Внешний фотоэффект. Лабораторная работа по физике «Проверка первого закона Столетова. Лабораторная работа Проверка первого закона Столетова для фотоэффекта
 Скачать 386.77 Kb.
|
|
Лабораторная работа «Проверка первого закона Столетова для фотоэффекта» Цель работы: Выяснить зависимость фототока насыщения от интенсивности падающего излучения. Оборудование: вакуумный фотоэлемент, микроамперметр с пределом измерений 200 мкА, вольтметр постоянного напряжения с пределом измерения до 200В, источник регулируемого постоянного напряжения до 200В, соединительные провода, источник света. Теория Внешний фотоэффект — явление вылета электронов из вещества под действием внешнего электромагнитного излучения. Для изучения данного явления будем использовать вакуумный фотоэлемент. В  акуумный фотоэлемент представляет собой стеклянную колбу, внутри которой создан вакуум. В колбе находятся два электрода: один в виде металлического диска (примерно по центру колбы и является анодом), другой представляет собой напыление металла с низкой работой выхода на стенке колбы (является катодом). При освещении катода светом, вырванные из него электроны устремляются к аноду. Характер их движения зависит от свойств электрического поля между катодом и анодом.Первый закон Столетова гласит: Сила фототока насыщения пропорциональна интенсивности падающего на катод излучения.  Собираем установку по нижеприведенной схеме. В качестве источника регулируемого напряжения лучше взять лабораторный блок питания с регулировкой от 0В до 250В, в качестве измерителя тока — микроамперметр на 200 мкА, измерителя напряжения — вольтметр постоянного напряжения с соответствующим пределом измерения (самый простой вариант — мультиметр).  Изменяя напряжение между анодом и катодом фотоэлемента, фиксируем значения тока через фотоэлемент. Используя эти данные можно построить вольт-амперную характеристику вакуумного фотоэлемента (ВАХ), т.е. зависимость силы тока от приложенного напряжения. Можно построить ВАХ при разных значениях освещенности фотоэлемента.  Почему вид кривой именно такой? Электроны вылетают из катода с разными скоростями и в разных направлениях. Если напряжение U отрицательно и велико по модулю, то фототок отсутствует. Это понятно: электрическое поле, действующее на электроны со стороны катода и анода, является тормозящим (на катоде «плюс», на аноде «минус») и обладает столь большой величиной, что электроны не в состоянии долететь до анода. Начальной кинетической энергии не хватает — электроны теряют свою скорость, не долетая до анода и разворачиваются обратно на катод. Максимальная кинетическая энергия вылетевших электронов оказывается меньше, чем модуль работы электрического поля при перемещении электрона с катода на анод: mv2/2 Будем постепенно увеличивать напряжение, двигаясь слева направо вдоль оси U. Сначала тока нет, но точка разворота электронов становится всё ближе к аноду. Затем, при достижении напряжения Uз, которое называется задерживающим (запирающим) напряжением или задерживающим потенциалом, электроны разворачиваются назад в момент достижения анода (т.е электроны прибывают на анод с нулевой скоростью). Имеем: mv2/2=eUз Таким образом, величина задерживающего напряжения позволяет определить максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов. При небольшом превышении задерживающего напряжения появляется слабый фототок. Его формируют электроны, вылетевшие с максимальной кинетической энергией почти точно вдоль оси колбы фотоэлемента (т. е. почти перпендикулярно катоду): теперь электронам хватает этой энергии, чтобы добраться до анода с ненулевой скоростью и замкнуть цепь. Остальные электроны, которые имеют меньшие скорости или полетели в сторону от анода, на анод не попадают. При повышении напряжения фототок увеличивается. Анода достигает большее количество электронов, вылетающих из катода под всё большими углами к оси колбы. Важно, что фототок присутствует при нулевом напряжении! Когда напряжение меняет полярность и становится положительным, фототок продолжает возрастать. Электрическое поле теперь разгоняет электроны, поэтому всё большее их число достигают анода. Однако достигают анода пока ещё не все фотоэлектроны. Например, электрон, вылетевший с максимальной скоростью перпендикулярно оси колбы (т. е. вдоль катода), хоть и развернётся полем в нужном направлении, но не настолько сильно, чтобы попасть на анод. Наконец, при достаточно больших положительных значениях напряжения ток достигает своей предельной величины Iн, называемой током насыщения, и дальше возрастать перестаёт. Почему? Дело в том, что напряжение, ускоряющее электроны, становится настолько велико, что анод захватывает вообще все электроны, выбитые из катода — в каком бы направлении и с какими бы скоростями они не начинали движение. Стало быть, дальнейших возможностей увеличиваться у фототока попросту нет — все электроны, выбитые из катода, достигли анода. Чтобы увеличить фототок насыщения, необходимо из катода выбить большее количество электронов, а это можно сделать увеличив интенсивность светового потока, падающего на фотоэлемент. Ход работы 1. Соберите экспериментальную установку, согласно приведенным фото и схеме. Обратите внимание на полярность подключения фотоэлемента, микроамперметра и вольтметра к источнику питания. Установите ручку регулятора напряжения в положение 0В. 2. Разместите источник излучения на расстоянии 10-15 см от фотоэлемента и включите его, осветив фотоэлемент. 3. Изменяя напряжение на фотоэлементе, фиксируйте значения напряжения и силы тока через каждые 10-15В приложенного напряжения. Измерения проводите до тех пор, пока ток не перестанет меняться. Проведите еще два измерения при напряжениях, больших напряжения тока насыщения на 10-20В. Данные занесите в таблицу. 4. По данным таблицы постройте вольт-амперную характеристику. Укажите значение тока насыщения. 5. Отодвиньте осветитель на расстояние в 2 раза большее и повторите опыт. Интенсивность излучения, падающего на фотокатод, уменьшится в 4 раза, т.к. интенсивность обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника до фотоэлемента. 6. Сделайте вывод об изменении тока насыщения и сравните полученные графики с теоретическими. Техника безопасности: Сборка цепи проводится только при отключенном источнике питания, т.к. в схеме используется источник высокого напряжения. Включение производится только в присутствие учителя. Запрещается касаться клемм и зажимов приборов при включенном источнике питания. Запрещается включать источник питания при снятом защитном кожухе фотоэлемента. digitallab68.ru Соколов А.Е. |