Лабораторная работа «ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА»

Лабораторная работа №12

ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА

Цель работы: изучить законы внешнего фотоэффекта, определить постоянную Планка.

Установку можно посмотреть ТУТ

Содержание работы

                        Гипотеза Планка получила подтверждение при объяснении явления фотоэлектрического эффекта. Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Фотоэффект был обнаружен в 1887 году г. Герцем, позднее детально исследован А. Г. Столетовым

1. Ввакуумной трубке с помощью потенциометра R можно менять величину напряжения между катодом К и анодом А и его знак. Облучая катод светом разных для действием света, прямо пропорциональна его интенсивности.
2. Для каждого вещества существует “красная граница” фотоэффекта, то есть минимальная частота ₀, ниже которой фотоэффект не происходит.
3. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света и линейно возрастает с частото излучения.

В 1905 году для объяснения явления фотоэффекта А. Эйнштейн выдвинул квантовую теорию фотоэффекта, согласно которой свет испускается, распространяется в пространстве и поглощается в веществе порциями – квантами (фотонами), энергия которых

 = h, (1)

При этом каждый квант поглощается только одним электроном. Отсюда следует первый закон фотоэффекта. Энергия падающего фотона идет на совершение им работы выхода А из металла и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии:

h = А + mv_max²/2, (2)

это уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта, из которого непосредственно следует вывод второго и третьего законов фотоэффекта. Так, максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с ростом частоты падающего света (третий закон). А с уменьшением частоты света кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается до нуля, при этом

h₀ = А, (3)

следовательно,

₀=А/h (3а)

– красная граница фотоэффекта для данного материала.

Эксперимент, позволяет получить вольт-амперную характеристику фотоэффекта – зависимость фототока i от разности потенциалов между катодом и анодом U

С ростом U фототок i постепенно возрастает, т.е. все большее число фотоэлектронов достигает анода, и достигает насыщения i_нас. При U=0 фототок не исчезает, то есть электроны, выбитые из катода, обладают некоторой начальной скоростью v, позволяющей им достигнуть анода без внешнего поля. Для того чтобы фототок стал равным нулю, необходимо приложить задерживающее напряжение U_0, измерив которое, можно определить максимальное значение скорости и кинетической энергии фотоэлектронов:

mv_max²/2 = qU_0, (4)

Электроны в твердом теле можно считать находящимися в некоторой потенциальной яме на глубине U

Согласно квантовой теории металлов свободные электроны в потенциальной яме заполняют дискретный ряд уровней энергии.

При низких температурах (Т → 0) заполненными оказываются все нижние уровни, вплоть до уровня E_f, называемого уровнем Ферми. Для выхода электронов за пределы металла с уровня Ферми следует сообщить ему дополнительную энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера.

Минимальная дополнительная энергия, достаточную для преодоления потенциального барьера с уровня Ферми, называется работой выхода А. Величина А зависит от свойств кристаллической решетки твердого тела и состояния поверхности металла.

Приборы и оборудование

Установка состоит из объекта исследования ОИ и устройства измерительного УИ, выполненных в виде конструктивно законченных изделий, устанавливаемых на лабораторном столе и соединяемых между собой кабелем 1

ОИ конструктивно выполнен в виде сборного корпуса 2, в котором установлены осветитель (спектральная ртутная лампа) с источником питания, блок интерференционных светофильтров 3 и устройство регулировки освещенности 4. Положение «0» блока светофильтров соответствует прохождению света без светофильтров и может применяться для снятия интегральных вольтамперных и люксамперных характеристик, а положение «5» – перекрывает лампу и используется для установки ноля. К корпусу с помощью кронштейна 5 крепится усилитель фототока 6, на верхнюю крышку которого устанавливаются сменные фотоприемники 7 с фотоэлементами. При установке фотоприемников их приемное окно совмещается с выходным окном осветителя и закрывают при помощи бленды 8.

На передней панели объекта исследования находятся сетевой выключатель с индикатором включения сети 9. На задней панели объекта исследования расположены клемма заземления, держатели предохранителей и сетевой шнур с вилкой. На боковой стенке расположено выходное окно осветителя 8 и устройства для смены интерференционных светофильтров 3 и регулировки освещенности 4. На боковых поверхностях усилителя фототока расположены соединительный шнур 1 с разъемом для подключения объекта исследования к устройству измерительному и регуляторы ГРУБО и ТОЧНО 10 установки ноля при отсутствии освещенности.

