив уравнение (3) в уравнение (2), получим

   (4)

Из уравнения (4) видно, что между задерживающим потенциалом и частотой света существует следующая линейная зависимость, уравнение прямой линии Uз() (рис. 5)

              (5)

 

По тангенсу угла наклона этой прямой к оси абсцисс () можно рассчитать постоянную Планка. На рис. 5   , откуда

,    (6)

где е = 1,6.10-19 Кл – заряд электрона.

Следует обратить внимание, что берётся не конкретный угол наклона прямой на графике Uз(), а его тангенс с учётом выбранного масштаба по осям Uз и .

Внешний вид лабораторной установки приведён на
рис. 6.

Работа выхода определяется пересечением продолжения экспериментальной прямой с осью ординат. Чтобы получить значение работы выхода в джоулях, полученную величину нужно умножить на заряд электрона. Работа выхода в электронвольтах равна значению потенциала, соответствующего точке пересечения.

Для экспериментальной проверки справедливости этой зависимости необходимо определить соответствующие задерживающие потенциалы для различных частот (длин волн). На опыте величина задерживающего потенциала определяется по графику зависимости анодного тока I от U3 (рис.4). Точка пересечения кривой с осью U (I = 0) определяет задерживающий потенциал.

Порядок выполнения работы.

  1.  Проверить положение ручек потенциометра П1 и сопротивления R2 (ручки должны быть повернуты против часовой стрелки до упора).
  2.  Включить тумблеры К1 и K2.
  3.  Установить красный светофильтр.
  4.  Ручкой сопротивления R2 установить максимальный ток (0,9-0,95 всей шкалы микроамперметра).
  5.  Проверить действие усилителя постоянного тока. Для этого подать с помощью потенциометра R1 (средняя рукоятка прибора) максимальный задерживавший потенциал и с помощью потенциометра установки нуля (крайняя левая ручка) установить стрелку микроамперметра на 0.
  6.  Установить задерживающий потенциал на 0. При этом стрелка микроамперметра должна вновь отклониться на 0,9-0,95 всей шкалы. Если отклонение будет другим, вновь подогнать его к этому значению с помощью правой рукоятки.
  7.  Повторить операции по п.п.5 и 6. При этом, когда задерживающий потенциал максимален, ток должен быть равен нулю; при задерживающем потенциале равном нулю, ток должен составлять 0,9-0,95 всей длины шкалы.
  8.  Изменяя задерживающий потенциал в пределах от нуля до максимального через 0,1 - 0,2 записать значения тока.
  9.  Проделать измерения по п.п.4 - 8 при жёлтом, зелёном и синем светофильтрах.
  10.  Построить для каждого светофильтра на одном листе миллиметровки график зависимости I = f(U).
  11.  Экстраполируя полученную кривую к оси U3 , определить величину задерживающего потенциала, соответствующего
    I = 0 (см. рис.4).
  12.  Построить график зависимости задерживающего потенциала от частоты.
  13.  По графику определить постоянную Планка (см. рис.5).
  14.  Пользуясь графиком, рассчитать работу выхода А.


Таблица записи результатов наблюдения

Светофильтр

измерения

λ,

нм

U,

В

I,

мкА

U3,

В

Красный

1

2

3

Жёлтый

1

2

3

Зеленый

1

2

3

Синий

1

2

3

Задание

Сформулировать закон фотоэффекта, вытекающий из уравнения Эйнштейна.

Контрольные вопросы

  1.  В чём сущность квантовых свойств света?
  2.  В чём суть внешнего и внутреннего фотоэффекта?
  3.  Сформулировать основные законы внешнего фотоэффекта.
  4.  Сформулировать закон сохранения энергии и объяснить уравнение Эйнштейна.
  5.  В чём суть метода задерживающего потенциала?
  6.  Каков физический смысл постоянной Планка?
  7.  Как определяется величина работы выхода электрона из металла?
  8.  Как определяется красная граница фотоэффекта?

PAGE  22


I

U

Ф2Ф1

Ф1

Ф2

Рис.2. Вольтамперная характеристика фотоэлемента

ис. 1. Схема фотоэлемента

R0

Ф

I

U

21

1

2

Рис.3. Частотная характеристика фотоэлемента

Uз2

Uз1

Uз

EMBED Equation.3  

Рис. 5. Зависимость между задерживающим потенциалом и частотой света в фотоэлементе

Uз

U

I

Рис. 4. Анодная характеристика фотоэлемента

кр

Рис.6.

Фототок,

мкА

Uзап.,

В

К1

К2

П1

Баланс тока

R1

R2

Чувствит.

