50232

Вивчення зовнішнього фотоефекту та визначення сталої Планка

Лабораторная работа

Физика

Прилади і матеріали Вакуумний фотоелемент вольтметр мікроамперметр джерело регульованої постійної напруги набір світлофільтрів Теоретичні відомості та опис установки Схематично установка для дослідження зовнішнього фотоефекту наведена на рис. Визначити роботи виходу електрона з фотокатода сталу Планка та âчервонуâ межу фотоефекту Із графіків залежності визначити значення затримуючої напруги для різних частот випромінювання. Визначити âчервонуâ межу фотоефекту як відрізок що відтинається графіком...

Украинкский

2014-01-18

253.5 KB

25 чел.


Лабораторна робота № 42

Вивчення зовнішнього фотоефекту та визначення сталої Планка

Мета роботи

Ознайомитись з явищем зовнішнього фотоефекту, експериментально визначити червону межу фотоефекту для фотокатода, розрахувати сталу Планка та роботу виходу електрона з фотокатода

Для виконання лабораторної роботи студенту попередньо необхідно: знати фізичну суть явища зовнішнього фотоефекту та його закони, рівняння Ейнштейна для зовнішнього фотоефекту (§3.3), основні властивості фотонів (§3.4)

Прилади і матеріали

Вакуумний фотоелемент, вольтметр, мікроамперметр, джерело регульованої постійної напруги, набір світлофільтрів

Теоретичні відомості та опис установки

Схематично установка для дослідження зовнішнього фотоефекту наведена на рис. 1.

Основною частиною установки є фотоелемент Ф, який схематично зображений на рис. 2. Це скляний балон з дротяним невеликим кільцем в центрі нього. З балона відкачують повітря (створено вакуум) і одна його половин із середини покрита світлочутливим шаром.

Залежно від спектральної області застосування фотоелемента використовуються різні фоточутливі шари: срібний, калієвий, цезієвий, сурм’яно–цезієвий та інші. Фоточутливий шар фотоелемента служить катодом К (на нього подається від’ємний потенціал електричного поля), а дротяний провідник з кільцем – анодом А. На анод подається додатній потенціал електричного поля. Фотоелемент включають послідовно в коло постійного струму, в якому між катодом і анодом створюється різниця потенціалів  – затримуюча напруга за допомогою джерела постійного струму (батарея гальванічних елементів, акумулятор і т.п.). При попаданні випромінювання на катод з нього вириваються електрони, які викликають фотострум , значення якого залежить від інтенсивності світла, що падає на катод та його спектрального складу.

Як видно з рис.1 вакуумний фотоелемент увімкнений в електричне коло, яке складається з джерела Б постійної напруги, вольтметра V, мікроамперметра А та опору R, величина якого регулюється потенціометрами “Грубо” та “Точно”. Установка дозволяє змінювати полярність на електродах фотоелемента:

  •  при включенні центрального перемикача в положення “ПС” (прямий струм) до світлочутливого шару (катода) фотоелемента підключається від’ємний полюс джерела напруги, а до анода – додатний полюс джерела напруги;
  •  при включенні центрального перемикача в положення “ЗС” (зворотний струм) до світлочутливого шару фотоелемента підключається додатний потенціал , а до анода – від’ємний потенціали джерела напруги.

Вакуумний фотоелемент закріплено на одному кінці довгої металічної тонкостінної труби, внутрішня поверхня якої зачорнена, а на зовнішній поверхні від фотоелемента вздовж труби закріплена масштабна лінійка. Всередині труби вільно переміщується за допомогою штока тонкий поршень, на якому закріплено джерело світла – невелика електрична лампочка. Перед фотоелементом можна вставляти світлофільтри із лабораторного набору для регулювання частоти падаючого на фотоелемент світла.

