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
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ,
МОЛОДЕЖИ И СПОРТА УКРАИНЫ
Государственное высшее учебное заведение
ПРИАЗОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра физики
.
Савинков Н.А.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к выполнению лабораторной работы №106
«ИЗУЧЕНИЕ СПЕКТРАЛЬНЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ВНЕШНЕГО ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА»
Мариуполь, 2012 г.
УДК 535
Методическое указание к выполнению лабораторной работы № 106(I) «Изучение спектральных закономерностей внешнего фотоэлектрического эффекта » (для студентов всех специальностей) / Сост. доцент Н.А.Савинков.- Мариуполь: ПГТУ, 2012 г., 16 с.
Содержит общие представления о волновых и корпускулярных свойствах света, основные теоретические положения явления внешнего фотоэффекта, описание лабораторной установки, методики измерения и методики обработки результатов измерений.
Составитель Савинков Н.А., доц.
Ответственный
за выпуск Коляда Ю.Е., проф.
Утверждено на заседании кафедры физики
протокол № 9 от 7 июня 2012
I. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
На практике выполнить градуирование шкалы спектрального прибора, получить спектральную характеристику внешнего фотоэлектрического эффекта; пользуясь этой характеристикой определить «красную границу» фотоэффекта и работу выхода электронов из материала катода; получить вольтамперную характеристику фотоэлемента.
II. УКАЗАНИЯ ПО ПОДГОТОВКЕ К РАБОТЕ
III. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
3.1. Общее представление о волновых и корпускулярных свойствах света.
Явления интерференции и дифракции света, поляризации света свидетельствуют о волновой природе света. С волновой точки зрения свет представляет собой распространяющиеся в пространстве электромагнитные волны. Накопленные экспериментальные факты позволили в конце XIX века английскому физику Дж. Максвеллу создать электромагнитную (или волновую) теорию света. Несмотря на большие успехи электромагнитной теории и признание волновой природы света, в начале XX века были обнаружены явления, которые теория Максвелла не смогла объяснить. К таким явлениям относятся процессы испускания и поглощения света, фотоэлектрический эффект, комптоновское рассеяние света легкими атомами и другие.
В 1900 г. немецкий физик М. Планк выдвинул так называемую квантовую гипотезу, совершенно чуждую классической физике. В классической физике предполагается, что энергия любой системы может изменяться непрерывно, принимая любые сколь угодно близкие значения. Согласно квантовой гипотезе энергия E может принимать только определенные дискретные значения, равные целому числу элементарных порций или квантов энергии. Энергия одной порции или одного кванта:
E = hv, (1)
где h – постоянная Планка,
v – частота света.
Позже Эйнштейн распространил планковскую идею квантования энергии на свет, он выдвинул идею световых квантов - фотонов. Таким образом, свет имеет двойственную корпускулярно-волновую природу (говорят: обладает корпускулярно-волновым дуализмом). В одних явлениях (дифракция, интерференция, поляризация) проявляются волновые свойства света, в других (фотоэффект, эффект Комптона, люминесценция) – его корпускулярные или квантовые свойства. То есть, свет ведёт себя как поток особых частиц - фотонов. Таким образом, явления, не находившие объяснения в рамках волновой теории света, удалось объяснить исходя из квантовых свойств света.
Волновые свойства света играют преобладающую роль при малых частотах v. При больших значениях v более существенными являются его корпускулярные или квантовые свойства. Одним из экспериментальных доказательств квантовой природы света и существования фотона является внешний фотоэлектрический эффект.
3.2. Основные закономерности фотоэффекта.
Внешним фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называется явление испускания электронов из вещества под действием электромагнитного излучения и, в частности, света. (При внутреннем фотоэффекте при поглощении падающего излучения электроны переходят на более высокие энергетические уровни, оставаясь в пределах вещества).
Простейшая схема для наблюдения фотоэффекта представлена на рис.1.
Свет через окошко попадает внутрь вакуумной стеклянной колбы и падает на металлическую пластинку, играющую роль катода (фотокатода).
Вследствие фотоэффекта с катода будут испускаться электроны (фотоэлектроны), которые будут под действием электрического поля, создаваемого между катодом и анодом, двигаться к аноду. Электроны достигают анода, и в цепи появляется электрический ток Iф , который регистрируется гальванометром G. Напряжение U между катодом и анодом регулируется с помощью потенциометра R и измеряется вольтметром V . С помощью этой схемы были сняты вольтамперные характеристики фотоэффекта (ВАХ) – зависимости силы фототока от напряжения между катодом и анодом. Две ВАХ для двух значений освещенности фотокатода и показаны на рисунке 2.
