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
44
~
б)
U
2
1
а)
U
2
1
0
а)
б)
0
Лабораторная работа № 49
ИЗУЧЕНИЕ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА
Цель работы: 1. Изучение законов внешнего фотоэффекта.
2. Проверка первого закона А.Г. Столетова.
3. Проверка закона А. Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.
Теоретическое введение
Внешним фотоэффектом называется явление испускания электронов из вещества под действием электромагнитного излучения. Элементарный акт фотоэффекта сводится к взаимодействию двух частиц: фотона электромагнитного излучения и электрона вещества. Таким образом, фотоэффект является одним из явлений, в которых электромагнитное излучение проявляет корпускулярные свойства. Электрон, испускаемый веществом в результате фотоэффекта, называется фотоэлектроном.
В работе законы фотоэффекта изучают с использованием вакуумного фотоэлемента (рисунок 1). Вакуумный фотоэлемент представляет собой двухэлектродную вакуумную лампу, корпус которой прозрачен или имеет прозрачное окно. Один из электродов (1) имеет большую площадь и покрыт веществом с малой работой выхода электронов. При освещении он становится источником фотоэлектронов. Второй электрод (2), напротив, выполнен в виде тонкого кольца из материала с большой работой выхода электронов, что позволяет исключить возможность фотоэффекта из него.
Рисунок 1 - Вакуумный фотоэлемент: а) прямое включение; б) обратное включение.
Если фотоэлемент подключить к источнику постоянного напряжения так, чтобы первый электрод являлся катодом, и осветить его, то в цепи пойдет ток (фототок силой ). Такое подключение фотоэлемента называют прямым. Возникновение тока при прямом подключении фотоэлемента бусловлено тем, что сила Кулона , действующая на фотоэлектрон в электрическом поле напряженностью между электродами, вызывает появление ускорения и, следовательно, составляющей скорости фотоэлектрона, направленных к аноду (положительно заряженному электроду). В результате этого часть фотоэлектронов достигает анода, и электрическая цепь оказывается замкнутой. С ростом приложенного напряжения возрастают напряженность электрического поля между электродами и сила Кулона, действующая на фотоэлектроны, что ведет к увеличению числа электронов, достигающих анода, то есть к увеличению силы фототока в цепи фотоэлемента (см. рисунок 2а).
Начиная с некоторого напряжения, все фотоэлектроны достигают анода. Поэтому дальнейшее увеличение напряжения не вызывает роста силы тока , и на вольт-амперной характеристике фотоэлемента появляется горизонтальный участок. Ток, величина которого не зависит от величины приложенного напряжения, называется током насыщения . Ток насыщения является линейной функцией числа фотоэлектронов , испускаемых катодом в единицу времени:
, (1)
где =1,6∙10-19 Кл - элементарный заряд.
Рис. 2. Вольт-амперная характеристика фотоэлемента: а) полный вид; б) при обратном напряжении (увеличено).
Если первый электрод подключить к положительному полюсу источника напряжения, то силы Кулона, действующие на фотоэлектроны, будут препятствовать их переходу на противоположный электрод (рисунок 1б). Такое подключение фотоэлемента и приложенное напряжение называют обратными. С ростом обратного напряжения фототок уменьшается и становится равным нулю при некотором минимальном значении обратного напряжения, называемом запирающим напряжением (см. рисунок 2б).
На основании множества опытов были установлены следующие три закона внешнего фотоэффекта.
1. Число фотоэлектронов n, выбиваемых из катода за единицу времени, прямо пропорционально освещенности E катода (этот закон был впервые открыт А.Г. Столетовым и его часто называют первым законом Столетова).
2. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов увеличивается с ростом частоты падающего света, зависит от материала катода и не зависит от интенсивности света.
3. Фотоэффект возможен, если частота падающего света не меньше некоторой величины, называемой частотой красной границы . Частота красной границы зависит от материала катода. Таким образом, условие возможности внешнего фотоэффекта таково:
.
Соответствующая длина волны называется длиной волны красной границы (с=3∙108 м/с – скорость света в вакууме).
Часть 1. Изучение влияния освещенности поверхности на число фотоэлектронов, испускаемых в единицу времени (проверка первого закона А.Г. Столетова)
Описание установки и метода
Установка включает в себя установленные на оптической скамье с линейкой вакуумный фотоэлемент и осветитель, который можно считать точечным источником света, а также регулируемый источник постоянного напряжения, вольтметр и микроамперметр. Электрическая схема установки показана на рисунке 3. Освещенность поверхности точечным источником света обратно пропорциональна квадрату расстояния между источником и освещаемой поверхностью (между осветителем и первым электродом фотоэлемента): . Это расстояние измеряют с помощью линейки, закрепленной на оптической скамье.
Рисунок 3 - Принципиальная схема установки.
Для нескольких значений расстояния следует снять вольт-амперные характеристики фотоэлемента в прямом подключении и по ним определить токи насыщения , пропорциональные числу электронов , испускаемых первым электродом в единицу времени. Искомая зависимость числа электронов , испускаемых поверхностью материала в единицу времени, от ее освещенности имеет такой же вид, как и зависимость от .
В соответствии с первым законом А.Г. Столетова зависимость от должна быть прямо пропорциональной.