На передней панели устройства измерительного размещены следующие органы управления и индикации:

– кнопка 11 ПРЯМАЯ — ОБРАТНАЯ с соответствующими индикаторами — предназначена для включения прямого или обратного режимов измерения.

– кнопки «+», «-» 12 и СБРОС 13 — предназначены для регулировки напряжения на фотоэлементе и его сброса в ноль.

– индикаторы В 14 и мкА 15 — предназначены для индикации значений величин напряжения на фотоэлементе и фототока в процессе работы

На задней панели устройства измерительного расположены выключатель СЕТЬ, клемма заземления, держатели предохранителей (закрыты предохранительной скобой), сетевой шнур с вилкой и разъем для подключения объекта исследования .

Принцип действия установки основан на измерении тока через фотоэлемент при изменении полярности и величины приложенного к нему напряжения и изменения спектрального состава и величины освещенности катода фотоэлемента.

В процессе выполнения лабораторных работ снимаются зависимости тока через фотоэлемент от приложенного к нему напряжения. При этом меняется полярность напряжения ( т.е. раздельно снимаются прямая и обратная ветви вольтамперной характеристики фотоэлемента). Характеристики снимаются при различных значениях освещенности и при изменении длины волны освещения фотоэлемента. По результатам измерений строятся семейства вольтамперных характеристик и, используя соответствующие методы расчета, численно оценивается значение постоянной Планка.

Порядок выполнения работы

1. Установить на объект исследования фотоприемник 7 с исследуемым фотоэлементом и задвиньте бленду 8 осветителя в окно фотоэлемента.

2. Включить устройство измерительное и объект исследования выключателем СЕТЬ. При этом должен загореться индикаторы ОБРАТНАЯ, В и мкА устройства измерительного. После 5 минутного прогрева ручками 10 УСТАНОКА НОЛЯ (ГРУБО и ТОЧНО) на объекте исследования установить нулевое значение на индикаторе15 (мкА) устройства измерительного.

3. Включить объект исследования выключателем СЕТЬ на его передней панели. При этом должен загореться индикатор СЕТЬ объекта исследования.

4. Дать лампе осветителя прогреться в течение 15 мин.

5. С помощью кнопки 11 (ПРЯМАЯ – ОБРАТНАЯ) выбрать необходимый режим измерения.

6. Установить необходимый светофильтр.

7. Изменяя значения напряжения с помощью кнопок 12 («+» и «-«), и считывать показания фототока с индикатора 15 («мкА») снять данные для построения вольтамперной характеристики

8. Повторить измерения для других светофильтров.

Примечание 1: При необходимости с помощью поворота кольца 4, расположенного на выходном окне объекта исследования, можно изменять освещенность фотоэлемента.

Примечание 2: При определении запирающего напряжения фотоэлемента необходимо нулевое значение тока считывать при уменьшении напряжения от нулевого значения по индикатору 14 до значения запирающего напряжения, а не наоборот. Не рекомендуется устанавливать значение напряжения ниже запирающего.

9. По окончании работы выключить объект исследования и устройство измерительное.

10. Построить ВАХ.

11. Определить число фотоэлектронов, выбитых в единицу времени:

n = i_н/е, (5)

где е =1.6*10^-19 Кл.

12. Оценить постоянную Планка для найденных задерживающих потенциалов U_0, соответствующих двум  по формуле:

(6)

где с=3*10⁸м/с.

13. Повторить вычисления для других значений λ. Оценить погрешность.

Контрольные вопросы

1. В чем состоит явление внешнего фотоэффекта.

2. Что такое “красная граница ” фотоэффекта.

3. Сформулировать законы фотоэффекта.

4. Вывод второго и третьего законов фотоэффекта на основе уравнения Эйнштейна.

5. Объяснить ход прямой и обратной ветвей графика зависимости фототока от напряжения между катодом и анодом.

Методические указания,  УЧЕБНАЯ ТЕХНИКА 8- 495- 724-93-09,www.учебнаятехника.рф