Из кривых мы видим, что при нулевом напряжении фототок не равен нулю. Это значит, что при U =0 некоторая часть вырванных фотоэлектронов долетает до анода. Чтобы уменьшить фототок до нуля необходимо приложить между катодом и анодом задерживающую разность потенциалов (-UЗ). При увеличении освещенности E фотокатода сила фототока будет увеличиваться, вольтамперная характеристика идет выше предыдущей. При некотором напряжении, равном Uнас (напряжение насыщения), сила фототока достигает насыщения - Iнас. Это значит, что при таком напряжении между катодом и анодом все вылетевшие с катода электроны достигнут анода. Из анализа вольтамперных характеристик были установлены следующие экспериментальные закономерности фотоэффекта (законы Столетова).
1. Сила фототока насыщения пропорциональна освещенности фотокатода (или интенсивности падающего света) при частоте света v = const.
=, (2)
где γ-коэффициент пропорциональности.
2. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов (или максимальная кинетическая энергия) не зависит от интенсивности падающего света и увеличивается с увеличением частоты света.
3. Для каждого вещества существует минимальная частота ν0 (или максимальная длина волны λ0), при которой ещё происходит вырывание электронов. Если частота света будет меньше ν0,, то фотоэффект прекратится. Эта частота называется “красной границей” фотоэффекта.
Таким образом, для наблюдения фотоэффекта необходимо выполнения условия: νν0 ( λλ0).
Наблюдаемые в опыте закономерности фотоэффекта оказалось невозможно объяснить с позиции классических или волновых представлений. Например, независимость скорости вылета фотоэлектронов от интенсивности света, поскольку с увеличением интенсивности падающей световой волны электронам должна бы передаваться бóльшая энергия. Невозможно также объяснить безинерционность фотоэффекта и наличие “красной границы”.
Качественное непротиворечивое объяснение фотоэффекта было дано A.Эйнштейном в 1905 году на основе предложенной им квантовой теории фотоэффекта. В соответствии с этой теорией кванты света (фотоны) ведут себя подобно материальным частицам. Падающее монохроматическое излучение рассматривается как поток световых квантов — фотонов с энергией E =hν. Поглощение веществом света сводится к тому, что один фотон передаёт полностью свою энергию одному электрону вещества. Если эта энергия фотона достаточна, чтобы освободить электрон от удерживающих его внутри вещества связей, то происходит эмиссия электрона. Следовательно, число фотоэлектронов должно быть пропорционально числу поглощённых фотонов (что согласуется с первым законом Столетова). Энергия фотона hν увеличивается с частотой ν и, следовательно, энергия фотоэлектронов также должна увеличиваться с частотой падающего света, что согласуется также с опытом. Полученная электроном вещества энергия фотона перераспределяется следующим образом. Часть этой энергии, называемой работой выхода А, затрачивается на то, чтобы освободить электрон от удерживающих его внутри металла связей. Если фотон поглощается электроном не у самой поверхности металла, а на некоторой глубине, то часть энергии фотона, равная Епотерь, может быть рассеяна вследствие случайных столкновений электрона в веществе. Остаток энергии образует кинетическую энергию К электрона, покинувшего вещество. Таким образом
hν= А + Епотерь + К (3)
Для тех электронов, у которых Епотерь = 0, кинетическая энергия будет максимально возможной при А = const для данного металла. Для таких электронов равенство (3) перепишем в виде
(4)
Это выражение называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Оно выполняет роль закона сохранения энергии для фотоэффекта.
Из уравнения Эйнштейна следуют рассмотренные выше экспериментальные законы фотоэффекта. Например, из формулы (4) непосредственно вытекает второй закон Столетова
= hν – А (A= const).
Из уравнения (4) следует, что если уменьшать частоту падающего света v, то будет уменьшаться энергия фотона , соответственно, будет уменьшаться кинетическая энергия фотоэлектронов при A = const для данного металла. Тогда при некотором значении частоты света v = кинетическая энергия фотоэлектронов станет равной нулю, и фотоэффект прекратится. Тогда из уравнения (4) следует
h= A+0,
= (5)
То есть, существует некоторая граничная частота («красная граница») падающего света, ниже которой свет не вызывает фотоэффект. Этот вывод находится в соответствии с эмпирическим третьим законом фотоэффекта.
Выражение (5) определяет связь красной границы фотоэффекта с работой выхода. Работа выхода электронов из металла в сильной степени зависит от состояния поверхности металла, например, от находящихся на поверхности оксидов и адсорбированных газов. Поэтому долгое время не удавалось проверить с достаточной точностью формулу Эйнштейна.
