Лаб Фотоэффект (2). Лабораторная работа 3 Фотоэлектрический эффект
 Скачать 421.51 Kb.
|
|
Иркутский государственный технический университет Кафедра общеобразовательных дисциплин ФИЗИКА Лабораторная работа 4.3 «Фотоэлектрический эффект» Доц. Щепин В.И., Белоголов М.А. Иркутск 2012 2 Лабораторная работа 4.3. Фотоэлектрический эффект Цель работы: Изучение явления внешнего фотоэлектрического эффекта на виртуальной лабораторной установке , экспериментальное подтверждение закономерностей внешнего фотоэффекта. Теоретическая часть Фотоэлектрическим эффектом или фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием света. Это явление было открыто в 1887 г. Г. Герцем. Он заметил, что проскакивание искры между шариками разрядника значительно облегчается, если один шарик осветить ультрафиолетовыми лучами. В 1888–1889 гг. А. Г. Столетов подверг фото- эффект систематическому исследованию с помощью установки, схема которой показана на рис.1. Конденсатор, образованный проволочной сеткой и сплошной пластинкой, был включен последовательно с гальванометром Г в цепь батареи. Свет, проходя через сетку, падал на сплошную пластинку. В результате в цепи возникал ток, регистрируемый гальванометром. На основании своих опытов Столетов пришел к следующим выводам: 1) наибольшее действие оказывают ультрафиолетовые лучи; 2) сила тока возрастает с увеличением освещенности; 3) испускаемые под действием света заряды имеют отрицательный знак. Г + – Рис. 1. Схема установки Столетова для исследования фотоэффекта 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 скорость фотоэлектронов 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: mu 2 /2 = h - А (1) 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 h min 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. 2. Установка для исследования фотоэффекта 4 Общее число п фотоэлектронов, вылетающих из катода за единицу времени, прямо пропорционально числу фотонов п', падающих за это время на поверхность катода. В свою очередь для катода, равномерно освещаемого монохроматическим светом, п' прямо пропорционально освещенности Е. Установка для исследования фотоэффекта, изображенная на рис.2, 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 0, 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: З мин eU hc A , 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; U З – величина задерживающего потенциала, при котором прекращается фототок. Значение работы выхода электронов для различного вещества приведено в табл. 1. Табл. 1. Значения работы выхода для некоторых материалов Материал калий литий платина рубидий серебро цезий цинк А ВЫХ , эВ 2.2 2.3 6.3 2.1 4.7 2.0 4.0 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. Порядок выполнения работы 1. Получить свой вариант лабораторной работы у преподавателя и установить расстояние до источника света и тип вещества. 2. Измерить значение задерживающего потенциала в пределах от (-2,5В) до (+3В) через 0,5В. Значения фототока для выбранных значений 5 задерживающего потенциала записать в таблицу, образец которой приведен в конце задания. 3. Повторить измерения, описанные в пункте 2, для каждого из двух исследуемых веществ. 4. По результатам измерений построить два графика зависимости фототока от величины задерживающего потенциала. 5. Для каждого вещества определите по графику величину задерживающего потенциала. (Напряжение при котором фототок становится равным нулю) 6. Вычислите значение работы выхода электронов для каждого из веществ используя найденную величину потенциала. Значение наиболее короткой длины волны в спектре источника света считайте равным 320 нм. 7. Сравните вычисленные значения работы выхода с табличными значениями и попробуйте определить тип каждого из веществ. Образец таблицы Минимальная длина волны источника мин = 320 нм; Расстояние до источника r = 0,1 м; (Ваш вариант) Исследуемое вещество № 1; (Ваш вариант) № п/п 1 2 3 4 … … … 10 11 12 Потенциал U, В U 1 U 2 U 3 U 4 … … … U 10 U 11 U 12 Фототок J, мА J 1 J 2 J 3 J 4 … … … J 10 J 11 J 12 Контрольные вопросы 1. Что такое фотоны? 2. Как определяется энергия фотона. 3. Напишите формулу, связывающую энергию фотона и его массу. 4. Определите связь энергии фотона с его импульсом. 5. Дайте формулировку явления внешнего фотоэффекта. 6. Опишите, что происходит с фотоном, падающим на границу металла. 7. Опишите, что происходит со свободным электроном металла, после его взаимодействия с фотоном. 8. Что такое работа выхода? 9. Напишите формулу Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. 10. Дайте определение красной границы фотоэффекта. 11. Что такое фотоэлемент? 12. Почему катод фотоэлемента называют фотокатодом? 13. Что такое запирающее напряжение для данного фотокатода. 14. Как движется фотоэлектрон в фотоэлементе если потенциал анода ниже (или выше) потенциала фотокатода? |