Лабораторная 62. ПГСБЗ-21-3_Савина.Т.А_лаб 6.2. Лабораторная работа Фотоэлектрический эффект
 Скачать 393.63 Kb.
|
|
Лабораторная работа «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. Принципиальная схема для исследования фотоэффекта приведена на рисунке 1. 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 потенциометра R 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: 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. Дж.Дж.Томсон в 1898 г. измерил удельный заряд испускаемых под действием света частиц (по отклонению в электрическом и магнитном полях). Эти измерения показали, что под действием света вырываются электроны. На экспериментальной установке, приведенной на рисунке можно исследовать вольт-амперную характеристику фотоэффекта — зависимость фототока /, образуемого потоком электронов, испускаемых катодом под действием света, от напряжения U между электродами. Вольт-амперная характеристика, соответствующая двум различным освещенностям Е , катода (частота света в обоих случаях одинакова), приведена на рис. 2. 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 /1|ас — фототок насыщения — определяется таким значением U, при котором все электроны, испускаемые катодом, достигают анода:  где  — число электронов, испускаемых катодом в 1 с Из вольт-амперной характеристики следует, что при  фототок не исчезает. Следовательно, электроны, выбитые светом из катода, обладают некоторой начальной скоростью  , а значит, и отличной от нуля кинетической энергией и могут достигнуть анода без внешнего поля. Для того чтобы фототок стал равным пулю, необходимо приложить задерживающее напряжение  . При  ни один из электронов, даже обладающий при вылете из катода максимальной скоростью  , не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода. Следовательно, т. е., измерив задерживающее напряжение , можно определить максимальные значения скорости и кинетической энергии фотоэлектронов. При изучении вольт-амперных характеристик разнообразных материалов (важна чистота поверхности, поэтому измерения проводятся в вакууме и на свежих поверхностях) при различных частотах падающего на катод излучения и различных энергетических освещенностях катода и обобщении полученных данных были установлены следующие три закона внешнего фотоэффекта:Законы внешнего фотоэффекта были установлены опытным путем. 1. Число фотоэлектронов, вырываемых из катода за единицу времени, пропорциональна интенсивности света, т.е. фототок насыщения пропорционален энергетической освещенности Е катода (закон Столетова) 2. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов определяется частотой падающего света и не зависит от его интенсивности. 3. Для каждого вещества существует минимальная частота  ниже которой фотоэффект не наблюдается. Эта частота называется красной границей фотоэффекта  .Фотоэлектрическим эффектом или фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием света. 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:  где  скорость фотоэлектронов зависит только от частоты света и работы выхода А.Уравнение Эйнштейна объясняет все законы внешнего фотоэффекта. Внешний фотоэффект возможен лишь при условии, что энергия падающего света превышает работу выхода электрона  . Красная граница фотоэффекта зависит только от величины работы выхода электрона, т. е. от химической природы металла и состояния его поверхности: или Описание экспериментальной установки  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. 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 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. Выполнение работы: Устанавливаем расстояние до источника  и вещество под номером 1, проводим измерение значений задерживающего потенциала в пределах от (-2,5В) до (+3В) через равные промежутки. Значения фототока для выбранных значений задерживающего потенциала записываем в таблицу:Образец №1. 
 Образец №2. 
 По результатам измерений строим графики зависимости фототока от величины задерживающего потенциала. Образец №1.  По результатам измерений строим графики зависимости фототока от величины задерживающего потенциала. Образец №2.  По графику находим величину задерживающего потенциала: Образец №1.  Образец №2.  Вычислим значение работы выхода электронов для каждого из веществ используя найденную величину задерживающего потенциала. Значение наиболее короткой длины волны в спектре источника света считаем равным 320 нм.    Сравниваем вычисленные значения работы выхода с табличными значениями и делаем вывод что работа выхода для образца №2 соответствует литию а для образца №1 цезию |