Еще одной важной характеристикой фотоэффекта является спектральная чувствительность фотокатода, которая показывает зависимость чувствительности катода от длины волны излучения, падающего на фотокатод. Величиной, пропорциональной чувствительности фотокатода, является фототок. Таким образом, на практике для получения спектральной характеристики можно снимать зависимость фототока от длины волны (или от частоты) падающего на фотоэлемент (или фотокатод) монохроматического излучения. При больших длинах волн, то есть при малых энергиях квантов света, энергия, получаемая электроном, оказывается недостаточной для преодоления работы выхода и эмиссии электронов в вакуум. Поэтому для каждого металла существует его пороговая длина волны (наибольшая λ0=λmax) или пороговая частота (наименьшая ν0=νmax), которую мы выше определили как «красную границу» фотоэффекта. При малых длинах волн возрастает показатель поглощения. Поэтому глубина проникновения квантов света в металл уменьшается, и вероятность передачи энергии кванта света свободному электрону металла уменьшается. Таким образом, спектральная характеристика имеет вид кривой с максимумом, со спадом при малых длинах волн (рис.3).
Различные вещества имеют разную работу выхода, поэтому максимум спектральной характеристики фотокатода может находиться в той или иной части электромагнитного спектра.
Таким образом, фотоэлемент, иcпользуемый в лабораторной работе, является селективным фотоприёмником, то есть он “чувствует” излучение в строго определённой области спектра от λ1 до λ2.
IV. ОПИСАНИЕ РАБОЧЕЙ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ
В лабораторной работе для изучения явления внешнего фотоэффекта используется вакуумный фотоэлемент. Конструкцию вакуумного фотоэлемента можно представить следующим образом (рис.4). Фотоэлемент имеет сферическую стеклянную колбу с фотокатодом из светочувствительного вещества, которое нанесено на внутреннюю поверхность колбы (заштриховано на рис.4).
Фотокатод освещается через оставленную чистой часть колбы (через окошко). Анод выполняется, как правило, в виде кольца или петли из тонкой поволоки и располагается в центре колбы. Катод и анод выводятся на цоколь. В схемах, где применяют фотоэлемент, между катодом и анодом включается напряжение, и подбирается такое его значение, чтобы обеспечить ток насыщения фотоэлемента.
Экспериментальная часть работы состоит из трех упражнений:
1) градуирование шкалы отсчетного барабана монохроматора;
2) получение спектральной характеристики и определение «красной границы» фотоэффекта и работы выхода электронов из материала фотокатода;
3) получение вольтамперной характеристики фотоэлемента.
Для выполнения работы используется экспериментальная установка, схема которой представлена на рис.5.
На рисунке – позиция 1 - спектральный прибор: монохроматор УМ-2, который осуществляет разложение белого света в спектр. Белый свет от источника 6 - лампы накаливания – направляется с помощью линзы 5 на входную щель 3 монохроматора. Диспергирующим элементом монохроматора является призма 7, которая поворачивается вокруг своей оси с помощью барабана 8. При повороте призмы та или иная часть спектра направляется на
выходную щель 4 монохроматора. Регулированием ширины выходной щели с помощью микрометрического винта можно “вырезать” узкий монохроматический участок спектра (линию определенного цвета). Таким образом, выходная щель монохроматора является монохроматическим источником света, который направляется на фотоэлемент 2. Фотоэлемент включен в электрическую цепь так, что между катодом и анодом приложено напряжение, ускоряющее электроны в направлении анода. Напряжение подается с блока питания БП-I (ВСА-4К) через потенциометр П 11. С помощью потенциометра П можно изменять напряжение между анодом и фотокатодом. Сила фототока и напряжение измеряются с помощью микроамперметра 9 и вольтметра 10, соответственно. Микроамперметр и источник света 6 подключены ко второму источнику питания БП-2.
V. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ И
ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ
Приборы и принадлежности:
Монохроматор УМ-2, фотоэлемент, блоки питания БП-1 и БП-2,
лампа накаливания, линзы, потенциометр П, вольтметр, микроамперметр, ключи и .
Для выполнения работы включить в сеть блоки питания БП-1 и БП-2 и прогреть их в течение 2-3 минут. Установить источник света 6 на оптической скамье на расстоянии 15-20 см от входной щели монохроматора. Включить тумблеры «сеть» и вилку в розетку 12В для питания лампы накаливания.
Упражнение №1
Градуирование шкалы барабана монохроматора.
Проградуировать шкалу отсчетного барабана монохроматора – это значит найти соответствие делений его шкалы (деления соответствуют углам поворота барабана) значениям длин волн света на выходной щели монохроматора.