Потенциометр

  1.  

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

75351. Англия в V-XI веках 62 KB
  Завоевание Британии англосаксами После того как римские войска в начале V в. были выведены из Британии населённой бриттами кельтами на её территорию стали массами вторгаться германские племена саксованглов и ютов жившие между Эльбой и Рейном область расселения саксов и на Ютландском полуострове область расселения англов и ютов. Англосаксонское завоевание Британии продолжалось свыше 150 лет и закончилось в основном в начале VII в. Столь длительный характер завоевания объясняется прежде всего тем что кельтское население Британии...
75352. Германия в X-XI веках 42 KB
  В состав Германии входили следующие герцогства из которых каждое было заселено определённым германским племенем так называемые племенные герцогства: Саксония и Тюрингия между притоками Рейна и Эльбой; Франкония по реке Майну и среднему течению Рейна; Швабия по верхнему течению Дуная и Рейна а также его притока Неккара и Бавария по среднему течению Дуная я его притоков к востоку от реки Лех. К...
75353. Крестовые походы. Их причины, предпосылки, социальный состав и цели участников. Первый крестовый поход 61.5 KB
  Папа указал и на земные выгоды ожидающие крестоносцев на Востоке. Не ожидая подхода основных сил рыцарейкрестоносцев бедняки устремились вперед. Путь крестоносцев через византийские владения сопровождался повальным грабежом местного населения. Император Алексей 1 опасаясь нашествия крестоносцев которых утонченная верхушка византийского общества не без основания считала варварами старался воспрепятствовать объединению их ополчений в Константинополе.
75354. Особенности социально-экономического и политического развития Италии в XI-XIII вв. Причины незавершенности политической централизации Италии 44 KB
  Особенности социально-экономического и политического развития Италии в XI-XIII вв. Причины незавершенности политической централизации Италии. Государственная самостоятельность которую получили многие города Северной и Центральной Италии к концу XII в. коммуны с консульским правлением сложились в десятках городов Северной и Центральной Италии в Падуе Ферраре Кремоне Генуе Пизе Сьене Болонье и многих других.
75355. Особенности социально-экономического и политического развития Италии в XIII-XV веках 61 KB
  Завоевание Южной Италии и Сицилии норманнами. многие города Южной Италии и Сицилии добились от феодальных сеньоров вольностей участия представителей горожан в органах судебно-административной власти. Южной Италии и Сицилии норманнами норманнский правитель рожер II образовал Сицилийское королевство объединив в нем Южную Италию и Сицилию При норманнах в Южной Италии и на Сицилии завершился процесс складывания феодальных отношений.
75356. Конкурентоспроможність потенціалу підприємства 312 KB
  Конкурентоспроможність потенціалу підприємства та її рівні. Класифікація методів оцінки конкурентоспроможності потенціалу підприємства. Прикладні моделі оцінки конкурентоспроможності потенціалу підприємства. Методи оцінки конкурентоспроможності потенціалу підприємства в зарубіжній практиці.
75357. Структура і графоаналітична модель потенціалу підприємства 119 KB
  Під структурою системи, якою є потенціал підприємства, розуміють мережу найбільш суттєвих, стійких (інваріантних) звязків між елементами. На думку М.Ф. Овчинникова, структура представляє собою «інваріантний» аспект системи. В.И.Кремянський також звертає увагу на те, що структура виражає не усю сукупність звязків обєкту
75358. ФОРМУВАННЯ ПОТЕНЦІАЛУ ПІДПРИЄМСТВА 374.5 KB
  Методичні та організаційноекономічні засади формування потенціалу підприємств Формування потенціалу підприємства це процес ідентифікації та створення спектру підприємницьких можливостей його структуризації та побудови певних організаційних форм задля стабільного розвитку та ефективного відтворення. Розглянемо більш детально що представляє собою процес формування потенціалу підприємства. Властивості економічної системи Властивості економічних систем дозволяють виокремити загальні...
75359. Особливості формування виробничого потенціалу підприємства 86.5 KB
  Особливості формування виробничого потенціалу пва 1.Загальні підходи щодо формування потенціалу підприємства Процес формування потенціалу підприємства є одним з напрямків його економічної стратегії і передбачає створення й організацію системи ресурсів і компетенцій таким чином щоб результат їхньої взаємодії був фактором успіху в досягненні стратегічних тактичних і оперативних цілей діяльності підприємства. Системний підхід є одним з основних у процесі формування потенціалу підприємства. Потім визначаються параметри входу: які потрібні...