Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5.9
ИЗУЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЗАКОНОВ ВНЕШНЕГО ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА.
Цель работы: исследовать зависимость силы фототока от величины приложенного напряжения; вычислить скорость фотоэлектронов, вырываемых из катода.
Приборы и принадлежности: фотоэлемент СЦВ-51; монохроматор УМ-2; источник света (лампа накаливания); стабилизированный источник питания; цифровой прибор Щ-68000 для измерения тока в цепи фотоэлемента; вольтметр.
ВBEДЕНИЕ
Внешним фотоэлектрическим эффектом, или фотоэлектрической эмиссией, называется явление освобождения электронов с поверхности тел под действием света. Экспериментальные исследования показывают, что имеют место следующие основные закономерности внешнего фотоэффекта:
1. Количество эмитируемых электронов (фототок) пропорционально световому потоку, падающему на поверхность тела (при условии неизменного спектрального состава света), - закон Столетова.
2. Максимальная энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой падающего света и не зависит от его интенсивности - закон Эйнштейна.
3. Для каждого вещества существует граничная частота света, ниже которой фотоэффект не наблюдается. Граничную частоту 0 и соответствующую ей длину волны 0 называют красной границей фотоэффекта.
Пользуясь квантовыми представлениями, можно объяснить явление фотоэффекта и указанные закономерности. Фототок складывается из электронов, которые после поглощения квантов света получают достаточную энергию для преодоления связей, удерживающих их в веществе, и вылетают за пределы поверхности тела. Вероятность одновременного поглощения двух фотонов одним электроном ничтожно мала и, следовательно, каждый фотоэлектрон заимствует энергию только у одного фотона. Поэтому число фотоэлектронов должно быть пропорционально числу падающих на поверхность фотонов, т.е. пропорционально световому потоку (закон Столетова). Энергия фотоэлектрона зависит от энергии поглощенного кванта h, которая пропорциональна частоте света (закон Эйнштейна). Очевидно также, что электроны могут выйти за пределы поверхности тела только в случае если фотоны обладают достаточно большой энергией. Это значит, что существует некоторая минимальная частота света, начиная с которой наблюдается фотоэффект (красная граница фотоэффекта). Рассмотрим более подробно фотоэффект с поверхности металлов. Если металл освещается видимым или ультрафиолетовым светом, то фотоэффект связан с поглощением фотонов электронами проводимости. Для того, чтобы эти электроны могли покинуть поверхность металла, они должны иметь энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера, существующего вблизи поверхности металла. Величина этого барьера определяется работой выхода электрона из металла.
Используя закон сохранения энергии, можно найти максимальную энергию фотоэлектронов металла при освещении его поверхности монохроматическим светом частоты :
, (1)
где e - работа выхода.
Соотношение (1) называют уравнением Эйнштейна. Из (1) следует, что фотоэффект возможен только при условии .
Следовательно, граничная частота фотоэффекта равна
(2)
Красная граница фотоэффекта различна для различных металлов и так же, как и работа выхода, существенно зависит от состояния поверхности металла и в особенности от наличия пленок адсорбированного газа. Граница фотоэффекта для металла с малой работой выхода (щелочные металлы) лежит в видимой области спектра, а для металлов с большой работой выхода (серебро, платина и др.) - в ультрафиолетовой области.
В данной работе явление фотоэффекта изучается на промышленном вакуумном фотоэлементе, представляющем собой стеклянный откачанный баллон, на внутреннюю поверхность которого нанесен фоточувствительный слой (фотокатод). Собирающий электрод (анод) расположен в центре баллона. Простейшая схема включения фотоэлемента показана на рис. 1. При освещении фотокатода в цепи фотоэлемента возникает ток, измеряемый гальванометром G. Напряжение между анодом и катодом можно изменять потенциометром R. С помощью этой схемы можно:
1. Получить вольт-амперную характеристику - зависимость фототока от напряжения на фотоэлементе при постоянном световом потоке Ф. На рис. 2 показаны две вольт-амперные характеристики, полученные для различных значений Ф (Ф2 Ф1). При некотором ускоряющем фотоэлектроны напряжении (U > 0) фототок достигает насыщения. Сила тока насыщения Jн зависит от интенсивности светового потока Ф. При перемене знака потенциалов на электродах фотоэлемента, т.е. при задерживающем фотоэлектроны напряжении (U 0), с увеличением U фототок уменьшается и при напряжении U3 падает до нуля. Напряжение U3, при котором фототок равен нулю, называют задерживающим потенциалом.
2. Вычислить максимальную скорость фотоэлектрона. При задерживающем напряжении фототок постепенно спадает до нуля, отсюда следует, что фотоэлектроны обладают различными энергиями. При напряжении U3 задерживаются все электроны, включая и самые быстрые. Следовательно, определив экспериментально задерживающий потенциал U3, можно вычислить максимальную энергию фотоэлектронов:
, (3)
а отсюда и скорость фотоэлектронов, покидающих катод:
(4)
Измерив зависимость U3(), можно проверить основной закон фотоэффекта - закон Эйнштейна. Определив тангенс угла наклона прямой U3() (рис. 3), находят постоянную Планка h. Точка пересечения прямой с осью частот определяет красную границу фотоэффекта 0. Отрезок , отсекаемый продолжением прямой на оси U3, дает потенциал выхода для вещества, из которого сделан фотокатод.