Послідовність виконання роботи

ЗАВДАННЯ 1. Дослідження вольт–амперної характеристики фотоелемента

  1.  На панелі керування роботою установки ручки потенціометрів “Грубо” і “Точно” встановити в крайнє ліве положення.
  2.  Розмістити перед фотоелементом світлофільтр (один з набору) та джерело світла на відстані  R від фотоелемента, яка вказану на робочому місці.
  3.  Увімкнути установку в мережу 220 В.
  4.  Центральний перемикач на панелі керування установкою переключити в положення “ПС” (прямий струм). Змінюючи потенціометрами “Грубо” і “Точно” величину прикладеної до фотоелемента напруги  (U>0), реєструвати значення фотоструму . Результати вимірювань записати в таблицю 1.
  5.  Повернути потенціометри “Грубо” та “Точно” в крайнє ліве положення, а центральний перемикач переключити в положення “ЗС” (зворотний струм). За допомогою відповідних потенціометрів “Грубо” та “Точно” зняти залежність фотоструму  від прикладеної напруги U (U<0). Результати вимірювань записати в таблицю 1.

                                                                                                   Таблиця 1

Полярність включення

№ з/п

U, В

Іф ,мA

“ПС”

1

2

3

...

15

“ЗС”

1

2

3

...

15

  1.  За результатами вимірювань (п.п. 4–5) побудувати графік залежності =f(U).
  2.  Повторити п.п. 4–6 для інших світлофільтрів.
  3.  Провести аналіз отриманих результатів і зробити висновки.

ЗАВДАННЯ 2. Визначити роботи виходу електрона з фотокатода, сталу Планка та

         “червону” межу фотоефекту

  1.  Із графіків залежності  визначити значення затримуючої напруги   для різних частот  випромінювання. Одержані результати записати в таблицю 2.
  2.  Побудувати графік залежності .
  3.  Визначити роботу виходу А електронів з металу, беручи до уваги те, що відрізок, який відтинається графіком залежності  на осі , дає значення .
  4.  Визначити сталу Планка h за формулою (3.19) (див. §3.3):

.

                                                                                                                                              Таблиця 2

№ п/п

, Гц

, В

А, еВ

h, Дж·с

min, Гц

1

2

...

  1.  Визначити “червону” межу () фотоефекту, як відрізок, що відтинається графіком залежності  на осі .

ЗАВДАННЯ З. Дослідити залежності фотоструму від інтенсивності падаючого випромінювання

  1.  Розмістити перед фотоелементом світлофільтр (один з набору).
  2.  Центральний перемикач переключити в положення “ПС” (прямий струм). Обертаючи потенціометри “Грубо” та “Точно” домогтися того, щоб на максимально можливій відстані  між фотоелементом і джерелом світла фотострум в колі був близький до нуля.
  3.  Зменшуючи відстань  від джерела світла до фотоелемента, визначати величину фотоструму .
  4.  Отримані дані записати в таблицю 3.

       Таблиця 3

№ п/п

, Гц

R1 , см

Rn , см

Rn-2 ,см-2

Іф , мА

1

2

3

...

15

  1.  Побудувати графік залежності фотоструму від освітленості: Іф = f(Rn).
  2.  Повторити п.п. 2–5 для інших частот випромінювання (для інших світлофільтрів).
  3.  Проаналізувати одержані результати та зробити висновки.

Контрольні запитання

  1.  Записати формулу Ейнштейна для зовнішнього фотоефекту та, використовуючи її, пояснити закони зовнішнього фотоефекту.
  2.  Що таке робота виходу електрона з металу і від чого вона залежить?
  3.  Як можна експериментально визначити роботу виходу електрона з металу?
  4.  Які існують труднощі пояснення першого і другого законів зовнішнього фотоефекту в хвильовій теорії світла?
  5.  Чому і коли у вакуумному фотоелементі спостерігається фотострум насичення? Чи буде спостерігатися струм насичення в газонаповнених фотоелементах?
  6.  Чому катоди фотоелементів із зовнішнім фотоефектом роблять з лужних металів?
  7.  Вивести робочу формулу для знаходження сталої Планка в даній лабораторній роботі.

