Фотоэлектрический эффект. ЛР_6.2. Лабораторная работа 2 Фотоэлектрический эффект
 Скачать 154.03 Kb.
|
|
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Иркутский национальный исследовательский технический университет» Институт заочно-вечернего обучения Кафедра технологии и оборудования машиностроительных производств (наименование кафедры) Отчёт по лабораторной работе № 6.2 «Фотоэлектрический эффект» по курсу Физика Выполнил студент: Принял Оценка ___________________________________ Лабораторная работа 6.2 «Фотоэлектрический эффект» Цель работы: Изучение явления внешнего фотоэлектрического эффекта на виртуальной лабораторной установке, экспериментальное подтверждение закономерностей внешнего фотоэффекта. Теоретическая часть Внешним фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Внешний фотоэффект наблюдается в твердых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриках), а также в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация). Фотоэффект обнаружен Г. Герцем (1887), наблюдавшим усиление процесса разряда при облучении искрового промежутка ультрафиолетовым излучением. Первые фундаментальные исследования фотоэффекта выполнены русским ученым А.Г.Столетовым (схема показана на рис.1)  Рис.1 Схема установки Столетова для исследования фотоэффекта П  ринципиальная схема для исследования фотоэффекта приведена на рисунке 2. Два электрода (катод К из исследуемого металла и анод А — в схеме Столетова применялась металлическая сетка) в вакуумной трубке подключены к батарее так, что с помощью потенциометраR можно изменять не только значение, но и знак подаваемого на них напряжения. Ток, возникающий при освещении катода монохроматическим светом (через кварцевое окошко), измеряется включенным в цепь миллиамперметром. Облучая катод светом различных длин волн, А. Г. Столетов установил следующие закономерности, не утратившие своего значения до нашего времени: Рис.2 1) наиболее эффективное действие оказывает ультрафиолетовое излучение; 2) под действием света вещество теряет только отрицательные заряды; 3) сила тока, возникающего под действием света, прямо пропорциональна его интенсивности. Спустя десять лет в 1898 г. Ленард и Томсон, измерив удельный заряд испускаемых под действием света частиц, установили, что эти частицы являются электронами. К 1905 г. было выяснено, что максимальная скоростьфотоэлектронов не зависит от интенсивности света, а зависит только от его частоты, причем увеличение частоты приводит к возрастанию скорости. Установленные экспериментальные зависимости не укладывались в рамки классических представлений. Например, скорость фотоэлектронов по 3 классическим понятиям должна возрастать с амплитудой, а, следовательно, и с интенсивностью электромагнитной волны. В 1905 г. Эйнштейн доказал, что все закономерности фотоэффекта легко объясняются, если предположить, что свет поглощается такими же порциями h (квантами), какими он, по предположению Планка, испускается. По Эйнштейну, энергия, полученная электроном, доставляется ему в виде кванта h, который поглощается целиком. Часть этой энергии, равная работе выхода A, затрачивается на то, чтобы электрон мог покинуть тело. Остаток энергии образует кинетическую энергию электрона, покинувшего вещество. В этом случае должно выполняться соотношение, называемое формулой Эйнштейна: mu2/2 = h - А где u- скорость фотоэлектронов зависит только от частоты света и работы выхода А. Уравнение Эйнштейна объясняет все законы внешнего фотоэффекта. Внешний фотоэффект возможен лишь при условии hmin А. Красная граница фотоэффекта min = A/h или макс = ch/A зависит только от величины работы выхода электрона, т. е. от химической природы металла и состояния его поверхности. Описание экспериментальной установки  Рис.3 Установка для исследования фотоэффекта Общее число  фотоэлектронов, вылетающих из катода за единицу времени, прямо пропорционально числу фотонов ', падающих за это время на поверхность катода. В свою очередь для катода, равномерно освещаемого монохроматическим светом, ' прямо пропорционально освещенности Е.Установка для исследования фотоэффекта, изображенная на рис. 3, состоит из вакуумной трубки 2, источника света 1, вольтметра 4, амперметра 5 и источника ЭДС 6. Световой поток 10 от источника 1 падает на электрод 8, покрытый исследуемым веществом. В результате с поверхности электрода вырываются фотоэлектроны 9. Если разность потенциалов между электродами 7 и 8 равна нулю, то амперметр 5 фиксирует небольшой ток, обусловленный наличием у фотоэлектронов кинетической энергии. Если потенциал на электроде 7 меньше, чем на электроде 8 на некоторую величину, способную задержать свободные фотоэлектроны, то амперметр 5 будет показывать отсутствие тока. Величина задерживающего потенциала зависит от кинетической энергии фотоэлектронов. Зная эту величину и значение наиболее короткой длины волны в спектре светового источника 1 можно оценить работу выхода электронов из исследуемого вещества:  где А – работа выхода электронов из вещества; h – постоянная Планка; с – скорость света в вакууме; мин – минимальная длина волны в спектре источника света; e – заряд электрона;  – величина задерживающего потенциала, при котором прекращается фототок.Разность потенциалов между электродами 7 и 8, создаваемая источником ЭДС 6, контролируется вольтметром 4. Если потенциал на электроде 7 больше, чем на электроде 8, то амперметр 5 будет фиксировать величину фототока. Значение работы выхода электронов для различного вещества приведено в табл. 1. Табл. 1. Значения работы выхода для некоторых материалов
Выполнение работы Устанавливаем расстояние до источника r = 11,3 и вещество под номером 3, проводим измерение значений задерживающего потенциала в пределах от (-2,5В) до (+3В) через 0,5B. Значения фототока для выбранных значений задерживающего потенциала записываем в таблицу:
По результатам измерений строим график зависимости фототока от величины задерживающего потенциала.  По графику находим величину задерживающего потенциала: Uз = -1,9 В Вычислим значение работы выхода электронов для данного вещества, используя найденную величину задерживающего потенциала. Значение наиболее короткой длины волны в спектре источника света считаем равным 320 нм.  , e = 1,6*10-19 с=3*108 h =6,63*10-34 A  eU3 =  – 1,6*10-19*(-1,9) = 9,23*10-19 Дж = 5,77 эВСравниваем вычисленные значения работы выхода с табличными значениями и делаем вывод что работа выхода для образца №3 соответствует платине. Вывод: мы изучили явления внешнего фотоэлектрического эффекта на виртуальной лабораторной установке, экспериментально подтвердили закономерности внешнего фотоэффекта, определили работу выхода для платины. Список литературы 1.Курс физики : учеб. пособие для инж.-техн. специальностей вузов / Т. И. Трофимова. – 18-е изд., стер. – М. : Академия, 2010. – 557 с. 2. Курс физики : учеб. пособие для втузов / А. А. Детлаф, Б. М. Яворский. – 9-е изд., стер. – М. : Академия, 2012. – 719 с. 3. Савельев И.В. Курс общей физики. – М. : Наука, 2012. Т. 1, 2, 3. Дополнительная литература 4.Шпольский Э.В. Атомная физика. Том 1: Введение в атомную физику. Учебное пособие. - 7-е изд. исправл. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984. - 552с. |