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
Филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения
высшего профессионального образования
«Национальный исследовательский университет (МЭИ)» в г. Волжском
Кафедра общей физики
Лабораторная работа №7
«Изучение явления внешнего фотоэффекта».
Студент: Швец Е.С.
Группа: ТЭ-1-11
Преподаватель: Мельников В.П.
Волжский 2013
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: определение зависимости фототока от напряжения и светового потока. Определение фототока насыщения. Определение задерживающего напряжения и его зависимость от частоты света. Определение работы выхода электрона.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ.
Явление вырывания электронов из твердых и жидких веществ под действием света называется явлением внешнего фотоэффекта. Приборы, действие которых основано на использовании фотоэффекта, называются фотоэлементами.
В лабораторной работе для исследования явления фотоэффекта используется электрическая схема (рис.1) с применением фотоэлемента Ф, источника питания U и измерительных приборов: гальванометра Г и вольтметра V. При освещении фо тоэлемента энергия фотонов света передается частицам вещества катода, в ре зультате чего из катода вырываются электроны и создают в цепи электрический ток, который называется фототоком.
Явление фотоэффекта зависит от химической природы металла, а также от со стояния его поверхности. Наличие загрязнения поверхности металла существенно влияет на эмиссию электронов под действием света. Поэтому катод К и анод А помещены в вакуумный стеклянный баллон.
На рис. 2 показаны кривые зависимости силы фототока I от напряжения U, со ответствующие двум различным освещенностям катода: Е1 и Е2 > Е1. Частота све та в обоих случаях одинакова. При увеличении напряжения U между анодом и ка тодом фототок I также увеличивается, так как все большее число электронов вы рвавшихся из катода достигают анода. Максимальное значение тока Iн, называе мое фототоком насыщения, соответствует таким значениям напряжения U, при которых все электроны, выбиваемые из катода, достигают анода.
Фототок прекращается, когда между анодом и катодом устанавливается отри цательное задерживающее напряжение -U3. Существование фототока в области отрицательных напряжений от 0 до -U3 объясняется тем, что электроны, выбитые светом из катода, обладают отличной от нуля начальной кинетической энергией. За счет этой энергии электроны могут совершать работу против сил задерживаю щего электрического поля и достигать анода. Максимальная начальная скорость max фотоэлектронов связана с U3 соотношением
(1)
где е и m- заряд и масса электрона. При U U3 фототок I = 0.
Опытным путем установлены следующие основные законы внешнего фотоэф фекта:
В соответствии с законом сохранения энергии максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона:
(2)
где h - энергия, приобретенная электроном в результате поглощения фотона;
А – работа, которую должен совершить электрон для выхода из металла;
- частота монохроматического излучения;
h = 6,62*10-34 Дж*с – постоянная Планка.
Это уравнение называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Уравнение позволяет легко объяснить все основные законы внешнего фотоэффекта для металлов. В самом деле, из (2) следует, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона зависит не от интенсивности, а от частоты света и работы выхода А. Внешний фотоэффект возможен только в том случае, если энергия фотона h больше или, в крайнем случае, равна А. Следовательно, соответствующая красной границе фотоэффекта частота . Она зависит только от работы выхода электрона, т.е. от химической природы металла и состояния его поверхности.
Общее число электронов n, вылетающих за единицу времени, пропорционально числу фотонов , падающих за то же время на поверхность катода.
Для плоского катода, равномерно освещаемого монохроматическим светом с частотой , , где Е – освещенность, пропорциональная интенсивности света. Таким образом, в соответствии с третьим законом фотоэффекта число фото электронов, вылетающих из катода за единицу времени, пропорционально интен сивности света.
Исходя из формул (1), (2) можно определить работу выхода электрона:
(3)
Фотоэффект широко используется в науке и технике для регистрации и изме рения световых потоков, для непосредственного преобразования энергии света в энергию электрического тока, для преобразования световых сигналов в электри ческие.
ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ
Установка (рис.3) включает в себя вакуумный фотоэлемент 1 в пластмассовом корпусе, осветитель 2, источник питания фотоэлемента 3, оптическую скамью 4, блок питания осветителя 12 (БП-I).
Вакуумный фотоэлемент 1 представляет собой стеклянный баллон, из которо го выкачан воздух. Часть внутренней поверхности баллона покрыта слоем метал ла, играющего роль фотокатода. В качестве анода используется металлическое кольцо или редкая сетка. При освещении катода из него, вследствие внешнего фо тоэффекта, выбиваются электроны. В результате, под действием внешнего напря жения, в цепи возникает электрический ток.
Пластмассовый корпус фотоэлемента имеет отверстие для вставки свето фильтров. Вращением корпуса можно закрывать фотоэлемент от источника света.
Для выполнения лабораторной работы используются осветители двух типов. При выполнении первой части работы (определение токов насыщения) в качестве осветителя 2 применяется лампа накаливания (8 вольт) с конденсором. Освети тель подключается к сети 220 В через блок питания 12 (БП-I). На блоке имеется ручка 13 для плавной регулировки яркости и выключатель 14. Вторая часть рабо ты (определение задерживающего напряжения) выполняется с ультрафиолетовым осветителем "Фотон", который устанавливается вместо первого осветителя и ра ботает непосредственно от сети 220 В.
Источник питания 3 состоит из корпуса, на лицевой панели которого имеются: гнезда 10 для подключения анода и катода фотоэлемента, вольтметр 5 для изме рения подающего напряжения, микроамперметр 6 для измерения фототока. В за висимости от вида определяемых параметров, с помощью переключателя 11 ве личина подаваемого напряжения может изменяться:
Плавная регулировка напряжения производится ручкой 9. Включение источ ника питания производится тумблером 8, при этом загорается индикатор 7.
ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА И ТАБЛИЦА ЗАМЕРОВ
h = 6,62 * 10-34 Дж*с – постоянная Планка;
e = 1,6 * 10-19 Кл – заряд электрона;
c = 12 * 1014 Гц – частота ультрафиолетового света.
Таблица 1
|
U, В |
I1, мкА |
I2, мкА |
I3, мкА |
|
0 |
0 |
0 |
0 |
|
10 |
10 |
8 |
8 |
|
20 |
18 |
17 |
16 |
|
30 |
25 |
22 |
20 |
|
40 |
30 |
26 |
23 |
|
50 |
35 |
28 |
- |
|
60 |
38 |
- |
- |
|
70 |
40 |
- |
- |
Таблица 2
|
№ замера |
U3, В |
Uз – Uз.ср. |
(Uз – Uз.ср.)2 |
|
1 |
-0,7 |
0,067 |
0,0045 |
|
2 |
-0,8 |
-0,033 |
0,0011 |
|
3 |
-0,8 |
-0,033 |
0,0011 |
|
Uз.ср. = -0,767 |
∑(Uз – Uз.ср.)2 =0.0067 |
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ.
I1 = f(U); I2 = f(U); I3 = f(U).
А = hc – eUз.ср
Алюминий А=4,25 эВ
Тантал А=4,12 эВ
Хлорид натрия А=4,2 эВ
где tp.n. = 4,303 – коэффициент Стьюдента,
n = 3 – число замеров;
где - класс точности прибора (указывается на шкале),
Un – предел измерения прибора (определяется на шкале);
А = 4,19±0,8 эВ
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.