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

8 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

26765. Гражданское общество 38 KB
  Вновь подтверждена онтологическая закономерность гражданского общества обозначенная еще древними греками. Воля каждого гражданина должна быть подчинена безоговорочно воле общей – воле всего гражданского общества которую в свою очередь выражает государство и государь. Таким образом можно говорить о взаимодействии государства гражданского общества и граждан. Иначе о каком устойчивом развитии сообщества можно вести речь Автор первого специального исследования Опыт истории гражданского общества Адам Фергюсон в 1767 году писал: Внутренний...
26766. Философия права и гражданское общество 37 KB
  Они переводят теоретические дискуссии о сущности гражданского общества в разговор о существующей социальной реальности в которой нельзя не заметить что реальное содержание понятий государство и общество не совпадают. Некоторые исследователи считают что он не просто разграничил понятия а противопоставил государство и гражданское общество друг другу. В своей работе Философия права он рассматривал гражданское общество как особый этап всемирной истории. А под этой историей он понимал развитие абсолютного нравственного духа...
26767. Гражданское общество в начале ХХ века 29.5 KB
  Изменения в мире которые происходят под влиянием индустриальной модернизации оказывают влияния и на развитие идеи гражданского общества. Социологический анализ общества представлен концепцией формальной рациональности М.Тенниса и формальной теорией общества Г. Их следует рассматривать в литературе этой проблематики поскольку они дают весьма определенные характеристики современных им общественных устройств и позволяют делать выводы о новых проблемах формирования гражданского общества.
26768. Основатели российского государства 45.5 KB
  3 Нет сведений о сделках с землей на северовостоке России до первой половины XIV века и очень немного таких сведений во второй половине этого века. Государь был обладателем всей России и частная собственность вытекала из государственной писал историк далекого прошлого Александр Лакиер. Можно сказать что новгородская республика была единственной в истории России моделью гражданского общества почти со всеми его сущностными признаками которые мы наблюдали в западных странах и она также демонстрировала пример процветания и устойчивого...
26769. История прогрессивных идей в России 46 KB
  В это время в России впервые появляется первое печатное издание газета Ведомости издаваемая лично Петром I. Отсутствие в России достаточно влиятельной общественной силы и практики самостоятельного действия которая могла бы возглавить движение к гражданским реформам на столь огромной территории какой являлась Россия привело к своеобразному историческому парадоксу: эту роль взяло на себя государство.2 В России таким образом оказалась чрезвычайно сильна роль мыслящего меньшинства 1 от населения страны приобщенного к просвещению....
26770. Гражданское общество в 60-е годы 39.5 KB
  Именно с этого момента и принято говорить о зарождении в России какихто реальных элементов гражданского общества. И здесь особенно следует подчеркнуть что в отличие от западных стран в России формирование основ гражданского общества началось с реформ произведенных властью добровольно. Отныне управлял крестьянским миром выборный сельский сход которому предоставили довольно много полномочий: выборы сельского старосты и других должностных лиц увольнение из общества и принятие новых членов удаление из общества вредных и порочных членов что...
26771. История России и гражданского общества в конце ХІХ века 45 KB
  Журнал Вестник Европы в первом номере посвященном наступлению нового века писал что большинство цивилизованных стран живет в условиях торжества капитализма и буржуазной демократии а в России реформы не доведены до конца. Авторы от имени либеральной общественности в качестве задач которые России нужно решить в ХХ веке называют уничтожение сословного неравноправия введение независимого от администрации суда развитие самоуправления юридическое облегчение положения печати развитие частных обществ обеспечение реальной свободы совести...
26772. Открытое общество и его враги 30 KB
  Но можно сказать и иначе: с 1917 года история развития гражданского общества в России прерывается в связи с огосударствливанием всех сфер деятельности и активности. В Советском Союзе сохраняется главный элемент гражданского общества пусть не в массовом масштабе который вопреки давлению государства все же сохранил в себе способность формировать личное мировоззрение и личную судьбу. С момента перестройки с 1985 года правомерно становится говорить об активном процессе формирования гражданского общества в России.