 


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

23030. Проблеми моделювання динаміки систем з розподіленими параметрами 1.64 MB
  4 і модель ця адекватно описує динаміку фізикотехнічного обєкту процесу то можна ставити і розвязувати: Прямі задачі динаміки визначення векторфункції стану ys при заданих зовнішньодинамічних факторах ; Обернені задачі динаміки визначення векторфункцій які б згідно певного критерію дозволяли отримувати задану картину змін векторфункції ys або наближатися до неї.4 побудовані апробовані практикою а відповідні математичні теорії дозволяють розвязувати як прямі так і обернені задачі динаміки таких систем....
23031. Побудова матричної функції Гріна та інтегральної моделі динаміки систем з розподіленими параметрами в необмеженій просторово-часовій області 249.5 KB
  Функція Гріна динаміки систем з розподіленими параметрами в необмежених просторовочасових областях.10 а також з того що шукана матрична функція Gss' є розвязком рівняння 1.1 де визначені вище матричні диференціальні оператори та матрична функція одиничного джерела. А це означає що матрична функція відповідає фізичному змісту задачі а розвязок її дійсно представляється співвідношенням 1.
23032. Дискретний варіант побудови та дослідження загального розв’язку задачі моделювання динаміки систем з розподіленими параметрами 586 KB
  Псевдообернені матриці та проблеми побудови загального розвязку системи лінійних алгебраїчних рівнянь. З цією метою виділимо в матриці C r лінійно незалежних стовпців. Враховуючи що всякий стовпець матриці C може бути розкладений за системою векторів як за базисом матрицю C подамо у вигляді де вектор коефіцієнтів розкладу стовпця матриці С за базисом .10 ранг основної матриці дорівнює рангу розширеної.
23033. Моделювання дискретизованих початково-крайових 244 KB
  Постановка задачі та проблеми її розвязання.4 в розвязку 1.23 вектора векторфункції та матричної функції проблему розвязання задачі 4.6 в залежності від співвідношень між та може мати точний розвязок або визначене згідно 4.
23034. Моделювання неперервної початково-крайової задачі динаміки систем з розподіленими параметрами 355.5 KB
  Моделювання неперервної початковокрайової задачі динаміки систем з розподіленими параметрами 5. Постановка задачі та проблеми її розвязання. Розглянутий вище варіант постановки та розвязання проблеми моделювання початковокрайової задачі динаміки системи 1.5 Для того щоб методику розвязання дискретизованої задачі моделювання динаміки розглядуваної системи розвинуту в рамках лекції 3 успішно узагальнену далі лекція 4 на задачі моделювання дискретизованих початковокрайових умов неперервними функціями та поширити на задачу 5.
23035. Моделювання динамічних систем з розподіленими параметрами при наявності спостережень за ними 563 KB
  Відомі функції невідомі 6. Відомі функції невідомі 6. Відомі функції невідомі 6. Відомі функції невідомі 6.
23036. Задачі оптимізації структури лінійних динамічних систем з розподіленими параметрами 289.5 KB
  Задачі оптимізації структури лінійних динамічних систем з розподіленими параметрами 7. Розглянуті вище задачі моделювання початковокрайових умов див. Розглянемо варіант розвязання задачі моделювання коли розвязок її знаходиться шляхом обернення системи інтегральних рівнянь 7.14 помилки розвязання задачі моделювання 7.
23037. Дослідження та оптимізація структури дискретизованих динамічних систем 335.5 KB
  вказувалося що структура матриці С та векторів визначається вибором точок розміщення спостерігачів та керувачів системи проблеми оптимального розміщення яких будуть розвязані якщо будуть знайдені явні залежності матриці від елементів множин координат спостерігачів та координат керувачів. Будуть побудовані аналітичні залежності елементів матриці від довільного елемента множини та елемента множини а також формули диференціювання матриці по цих елементах. В процесі розвязання цієї проблеми будуть побудовані формули...
23038. Оптимізаційні методи в задачах моделювання дискретних початково-крайових умов 325 KB
  Постановка задачі та проблеми її розвязання. Поставлені вище задачі а також запропоновані там алгоритми їх розвязання досить широкі і можуть бути використані для оптимізації розміщення входіввиходів довільної лінійної системи в тому числі і для розвязання задачі оптимізації розміщення спостерігачівкерувачів при моделюванні дискретизованих початковокрайових умов дискретно розміщеними фіктивними зовнішньодинамічними збуреннями. Більш точною і більш природною постановкою задачі моделювання дискретизованих початковокрайових умов є...