Порядок выполнения работы и обработки результатов измерений
1. Для каждого из указанных преподавателем четырех-пяти значений расстояния от осветителя до фотоэлемента снять зависимость силы фототока от напряжения , приложенного к фотоэлементу. Нужно использовать не менее 10 значений , причем при малых значениях напряжения его нужно изменять с мелким шагом (4-5 В), затем шаг можно увеличить (до 20-25 В). Необходимо убедиться, что достигнуто насыщение фототока, когда дальнейшее увеличение напряжения фактически не влияет на силу фототока.
2. Обработка результатов может производиться на ПЭВМ или "вручную". При обработке "вручную" на одной системе координат построить все снятые вольт-амперные характеристики, то есть графики зависимостей . По этим графикам для каждого значения расстояния определить соответствующий ток насыщения и построить график зависимости . По виду этого графика сделать вывод о справедливости первого закона А.Г. Столетова.
Часть 2. Проверка закона Эйнштейна для фотоэффекта и определение красной границы фотоэффекта материала
Описание установки и метода
Уравнение А. Эйнштейна для фотоэффекта имеет вид:
, (2)
где - постоянная Планка, - частота электромагнитной волны, - энергия кванта, - работа выхода электронов из вещества, - масса электрона, - максимальная скорость фотоэлектронов, - максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов.
Установка для проверки уравнения Эйнштейна включает в себя фотоэлемент, источник света с дискретным (линейчатым) спектром излучения - лампу на парах ртути, блок питания ртутной лампы, набор светофильтров, регулируемый источник постоянного напряжения, вольтметр и микроамперметр. Спектр излучения ртутной лампы в видимом диапазоне содержит небольшое число спектральных линий. С помощью светофильтров удается выделить отдельные линии, то есть обеспечить монохроматичность падающего на фотоэлемент излучения:
=0,4047 мкм - фильтр Hg405, =0,4358 мкм - фильтр Hg436,
=0,5461 мкм - фильтр Hg546, =0,5790 мкм - фильтр Hg579.
Уравнение Эйнштейна (2) можно записать в виде:
. (3)
Измерение максимальной кинетической энергии фотоэлектронов в работе производят по методу задерживающего потенциала. При этих измерениях используется обратное подключение фотоэлемента к источнику напряжения. Увеличивая обратное напряжение и измеряя фототок, находят запирающее напряжение , то есть минимальное значение обратного напряжения, при котором сила фототока становится равной нулю. Так как убыль кинетической энергии фотоэлектрона при его перемещении между электродами равна совершенной при этом работе силы Кулона , то можно записать
. (4)
Подставив выражение (4) в формулу (3), получаем
. (5)
Так как , где - скорость света в вакууме, - длина световой волны, то формулу (5) можно представить следующим образом:
. (6)
Таким образом, в данной работе проверка уравнения Эйнштейна сводится к проверке уравнения (6), то есть к проверке наличия линейной зависимости запирающего напряжения от величины .
Порядок выполнения работы и обработки результатов измерений
1. Задавая последовательно различную длину волны падающего на фотоэлемент излучения (установкой соответствующего светофильтра), для каждой длины волны снять зависимость силы фототока от обратного напряжения .
2. На одной системе координат построить графики зависимости для всех использованных длин волн. По этим графикам определить величину запирающего напряжения для каждой из длин волн .
3. Построить график зависимости запирающего напряжения , выраженного в вольтах, от величины , выраженной в мкм-1. Сделать вывод о виде зависимости и о справедливости уравнения Эйнштейна.
4. Линейно экстраполировать график зависимости до пересечения с осью . Точка пересечения даст значение величины , где - длина волны красной границы фотоэффекта. Определить , выразив ее в микрометрах и метрах.
5. По формуле
(7)
рассчитать работу выхода электронов из катода фотоэлемента, выразив ее в джоулях и электронвольтах.
6. Для одной из использованных длин волн рассчитать максимальную скорость фотоэлектронов по формуле
, (8)
где 9,1∙10-31 кг - масса электрона.
Контрольные вопросы
1. В чем состоит явление внешнего фотоэффекта?
2. Сформулируйте основные законы внешнего фотоэффекта.
3. Сформулируйте закон А. Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.
4. Укажите характеристики фотона: энергию, импульс, массу покоя, релятивистскую массу, скорость.
5. Опишите устройство и работу фотоэлемента. Для каких целей используются фотоэлементы?
6. Как с помощью вольт-амперной характеристики фотоэлемента определить число испускаемых в единицу времени фотоэлектронов и их максимальную скорость?
Список рекомендуемой литературы
1. Трофимова, Т.И. Курс физики: учеб. пособие для вузов / Т. И. Трофимова. - 13-е изд., стер. - М.: Академия, 2007. - 560 с. - §§ 202-204.
2. Детлаф, А.А. Курс физики: учеб. пособие для студ. вузов / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский. - 7-е изд., стер. - М.: Академия, 2008. - 720 с. - 36.1, 36.2.
3. Савельев, И.В. Курс общей физики: Учеб. пособие. В 3-х тт. Т. 3. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц / И.В. Савельев. - 9-е изд., стер. - СПб.: Лань, 2007. - 496 с. - § 9.
4. Грабовский, Р.И. Курс физики: Учеб. пособие / Р.И. Грабовский. - 10-е изд., стер. - СПб.: Лань, 2007. - 608 с. - § 68.