фотоэффект. Внешний фотоэффект лабораторная 2. Лабораторная работа 2 Внешний фотоэффект Цель работы Знакомство с квантовой моделью внешнего фотоэффекта

• Название: Лабораторная работа 2 Внешний фотоэффект Цель работы Знакомство с квантовой моделью внешнего фотоэффекта
• Анкор: фотоэффект
• Дата: 05.06.2022
• Размер: 4.41 Mb.
• Имя файла: Внешний фотоэффект лабораторная 2.docx
• Тип: Лабораторная работа; #571081

Лабораторная работа № 2
«Внешний фотоэффект»

Цель работы:

• 
  Знакомство с квантовой моделью внешнего фотоэффекта.
  
• 
  Экспериментальное подтверждение закономерностей фотоэффекта.
  
• 
  Экспериментальное определение красной границы фотоэффекта, работы выхода фотокатода и постоянной Планка.
  

Краткая теория

Модели электромагнитного излучения (ЭМИ):

• 
  луч – линия распространения ЭМИ (геометрическая оптика),
  
• 
  волна – гармоническая волна, имеющая амплитуду и определенную длину волны или частоту (волновая оптика),
  
• 
  поток частиц (фотонов) используется для объяснения многих эффектов, на которых основана квантовая теория строения вещества.
  

Фотоны – это частицы (кванты), поток которых является одной из моделей электромагнитного излучения (ЭМИ).

Энергия фотона: Е_Ф , где - длина волны, ν – частота излучения, h – постоянная Планка, h = 6,62∙10^–34 Дж∙с.

Энергия часто измеряется во внесистемной единице «электрон-вольт».

1 эВ = 1,6∙10^–19 Дж.

Масса фотона связана с его энергией соотношением Эйнштейна:



Импульс фотона

Внешний фотоэффект есть явление вылета электронов из вещества (металла, фотокатода) при его облучении электромагнитным излучением (ЭМИ), например, светом. Вылетевшие электроны называются фотоэлектронами.

Кинетическая энергия электрона внутри вещества увеличивается на , но при вылете фотоэлектрона из вещества им совершается работа (работа выхода) против сил электростатического притяжения к металлу. У фотоэлектрона сообщенная ему фотоном порция энергии уменьшается на величину, равную работе выхода из металла (фотокатода), а оставшаяся часть имеет вид кинетической энергии фотоэлектрона вне металла (фотокатода):



Это соотношение называют формулой (законом) Эйнштейна для фотоэффекта.

Красная граница фотоэффекта есть минимальная частота ЭМИ, при которой еще наблюдается фотоэффект, т.е. для которой энергия фотона равна работе выхода . Следовательно, для красной границы фотоэффекта получим:



Запирающим (задерживающим) напряжением называется минимальное тормозящее напряжение между анодом вакуумной лампы (фотоэлемента) и фотокатодом, при котором отсутствует ток в цепи этой лампы, т.е. фотоэлектроны не долетают до анода. При таком напряжении кинетическая энергия электронов у катода равна потенциальной энергии электронов у анода, откуда следует выражение:



где заряд электрона.

Схема установки

Бригада	2
Вещество	Цинк
Uзап1	-0,5
Uзап2	-1,5
Uзап3	-2,5
Uзап4	-3,5

Эксперимент 1

Подведем маркер мыши к движку регулятора интенсивности облучения фотокатода и установим его на максимум (P = 1 мВт).

Подведем маркер мыши к движку регулятора запирающего напряжения U и установим значение напряжения между анодом и фотокатодом U = 0 В.

Подведем маркер мыши к движку регулятора длины волны облучающего излучения. Передвигая вертикальную метку на спектре слева направо, постепенно увеличивая длину волны до такого максимального значения λ_max, при котором прекращается фототок.



Красная граница фотоэффекта для цинка λ_max = λ_кр = 288 нм

Эксперимент 2





Таблица 2.

Результаты измерений (вещество цезий)

Номер измерения	1	2	3	4
, В	-0,5	-1,5	-2,5	-3,5
, нм	258	214	182	160
, 106 м-1	3,88	4,67	5,49	6,25

График зависимости напряжения запирания U_зап от обратной длины волны 1/λ



Выведем формулу для определения постоянной Планка









, .

Среднее значение постоянной Планка по графику:



Расчет абсолютной погрешности измерения постоянной Планка:







где и соответственно максимальное и минимальное значения напряжения запирания в эксперименте 2, и соответственно максимальное и минимальное значения длины волны излучения в эксперименте 2, - абсолютные погрешности измерения напряжения, , - абсолютные погрешности измерения длины волны.



Абсолютная погрешность измерения постоянной Планка:







Относительная погрешность в определении постоянной Планка



Значение работы выхода материала фотокатода по графику:



Переведем в электрон вольты



Табличное значение работы выхода для цинка:

Относительная погрешность в определении работы выхода



Абсолютная погрешность в определении работы выхода



Ответ и анализ графика:

В работе экспериментально подтверждены закономерности фотоэффекта.

Как следует из уравнения (1) , график зависимости от обратной длины волны 1/λ, представляет собой прямую линию. Построенный график это подтверждает. По наклону прямой определена постоянная Планка:

Относительная погрешность в определении постоянной Планка



Красная граница фотоэффекта для цинка: λ_кр = 288 нм, по красной границе рассчитана работа выхода материала фотокатода:



Табличное значение в пределах погрешности совпадает с рассчитанным, что подтверждает правильность проведенного эксперимента. Относительная погрешность в определении работы выхода