Исследование внешнего фотоэффекта
 Скачать 302.81 Kb.
|
|
МИНОБРНАУКИ РОССИИ Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) Кафедра физики отчет по лабораторной работе №12 по дисциплине «Физика» Тема: ИССЛЕДОВАНИЕ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА
Санкт-Петербург 2020 Цель работы. Исследование закономерностей эффекта фотоэлектронной эмиссии (внешнего фотоэффекта); измерение работы выхода электрона и красной границы эффекта для материала фотокатода. В фотоэффекте проявляется корпускулярные свойства электромагнитного излучения. Основные теоретические положения. Фотоэлектронная эмиссия (внешний фотоэффект) – это поток электронов, который возникает при облучении светом поверхности металла и направлен вдоль нормали к поверхности. Для исследования внешнего фотоэффекта в работе используется вакуумный диод (фотоэлемент СЦВ-4), содержащий два металлических электрода (анод и катод) внутри стеклянной оболочки. При комнатной температуре в вакуумном промежутке между электродами содержится незначительное количество электронов, возникающее за счет эффекта термоэлектронной эмиссии металла. Освещение поверхности катода приводит к увеличению числа свободных электронов в этой области. Зависимость силы тока от напряжения на фотоэлементе имеет нелинейный характер. Причина нелинейности вольтамперной характеристики I(U) –неоднородность распределения по скоростям вышедших из катода электронов вследствие их теплового движения. В случае отрицательной полярности подключения внешнего источника к электродам фотоэлемента с ростом напряжения U уменьшается доля электронов, имеющих кинетическую энергию, достаточную для достижения анода, и уменьшается ток I. При некотором значении обратного напряжения  полученной при фото-электронной эмиссии кинетической энергии электронов оказывается недостаточно, чтобы преодолеть тормозящее действие поля и сила тока, протекающего через фотоэлемент, обращается в ноль. Это условие достигается при равенстве кинетической энергией фотоэлектрона изменению его потенциальной энергии при перемещении от катода к аноду: Запирающее напряжение  эксперименте измеряется прямым методом и с точностью до постоянного множителя е (элементарный заряд) совпадает с кинетической энергией фотоэлектрона (11.6). Теория Эйнштейна (11.2) прогнозирует линейную зависимость запирающего напряжения от частоты  электромагнитного излучения: где  – минимальная частота излучения, при которой возможен выход электрона из исследуемого металла. Аппроксимация результатов измерения  линейной функцией (11.8) позволяет найти ее параметры (рис.11.1): работу выхода электрона A, граничную частоту  и отношение констант  . Сила тока сквозной проводимости фотоэлемента при большом положительном напряжении определяется только током фотоэлектронной эмиссии, величина которого не зависит от приложенного напряжения (11.6) и представляет собой ток насыщения  – асимптоту вольтамперной характеристики I(U)фотоэлемента.Электрическая схема экспериментальной установки представлена на рис. 11.2. Переключатель  предназначен для управления освещенностью Ф фотокатода. Он обеспечивает протекание тока разной величины в нити лампы накаливания  . С помощью переключателя  обеспечивается прямое или обратное подключение фотоэлемента ФЭ к источнику напряжения. Для изменения прямого и обратного напряжения между электродами ФЭ электрическая схема содержит, соответственно, потенциометры  и  . Сила тока сквозной электропроводности фотоэлемента измеряется микроамперметром PA, а напряжение между его электродами контролируется вольтметром PU.Вопросы 28, 17 28. Объясните зависимость запирающего напряжения на фотоэлементе от частоты электромагнитного излучения. 
 где ν0 = A  h –минимальная частота излучения,при которой возможен вы-ход электрона из исследуемого металла. Аппроксимация результатов изме-рения Uз (ν) линейной функцией позволяет найти ее параметры (рис.12.2): граничную частоту ν0 , работу выхода A = hν0 и отношение констант a = h e .17. Нарисуйте вольт-амперную характеристику для фототока для двух разных освещенностей. Объясните эти зависимости.  Вольт-амперная характеристика, соответствующая двум различным освещенностям катода( частота света в обоих случаях одинакова), приведена на рисунке выше. По мере увеличения U фототок постепенно возрастает, т.е. все большее число фотоэлектронов достигает анода. Пологий характер кривых показывает, что электроны вылетают из катода с различными скоростями. Максимальное значение тока - фототок насыщения - определяется таким значением U, при котором все электроны, испускаемые катодом, достигают анода:  Где n – число электронов, испускаемых катодом за 1 с.  Зависимость силы фототока от приложенной разности потенциалов при освещении катода светом различной частоты при одинаковом числе вырванных электронов (v2> v1> v0) На опыте обнаружено, что кинетическая энергия вырываемых светом электронов зависит только от частоты падающего света и не зависит от величины светового потока. Если частота света меньше определенной для данного вещества минимальной частоты v0, то фотоэффекта не происходит. Частоту v0 называют красной границей фотоэффекта. Задерживающий потенциал, соответствующий красной границе фотоэффекта, равен нулю.  Обработка результатов эксперимента.
 k = h*ν*a/(S*e)= 0.0067  Uз1= (0.312 ± 0.02) Uз2= (0.174 ± 0.01) Авых1= 3.11Е-19 Авых2= 3.58Е-19 νгр= ν1- Uз1*e/h = 4.7E+14  Вывод: в ходе лабораторной работы были построены зависимости  ,  ,  , оценен квантовый выход, измерены запирающие напряжения при разных частотах, оценена работа выхода электронов, оценена постоянная Планка, оценена красная граница для материала фотокатода . | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||