Главная страница
Навигация по странице:

  • Краткая теория

  • Методика эксперимента

  • Порядок выполнения лабораторной работы

    		•

    физика 8-1. Лабораторная работа 81 Определение работы выхода электронов из металла и длины волны красной границы фотоэффекта


    Скачать 234.11 Kb.
    НазваниеЛабораторная работа 81 Определение работы выхода электронов из металла и длины волны красной границы фотоэффекта
    Анкорфизика 8-1
    Дата13.03.2023
    Размер234.11 Kb.
    Формат файлаdocx
    Имя файлаFizika_8-1.docx
    ТипЛабораторная работа
    #986230

    Лабораторная работа № 8-1

    «Определение работы выхода электронов из металла и длины волны красной границы фотоэффекта»


    Цель работы: Ознакомление с явлением внешнего фотоэффекта, проведение виртуального эксперимента по определению задерживающей разности потенциалов для разных длин волн света и ее зависимости от (1/), вычисление работы выхода электронов и длины волны красной границы фотоэффекта для двух материалов фотокатода.

    (Работа выполняется на персональном компьютере)

    Краткая теория

    Явление внешнего фотоэффекта заключается в вырывании электронов с поверхности металла под действием света. (Фотоэффект был открыт Г.Герцем в 1887 г. и систематически исследован А.Г.Столетовым в 1888-1889 гг.)

    Принципиальная схема установки приведена на рис. 3-3.1.

    Свет освещает фотокатод К вакуумного фотоэлемента, изготовленный из исследуемого материала. Электроны, испущенные катодом, под действием электрического поля перемещаются к аноду А. В цепи возникает фототок I, измеряемый гальванометром Г. Напряжение между катодом и анодом U измеряется вольтметром В и может изменяться с помощью потенциометра П.

    При исследовании внешнего фотоэффекта были установлены следующие закономерности:

    1. При неизменном спектральном составе света фототок насыщения IН пропорционален световому потоку  (закон Столетова) см. рис.3-3.2.

    2. Существует задерживающее напряжение UЗ –отрицательное напряжение между катодом и анодом при котором фототок обращается в нуль (рис.3-3.2).

    3. Величина задерживающего напряжения UЗ зависит от частоты света (длины волны) и материала фотокатода и не зависит от интенсивности света (рис.3-3.3).

    4. Существует красная граница фотоэффекта, т.е. максимальная длина волны света К (или минимальная частота К ) при которой фотоэффект еще наблюдается. Фотоэффект отсутствует при условии К или  К.

    5. Фотоэффект практически безинерционен.


    Отмеченные закономерности не могут быть объяснены в рамках классической электродинамики. Правильная теория внешнего фотоэффекта была разработана А. Эйнштейном в 1905 г. на основе квантовых представлений о природе света. По гипотезе Эйнштейна свет представляет собой поток особых частиц – фотонов и внешний фотоэффект есть результат единичных актов взаимодействия фотонов с электронами катода, при которых фотон поглощается электроном и его энергия переходит к электрону. Применяя закон сохранения энергии можно записать:

    ,

    где -энергия фотона,

    h=6,б2610-34 Джс – постоянная Планка;

    (Ee=-A) – энергия электрона внутри металла, численно равная работе А;

    – максимальная кинетическая энергия вылетающего электрона, которая определяет величину задерживающего напряжения . Тогда уравнение Эйнштейна для фотоэффекта примет вид:

    .
    Методика эксперимента
    Из уравнения Эйнштейна следует линейная зависимость между величиной U3 и величиной, обратной длине волны света 1/. Если освещать фотокатод монохроматическим светом разных длин волн и измерять в каждом случае величину задерживающего напряжения, тот можно определить работу выхода электрона из данного металла и длину волны красной границы фотоэффекта. Работа выхода может быть определена по значениям задерживающего напряжения для разных длин волн излучения, падающего на фотокатод.



    (3.1)


    Порядок выполнения лабораторной работы


    1. Активировать исполняемый файл работы (2 щелчка левой кнопкой «мыши»),

    2. Выбрать материал фотокатода в соответствии с последней цифрой номера зачетной книжки!

    3. Задать минимальную длину волны света,

    4. Изменяя положение движка потенциометра, найти значение задерживающего напряжения (сила фототока обращается в нуль, движок останавливается) и записать значения длины волны и задерживающего напряжения в таблицу 1 (измерения U3 проводятся 3 раза, для этого достаточно переключиться на другую длину волны, а потом вернуться к прежней),





    1. Изменяя длину волны света повторить п.4 для всех длин волн, пока наблюдается фотоэффект (т.е. U30)

    2. Выбрать второй материал фотокатода и повторить п.п.4,5

    3. Закрыть файл работы.