Установка состоит из универсального монохроматора УМ-2, микроамперметра А (цифровой прибор Щ-68000), вольтметра постоянного тока V, блока питания и управления БПУ (стабилизированного источника постоянного тока), фотоэлемента СЦВ-51-ФЭ.
Схема установки показана на рис. 4. Свет от раскаленной вольфрамовой нити электрической лампочки Л через входную щель Щ1 попадает в монохроматор М, где разлагается на спектр. Через щель Щ2 монохроматический свет попадает на фотоэлемент ФЭ. Основная часть монохроматора - призма П. Поворот этой призмы осуществляется при помощи градуированного барабана Б. К монохроматру прилагается градуировочный график, устанавливающий соответствие между делениями n барабана и длиной волны света , выходящего из щели Щ2. Фотоэлемент ФЭ питается от стабилизированного источника постоянного напряжения ИП. Величину этого напряжения можно изменить "грубо" посредством делителя (ручка "множитель"), "точно" - посредством потенциометра (ручка R) и контролировать вольтметром V. В положении 1 ручки "множитель" на анод фотоэлемента подается отрицательный потенциал (запирающее напряжение U3). Его величину можно изменять плавно от 0 до 1 В ручкой R. Цена деления вольтметра при этом 0,1 В.
При переводе ручки "множитель" в положение 2, 3, 4, 5 и.т.д. на анод фотоэлемента подается положительный потенциал. Его величина определяется по вольтметру V умножением его показаний на соответствующий множитель:
|
Положение ручки "множитель" |
Применяемый множитель |
Примечания |
|
1 |
0,1 |
Отрицательный потенциал на аноде |
|
2 |
1 |
Положительный потенциал на аноде |
|
3 |
2 |
|
|
4 |
3 |
|
|
5 |
4 |
|
|
6 |
5 |
|
|
7 |
6 |
|
|
8 |
7 |
|
|
9 |
8 |
|
|
10 |
9 |
|
|
11 |
10 |
В небольших пределах напряжение на аноде изменяется ручкой R.
Рис. 4
1. Ознакомиться с приборами, входящими в установку. Поставить тумблер "Сеть" в положение "включено", тумблеры "Лампа" и "Схема" - в положение "выключено".
2. Включить цифровой прибор. Он должен показывать отсутствие тока в цепи (00,000 А).
ВНИМАНИЕ!!! Включение и регулировка прибора Щ68000 разрешается только в присутствии лаборанта или преподавателя.
3. Установить барабан Б монохроматора на одно из делений (по указанию преподавателя).
4. По градуировочному графику определить длину волны . Вычислить соответствующую ей частоту .
5. Установить ручку "множитель" в положение 1, а ручку R - в крайнее правое положение.
6. Включить лампу Л осветителя, переведя тумблер "Лампа" в крайнее левое положение, и определить величину тока в цепи фотоэлемента.
7. Включить источник питания ИП. Для этого перевести тумблер "Схема" в крайнее левое положение.
8. Вращая ручку R вправо, по цифровому прибору произвести отсчет величин тока при соответствующем отрицательном напряжении на аноде U3. Отметить момент исчезновения тока в цепи (00,000 А).
9. Перевести ручку "множитель" последовательно в положения 2, 3, 4, ..., 11, измеряя каждый раз значения тока в цепи фотоэлемента при неизменном световом потоке, падающем на него. Построить график J = f (UA), найти величину тока насыщения.
10. Возвратить ручку "множитель" в положение 1.
11. Устанавливая барабан Б монохроматора в нескольких положениях шкалы (по указанию преподавателя), получить значения U3 при отсутствии тока в цепи.
12. По полученным данным построить зависимость U3 = f ().
13. Вычислить по формуле (4) величину vmax и потенциал выхода .
14. Составить таблицы, в которые внести значения измеренных и вычисленных величин.
15. Оценить погрешность измерений v и .
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.
1. В чем заключается физическая сущность внешнего фотоэффекта?
2. Почему невозможно объяснить фотоэффект с точки зрения классической электродинамики?
3. Каков физический смысл запирающего потенциала?
4. Как определить работу выхода электрона из металла? В чём заключается физическая сущность этого понятия?
ЛИТЕРатура
1. И.В. Савельев. Курс общей физики. т.3.
2. Б.М. Яворский, А.А. Детлаф. Курс физики. т.3.
3. Г.А. Зисман, О.М. Тодес. Курс общей физики. т.3.
4. Г.С. Ландсберг. Оптика.
5. А.В. Кортнев и др. Практикум по физике.