Лабораторная работа № 5.4
ФОТОЭФФЕКТ
Цель работы: 1) снятие вольт-амперной характеристики (ВАХ) вакуумного фотоэлемента;
2) определение работы выхода электронов и красной границы фотоэффекта.
Схема экспериментальной установки
Ф
Э – вакуумный фотоэлемент: k – катод; а – анод;
Л – источник света; СФ – светофильтр; ИП – источник питания;
П – переключатель; А – микроамперметр; V – вольтметр
Теория метода
Фотоэлемент представляет собой откачанный стеклянный баллон, одна половина которого покрыта тонким слоем светочувствительного вещества k, служащего катодом. В центре баллона располагается анод а, выполненный в виде кольца или шарика. Корпус фотоэлемента снабжен специальным карманом, в который помещается светофильтр СФ. Расходящийся пучок в света от источника (лампы Л, помещенной в специальный кожух с отверстием и закрепленной на штативе) проходит через светофильтр, благодаря которому на катод падает практически монохроматическое излучение длиной волны . Значение определяется цветом выбранного светофильтра. Величину светового потока , падающего на катод, можно регулировать, изменяя расстояние L между источником света и фотоэлементом.
Источник питания ИП предназначен для подачи постоянного напряжения U между катодом и анодом; величина U может быть измерена вольтметром V. При замыкании переключателя П в положение 1 на катод подается отрицательный потенциал, а на анод – положительный. В этом случае выбитые светом электроны (фотоэлектроны) устремляются к аноду, и по цепи течет ток (фототок) I, для измерения которого служит микроамперметр А. Зависимость фототока I от напряжения U называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ) фотоэлемента. Проанализируем вид этой зависимости исходя из теории явления фотоэффекта.
Согласно современным квантовым представлениям, монохроматическую электромагнитную (световую) волну можно рассматривать как поток особых частиц – фотонов, энергия каждого из которых ф зависит от частоты (или от длины волны ) излучения:
 (1)
где h – постоянная Планка; с – скорость света в вакууме.
Внутри металла, из которого изготовлен катод k фотоэлемента, имеется большое количество свободных электронов. При падении света на катод определенная часть фотонов взаимодействует с этими электронами, отдавая им свою энергию. Получив дополнительную энергию ф , электрон может совершить работу выхода Ав и покинуть катод. Величина работы выхода постоянна для данного металла, поэтому фотоэффект (выбивание электрона) возможен только при выполнении условия ф > Aв . С учетом (1) это условие принимает вид
и позволяет найти максимальную длину волны кр , при которой еще возможен фотоэффект:
 (2)
(значение кр называют красной границей фотоэффекта).
Итак, при выполнении сформулированного выше условия электрон может покинуть металл. Разница между энергией фотона и энергией, затраченной на выход, сохраняется в виде кинетической энергии Wk . Максимальной кинетической энергией обладают те электроны, взаимодействие которых с фотонами произошло непосредственно у поверхности металла. Превращение энергии при фотоэффекте описывается известным уравнением Эйнштейна
 (3)
Множество покинувших катод электронов движутся во всевозможных направлениях, и некоторые из них попадают на анод. Поэтому даже при отсутствии напряжения между катодом и анодом (U = 0) в цепи течет малый по величине фототок I 0 (на рис. 1 показан
Рис. 1
примерный вид вольт-амперной характеристики – ВАХ фотоэлемента).
Уменьшить фототок I 0 можно путем подачи обратного напряжения («–» на анод, « + » на катод), что осуществляется замыканием переключателя П в положение 2 (см. схему установки). Фототок будет полностью прекращен, если приложенное таким образом электрическое поле будет тормозить («загонять» обратно в катод) самые быстрые электроны. Соответствующее значение задерживающего (запирающего) напряжения Uз можно найти из условия, что работа сил электрического поля при этом полностью затрачивается на «погашение» максимальной кинетической энергии электронов:
 (4)
С учетом (4) и (1) уравнение (3) принимает вид
откуда можно найти работу выхода электронов из металла Ав по известным значениям длины волны излучения и задерживающего напряжения Uз :
 . (5)
Длина волны излучения , как уже отмечалось, определяется цветом используемого светофильтра СФ. Для измерения задерживающего напряжения Uз необходимо замкнуть переключатель П в положение 2 и увеличивать подаваемое обратное напряжение до тех пор, пока показания микроамперметра А не обратятся в нуль; соответствующее показание вольтметра V и будет представлять собой величину Uз .