Для выполнения этого упражнения необходимо отодвинуть штатив с фотоэлементом по направляющему рельсу от выходной щели монохроматора так, чтобы можно было визуально наблюдать соответствующий участок спектра через выходную щель.
1. С помощью линзы 5 сфокусировать свет на входную щель монохроматора. Это достигается передвижением штатива с линзой по направляющему рельсу.
2. Наблюдать визуально спектр на выходной щели монохроматора. При вращении барабана 8 будет происходить сканирование спектра и изменение цвета на выходной щели монохроматора от красного до фиолетового. Установив напротив выходной щели определенную линию спектра, нужно снять отсчет по шкале барабана и записать в табл.1. Проделать такие измерения для всех цветов, указанных в таблице.
Таблица 1.
|
№ |
Цвет |
Длина волны, нм |
Отсчет по барабану, град |
|
1 |
Фиолетовый |
406 |
|
|
2 |
Синий |
440 |
|
|
3 |
Голубой |
475 |
|
|
4 |
Сине-зеленый |
492 |
|
|
5 |
Зеленый |
498 |
|
|
6 |
Желтый |
563 |
|
|
7 |
Оранжевый |
604 |
|
|
8 |
Светло-красный |
630 |
|
|
9 |
Ярко-красный |
655 |
|
|
10 |
Бордовый |
730 |
3. Построить градуировочный график: зависимость значений по шкале барабана монохроматора φ ( в градусах ) от длины световой волны λ ( в нм ).
Упражнение № 2
Получение спектральной характеристики фотоэлемента. Определение красной границы фотоэффекта и работы выхода электронов.
3. Установить значение шкалы барабана монохроматора, равное 2900 дел.
4. Вращая барабан в сторону уменьшения значений шкалы, фиксировать значения фототока через каждые ~ 240 делений отсчетного барабана; данные занести в таблицу 2.
Таблица 2.
|
№ |
Отсчет по барабану, град. |
Фототок, мкА. |
Длина волны, нм |
|
1 |
|||
|
2 |
|||
|
3 |
|||
|
4 |
|||
|
5 |
|||
|
6 |
|||
|
7 |
|||
|
8 |
|||
|
9 |
5. Пользуясь градуировочным графиком, построенным в первом упражнении, определить длины волн, соответствующие значениям шкалы барабана из п.4. Данные занести в табл.2.
6. Построить спектральную характеристику фотоэлемента - зависимость величины фототока I от длины волны света λ, падающего на фотоэлемент.
7. Определить по графику «красную границу» фотоэффекта () следующим образом: К правой ветви кривой проведите касательную с максимальной крутизной. Точка пересечения касательной с осью абсцисс будет давать величину .
8. Рассчитать работу выхода электрона из материала катода по формуле (где с - скорость света в вакууме). По справочным материалам определить, из какого вещества сделан фотоэлемент.
Упражнение №3
Получение вольтамперной характеристики фотоэлемента.
1. Вращением установить барабан монохроматора в положение, соответствующее максимальной чувствительности фотоэлемента. Другими словами, установить на деление, соответствующее максимуму спектральной характеристики (см. упражнение №2 ).
5. Замкнуть ключи и . Подать напряжение на фотоэлемент с блока питания БП-1. Плавное изменение напряжения обеспечивается потенциометром П. Подаваемое напряжение измеряется вольтметром 10. Регистрировать значения фототока с помощью микроамперметра 9.
6. Изменять напряжение, подаваемое на фотоэлемент, в интервале от нуля до 60 В. В интервале от 0 до 15 В регистрировать значения тока через каждые (2-3)В, в интервале от 12 до 60В – через каждые (5-10) В. Результаты занесите в таблицу 3.
Таблица 3.
|
№ |
Напряжение на фотоэлементе U, В |
Сила фототока I, мкА |
|
1 |
||
|
2 |
||
|
3 |
||
|
4 |
||
|
5 |
||
|
6 |
||
|
7 |
||
|
8 |
||
|
9 |
7. Для получения той ветви ВАХ, которая соответствуют задерживающему напряжению (см. рис.2) необходимо изменить полярность напряжения, подаваемого на фотоэлемент. С помощью потенциометра увеличивать напряжение обратной полярности до тех пор, пока фототок не станет равным нулю. Измерить напряжение задержки Uзадержки.
8. Построить вольтамперную характеристику фотоэлемента - зависимость фототока I от приложенного к фотоэлементу напряжения U.
VI. УКАЗАНИЯ ПО ОФОРМЛЕНИЮ ОТЧЕТА
Отчет по лабораторной работе должен содержать
VII. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
VIII. ЛИТЕРАТУРА
PAGE 18