    Таблица 1 - Результаты измерений и расчётов


    Материал фотокатода 1

    
    U3, В
    3>, В
    Ai, эВ
    , эВ
    
    

    100
    8,22
    8,48
    24,67
    17,27
    7
    250

    8,66

    8,57

    150
    3,88
    3,94
    18,16

    4,02

    3,93

    200
    1,93
    1,95
    14,63

    1,98

    1,94

    250
    0,66
    1,64
    11,62

    0,64

    0,63

    300
    0
    0
    0

    0

    0

    350
    0
    0
    0

    0

    0

    400
    0
    0
    0

    0

    0




    Материал фотокатода 2

    
    U3, В
    3>, В
    Ai, эВ
    , эВ
    
    

    100
    10,19
    10,43
    22,72
    12,55
    4
    400

    11,01

    10,09

    150
    6,02
    5,87
    16,23

    5,41

    6,17

    200
    3,85
    3,69
    12,89

    3,47

    3,75

    250
    2,53
    2,51
    10,75

    2,63

    2,37

    300
    1,75
    1,67
    9,38

    1,65

    1,61

    350
    1,09
    1,15
    8,32

    1,11

    1,24

    400
    0,69
    0,71
    7,58

    0,68

    0,76

    РАСЧЁТЫ К ТАБЛИЦЕ 1

    Пример расчёта среднего значения задерживающего напряжения:

    3> = = = 8,48 эВ

    Расчёт работы выхода проводим по формуле:

    =

    Пример расчёта работы выхода для фотокатода 1 в электронвольтах:

    =

    Пример расчёта работы выхода для фотокатода 2 в электронвольтах:

    =

    Расчёт среднего значения работы выхода для фотокатода 1:

    = 17,27 эВ

    Расчёт среднего значения работы выхода для фотокатода 2:

    <А2> = = 12,55 эВ

    Расчёт длины волны, соответствующей красной границе фотоэффекта по формуле:

    =

    = = 250 * м = 250 нм

    = = 400 * м = 400 нм
    Таблица 2 - Данные для построения графика.


    λ, нм
    ,

    U31, В
    U32, В

    100
    0,01
    24,67
    22,72

    150
    0,006666667
    18,16
    16,22

    200
    0,005
    14,63
    12,89

    250
    0,004
    11,62
    10,75

    300
    0,003333333



    9,38

    350
    0,002857143



    8,32

    400
    0,0025



    7,58


    График зависимости U3 = f ( )



    Характер зависимости - линейная функция
    Расчёт погрешностей:

    Ai, эВ
    Ai - , эВ
    ,

    24,67
    7,4
    54,76

    18,16
    0,89
    0,7921

    14,63
    -2,64
    6,9696

    11,62
    -5,65
    31,9225

    = 17,27



    94,4442




    Ai, эВ
    Ai - , эВ
    ,

    22,72
    10,17
    103,4289

    16,22
    3,67
    13,4689

    12,89
    0,34
    0,1156

    10,75
    -1,8
    3,24

    9,38
    -3,17
    10,0489

    8,32
    -4,23
    17,8929

    7,58
    -4,97
    24,7009

    12,55142857



    = 172,8961

    Рассчитаем случайную погрешность многократных измерений с учётом коэффициента Стьюдента с надёжностью 0,9:

    Для 4 измерений:

    = 2,9

    A = * = 2,9 * = 7 эВ

    Для 7 измерений:

    = 1,9

    A = * = 1,9 * = 4 эВ.

    Окончательная запись результатов с учётом погрешности:

    = (17,27 ± 7,00) эВ

    = (12,55 ± 4,00) эВ

    Литература

    1.Савельев И.В. Курс общей физики. Т.3. Квантовая физика. Атомная физика. и т.д.

    2. Трофимова Т. И. Курс физики.

    Контрольные вопросы

    1. Явление внешнего фотоэффекта.

    Фотоэффектом называется процесс выбивания электронов из поверхности металла под действием света.


    1. Теория Эйнштейна для фотоэффекта.

    Правильная теория внешнего фотоэффекта была разработана А. Эйнштейном в 1905 г. на основе квантовых представлений о природе света. По гипотезе Эйнштейна свет представляет собой поток особых частиц – фотонов и внешний фотоэффект есть результат единичных актов взаимодействия фотонов с электронами катода, при которых фотон поглощается электроном и его энергия переходит к электрону. Применяя закон сохранения энергии можно записать:

    ,

    где – энергия фотона,

    – постоянная Планка;

    – энергия


    1. Закономерности внешнего фотоэффекта.

    При исследовании внешнего фотоэффекта были установлены следующие закономерности:

    - При неизменном спектральном составе света фототок насыщения IН пропорционален световому потоку  (закон Столетова) см. рис.3-3.2.

    - Существует задерживающее напряжение UЗ –отрицательное напряжение между катодом и анодом при котором фототок обращается в нуль (рис.3-3.2).

    - Величина задерживающего напряжения UЗ зависит от частоты света (длины волны) и материала фотокатода и не зависит от интенсивности света (рис.3-3.3).

    - Существует красная граница фотоэффекта, т.е. максимальная длина волны света К (или минимальная частота К ) при которой фотоэффект еще наблюдается. Фотоэффект отсутствует при условии К или  К.

    - Фотоэффект практически безинерционен.


    1. Цель работы.

    Ознакомление с явлением внешнего фотоэффекта, проведение виртуального эксперимента по определению задерживающей разности потенциалов для разных длин волн света и ее зависимости от (1/), вычисление работы выхода электронов и длины волны красной границы фотоэффекта для двух материалов фотокатода.


    1. Работа выхода электрона из металла и ее определение в работе.

    Работа выхода – это минимальная энергия, которую должен иметь квант, чтобы вырвать фотоэлектрон из металла.


    1. Красная граница фотоэффекта.

    Красная граница фотоэффекта – максимальная длина волны света К (или минимальная частота К) при которой фотоэффект еще наблюдается. Фотоэффект отсутствует при условии К или  К.

    написать администратору сайта