Продолжим анализ характера зависимости I(U). Подача напряжения в прямом направлении (« + » на анод, « – » на катод) путем установки переключателя П в положение 1 заставляет фотоэлектроны двигаться к аноду. Увеличение напряжения вовлекает в этот процесс все больше выбитых электронов, вследствие чего ток I возрастает (см. рис. 1). При некотором значении U = Uн все фотоэлектроны попадают на анод, и дальнейшее повышение напряжения не приводит к увеличению фототока (наступает насыщение ВАХ). Величина фототока насыщения Iн прямо пропорциональна общему числу выбитых электронов, а следовательно, количеству падающих на катод фотонов. Количество фотонов, в свою очередь, определяется величиной светового потока . Таким образом, квантовая теория объясняет один из экспериментально открытых А.Г.Столетовым законов фотоэффекта: фототок насыщения прямо пропорционален освещенности катода. Для проверки справедливости этого закона в данной работе предусмотрено снятие ВАХ при двух значениях светового потока и (уменьшение освещенности катода осуществляется путем увеличения расстояния L между источником света и фотоэлементом).
Порядок измерений и обработки результатов
Упражнение 1. СНЯТИЕ ВАХ ФОТОЭЛЕМЕНТА
1. Ознакомьтесь с экспериментальной установкой.
2. Перемещая вдоль оптической скамьи расположенные на ней источник света Л и фотоэлемент ФЭ, установите их на заданном (согласно рекомендациям к работе) расстоянии L друг от друга. Значение L запишите в левую часть табл. 1.
Таблица 1
L = см
|
L = см
|
U, В
|
I, мкА
|
U, В
|
I, мкА
|
0
|
|
0
|
|
…
|
…
|
…
|
…
|
3. Замкните переключатель П в положение 1. Источник питания ИП установите на нуль снимаемого напряжения.
4. Поместите в карман на корпусе фотоэлемента светофильтр СФ в соответствии с рекомедациями.
5. Включите в сеть источник питания ИП, цифровой вольтметр V и осветитель Л.
6. Увеличивая согласно рекомендациям подаваемое на фотоэлемент напряжение, заносите показания вольтметра (U) и микроамперметра (I) в таблицу до тех пор, пока не будет достигнуто насыщение (при дальнейшем повышении напряжения фототок практически не будет изменяться).
7. Измените в соответствии с рекомендациями расстояние L и запишите его значение в правую часть табл. 1. Установите источник питания на нуль.
8. Повторите п. 6.
9. По результатам проделанных измерений постройте на одном графике обе вольт-амперные характеристики. Сделайте соответствующие выводы.
Упражнение 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАБОТЫ ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНОВ
1. Установите источник питания на нуль снимаемого напряжения. Замкните переключатель в положение 2. Поставьте первый из перечисленных в табл. 2 светофильтров.
2. Увеличивайте подаваемое на фотоэлемент напряжение до тех пор, пока показания микроамперметра не обратятся в нуль. Занесите в таблицу значение задерживающего напряжения Uз . Уменьшите показания вольтметра до нуля.
Таблица 2
Номер опыта
|
Светофильтр
|
,
мкм
|
Uз ,
В
|
Ав ,
эВ
|
Ав ,
эВ
|
(Ав )2,
эВ2
|
1
|
Синий 1
|
0,43
|
|
|
|
|
2
|
Синий 2
|
0,46
|
|
|
|
|
3
|
Зеленый
|
0,50
|
|
|
|
|
4
|
Желтый
|
0,51
|
|
|
|
|
5
|
Оранжевый
|
0,52
|
|
|
|
|
6
|
Красный
|
0,57
|
|
|
|
|
3. Меняя светофильтры в порядке их перечисления в таблице, повторяйте п. 2.
4. Используя справочные материалы и выражая длину волны в метрах, по формуле (5) рассчитайте для каждого опыта работу выхода электрона Ав. Переведите полученное значение из джоулей в электрон-вольты и занесите его в соответствующий столбец табл. 2.
5*. Вычислите сумму значений Ав и среднее  . Выполните все расчеты, необходимые для оценки случайной погрешности измерений работы выхода s Ав. Найдите величину s Ав, задаваясь доверительной вероятностью = 0,95.
6*. Пренебрегая приборными ошибками, запишите окончательный результат определения работы выхода.
7. Используя среднее значение  , по формуле (2) найдите длину волны красной границы фотоэффекта кр.
Контрольные вопросы
Виды фотоэффекта. Внешний фотоэффект и его основные законы. Условие наблюдения фотоэффекта (красная граница).
Квантовая теория фотоэффекта. Фотоны. Уравнение Эйнштейна и его физический смысл. Работа выхода.
Вольт-амперные характеристики фотоэлемента и их объяснение с позиций квантовой теории.
Литература:
[5] - §8, 9, 46; [9] - §2.2-2.4; [12] – 202-204.
6. ФИЗИКА АТОМА, ТВЕРДОГО ТЕЛА И АТОМНОГО ЯДРА
|
Скачать 1.84 Mb.