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

10 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

69576. Работа ARP протокола 659 KB
  При сканировании сети так же была определена система взаимодействия по протоколу IP узлов находящихся в одной либо разных сетях суть которой состоит в следующем: при взаимодействии между узлами одной IP сети протокол RP используется станцией отправителем для разрешения МАС...
69577. BGP 617.5 KB
  В предыдущих уроках были рассмотрены протоколы динамической маршрутизации, используемые в основном для работы в сетях среднего либо малого размера. И хотя, при описании таких протоколов как OSPF и EIGRP использовалось понятие Автономная система...
69578. Курс Internet Protocol 458 KB
  Способы передачи информации в компьютерных сетях были рассмотрены в курсе Локальные сети при этом для описания использовались первые два уровня модели OSI физический и канальный образующих базовую сетевую технологию БСТ.
69579. OSPF (Часть II) 6.73 MB
  В предыдущем уроке были рассмотрены теоретические основы взаимодействий, происходящих между маршрутизаторами работающими по протоколу OSPF. Таким образом, на данный момент изучен метод построения маршрутных таблиц протоколом OSPF, алгоритм работы протокола при построении графа...
69580. Автономные адреса 6.71 MB
  Какие адреса может использовать компания для адресации своей сети Очевидно абсолютно любые адреса разрешенные для узлов классов А В и С. При этом количество доступных компании адресов столь велико что делить данные сети на подсети с помощью маски усложняя себе таким образом жизнь просто...
69581. Удаленный доступ 4.83 MB
  Пример: пусть некоторый удаленный пользователь хочет подключиться к своей корпоративной сети будучи в командировке. Для этого в его корпоративной сети должен быть компьютер готовый принимать входящие подключения по телефонной сети общего пользования или по сети ISDN.
69582. Заголовок IP пакета 4.7 MB
  Так же заголовок IP пакета может дополнительно содержать в себе не обязательно используемые поля опции. Опции могут как присутствовать в пакете так и отсутствовать их длина при этом не может превысить 40 байт. Опции в IP пакете используются не часто в основном с целью диагностики...
69583. Практическая маршрутизация 3.72 MB
  При построении IP сетей особое внимание следует уделять соответствию присвоенных адресов интерфейсов маршрутизатора и подключенных кабелей. Иначе возможны ситуации когда, например, к порту маршрутизатора 1.0.0.1 подключен по невнимательности узел 2.0.0.10.
69584. Протокол ICMP 3.35 MB
  В любой IP сети, не зависимо от ее размеров и сложности построения, возникает потребность в диагностике различных проблем. Например, существует необходимость проверить возможность обмена пакетами с определенным узлом. С одной стороны, это можно сделать, обратившись к любой службе...