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

25780. Причины стойких нарушений слуха: врождённые и приобретенные 14.96 KB
  Причины стойких нарушений слуха: врождённые и приобретенные. Во всех случаях к значительному и стойкому понижению слуха ведет лишь полное заращение наружного слухового прохода. При атрезии наружного слухового прохода понижение слуха носит характер поражения звукопроводящего аппарата т. страдает главным образом восприятие низких звуков; восприятие высоких тонов сохраняется костная проводимость остается нормальной или даже несколько улучшается Приобретенные нарушения слуха возникают от разнообразных причин.
25781. Причины звукопроводящей (кондуктивной) тугоухости 16.07 KB
  Причины звукопроводящей кондуктивной тугоухости. При кондуктивной тугоухости проведение звуковой волны блокируется ещё до того как она достигнет сенсорноэпителиальных волосковых клеток кортиева органа связанных с окончаниями слухового нерва. У одного и того же пациента возможно сочетание кондуктивной басовой и нейросенсорной дискантовой тугоухости тугоухость смешанного характера. Причины кондуктивной тугоухости Наружное ухо Серная пробка Наружный отит воспаление ушной раковины и наружного слухового прохода Атрезия ...
25782. Причины звуковоспринимающей (нейросенсорной) тугоухости 13.92 KB
  Нейросенсорная тугоухость это потеря слуха вызванная поражением структур внутреннего уха преддверноулиткового нерва VIII или центральных отделов слухового анализатора в стволе и слуховой коре головного мозга. Нейросенсорная тугоухость обусловлена дефектами сенсорноэпителиальных волосковых клеток спирального кортиева органа улитки внутреннего уха. Нейросенсорная потеря слуха может возникать как результат аномалии VIII черепного слухового нерва.
25783. Пороки развития наружного, среднего и внутреннего уха. Слуховые расстройства при данных заболеваниях 15.41 KB
  Очень часто сочетаются с врождёнными пороками развития. Врожденные пороки развития наружного уха: анотия врождённое отсутствие ушной раковины; микротия недоразвитие ушной раковины например нет только мочки; деформация ушной раковины например обезьяньи уши оттопырены; атрезия заращение наружного слухового прохода. Врожденные пороки развития среднего уха: заполнение барабанной полости косной тканью; отсутствие слуховых косточек; сращение слуховых косточек.
25784. Заболевания наружного уха. Атрезии. Инородные тела уха. Серная пробка 16.29 KB
  Заболевания наружного уха. Инородные тела уха. Заболевания наружного уха отиты. Перихондрит ушной раковины воспаление надхрящницы воспалительный процесс локализуется в области ушной раковины не захватывая мочку уха проявляется покраснением припухлостью болезненностью.
25785. Острый и хронический катары среднего уха. Механизм их возникновения. Острый гнойный отит. Хроническое воспаление среднего уха. Осложнение при острых и хронических средних отитах 15.97 KB
  Хроническое воспаление среднего уха. Катар среднего уха это негнойное воспаление слуховой трубы при котором нарушается ее функция. Воздух в полость среднего уха не поступает что ведет к понижению давления в ней и втяжению барабанной перепонки.
25786. Отосклероз. Характер слуховых расстройств при разной локализации отосклеротического процесса 14.84 KB
  Снижение слуха по типу нарушения звукопроводящей функции что обычно бывает обусловлено фиксацией основания стремени в окне преддверия внутреннего уха относят к тимпанальной форме отосклероза. Если очаг локализуется в области окна улитки или в улитке происходит понижение слуха по типу нарушения звуковосприятия смешанная и кохлеарная формы отосклероза. Иногда заболевание развивается быстро скоротечная форма что обычно наблюдается в подростковом возрасте а также при наследственном характере отосклероза.
25787. Воспаление внутреннего уха, характерные особенности воспаления, исход болезни, остаточные явления 15.21 KB
  В силу своего глубокого расположения в костном лабиринте воспаления внутреннего уха лабиринтиты как правило носят характер осложнений воспалительных процессов среднего уха или мозговых оболочек некоторых детских инфекций кори скарлатины эпидемического паротита. Результатом ограниченного гнойного лабиринтита является частичная потеря слуха на те или иные тоны в зависимости от места поражения в улитке. Развивающийся в этих случаях сухой лабиринтит протекает без гнойного воспаления и обычно не ведёт к гибели нервных элементов...
25788. Неврит слухового нерва. Центральное поражение слухового анализатора 15.55 KB
  Центральное поражение слухового анализатора. Поражения проводникового отдела слухового анализатора могут возникать на любом его отрезке. Наиболее частыми являются невриты слухового нерва под которыми понимается воспалительное поражение не только ствола слухового нерва но и поражения нервных клеток входящих в состав спирального нервного узла находящегося в улитке.