атомная физика на английском. Методическое пособие по лабораторному практикуму Атомная физика часть 1 для студентов 3 5 курсов физического факультета
 Скачать 0.88 Mb.
|
|
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № -3 ЗАКОНЫ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА СОДЕРЖАНИЕ. 1. КРАТКАЯ ТЕОРИЯ 2. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ УСТАНОВКИ 3. ПРАВИЛА БЕЗОПАСНОСТИ 4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 6. ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ 7. ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ ЦЕЛЬ РАБОТЫ Экспериментальное подтверждение законов Столетова, Эйнштейна. Изучение вольт – амперной характеристики фотоэлемента на примере электронных приборов Ф – 8 и Ф – 25. Определение значения постоянной Планка через значение запирающего напряжения. 1. КРАТКАЯ ТЕОРИЯ Фотоэлектронная эмиссия (ФЭЭ), или внешний фотоэффект - эмиссия электронов из вещества под действием падающего на него электромагнитного излучения. Опытным путем были установлены следующие законы внешнего фотоэффекта: Закон Столетова – при неизменном спектральном составе излучения (=const) ток фотоэмиссии (т.е. количество эмиттируемых в единицу времени электронов) пропорционален интенсивности падающего излучения S (рис. 1, 2) . Р  исунок 1. Зависимость силы фототока I от разности потенциалов U при S=const и =const. Представлено семейство ВАХ при различных значениях интенсивности излучения одного и того же спектрального состава (иллюстрация закона Столетова); работы выхода катода и анода совпадают а=к. Максимальная кинетическая энергия эмиттируемых электронов не зависит от интенсивности излучения при неизменном спектральном составе излучения и линейно зависит от его частоты.  Рисунок 2. Зависимость силы тока насыщения Iнас от плотности светового потока S. Д  ля каждого вещества, из которого изготовлен фотоэмиттер, существует минимальная граничная частота (или максимальная длина волны) падающего излучения, за которой фотоэффект отсутствует. Это так называемая красная, или длинноволновая граница фотоэффекта. Рисунок 3. Зависимость тормозящей разности потенциалов |U0| от частоты . Р  исунок 4. Зависимость силы фототока I от частоты при S=const и U=const. Обобщая законы внешнего фотоэффекта, А.Эйнштейн сформулировал закон сохранения энергии для единичного акта фотоэмиссии – передачи энергии фотона h электрону, который эмиттируется в вакуум (уравнение Эйнштейна):  (1) здесь - частота, - длина волны излучения; h - постоянная Планка, - фотоэлектронная работа выхода электронов из фотоэмиттера; max - максимальная скорость эмиттируемых электронов. Формулу (1) удобно применять во внесистемных единицах (электронвольтах и микронах): (  2)(  3)где: h и измеряются в электронвольтах, - мкм, скорость - м/с. И  з выражения (1) видно, что при предельном условии  (4) где: кр - длинноволновая граница фотоэффекта; - работа выхода фотокатода. В металлических фотоэмиттерах (рис. 5) при передаче электрону фотоном минимальной граничной энергии hc/кр высота преодолеваемого потенциального барьера равна расстоянию по шкале энергии от уровня Ферми до уровня вакуума.  Рисунок 5. Фотоэмиссия электронов из металла. n(E) плотность распределения количества электронов по энергиям. Схема прибора для изучения фотоэлектронной эмиссии приведена на рис. 6. Малый размер фотоэмиттера и сферически симметричная конструкция коллектора заставляет любой выбитый электрон двигаться вдоль силовых линий электрического поля. Такая конструкция электродов позволяет определить энергию эмиттируемых электронов методом тормозящего электрического поля. Увеличивая тормозящее поле (изменением напряжения внешнего источника), фотоэмиссионный ток в цепи можно уменьшить, а при некотором значении напряжения внешнего источника U0 (запирающем напряжении) уменьшить фототок до нуля. Определив опытным путем запирающее напряжение, можно вычислить максимальную кинетическую энергию фотоэлектрона, входящую в формулу (1). Р  исунок 6. Схема прибора для изучения внешнего фотоэффекта. Напряжение внешнего источника U (алгебраическая величина) считается положительным, когда внешний источник напряжения подключен положительным полюсом к аноду. При этом нужно учитывать, что в промежутке анод – катод электрическое поле складывается из электрического поля от внешнего источника (рис. 6) и поля контактной разности потенциалов анода и катода (КРП). И даже при ускоряющем внешнем напряжении результирующее электрическое поле внутри вакуумного промежутка может быть как ускоряющим электроны к коллектору, так и тормозящим их. Для того, чтобы электрон мог достичь коллектора, энергии поглощенного фотона должно хватить и на выход электрона из эмиттера, и на преодоление тормозящей разности потенциалов между эмиттером и коллектором (а-к-eU), то есть энергия фотона должна быть больше, чем (а-eU). При запирающем напряжении максимальная кинетическая энергия эмиттированного электрона переходит в потенциальную энергию покоящегося электрона, «чуть – чуть» не долетевшего до коллектора. С  вязь между длиной волны, работой выхода анода и запирающим напряжением U0 получается из уравнения (1). С учетом работ выхода анода и катода а и к получаем(5)  Из (5) следует, что (6) В последней формуле (6) величину а-eU0 следует брать в эВ. О работе выхода катода к можно лишь сказать, что к Н  а рисунках 1, 7 и 8 представлены семейства вольтамперных характеристик (ВАХ) вакуумного фотоэлемента – зависимость величины фототока от приложенного внешнего напряжения U, снятые при различных условиях эксперимента. Рисунок 7. Семейство ВАХ при различных значениях работы выхода фотоэмиттера (к1< к2< к3,) для излучения постоянной интенсивности и постоянного спектрального состава; к=а.  Рисунок 8. Семейство ВАХ при различных значениях контактной разности потенциалов (к> а1, к= а2, к< а3,); работа выхода катода к, а также интенсивность и длина волны излучения постоянны. Ниже на рисунке 9 и 10 представлены энергетические диаграммы для электрона в системе катод – анод для двух различных случаев. Известно, что непосредственный электрический контакт анода и катода приводит к тому, что их уровни Ферми выравниваются. При этом катод и анод получают различные потенциалы, а в вакуумном промежутке действует поле контактной разности потенциалов. Если же катод и анод соединены через внешний источник напряжения U и имеют возможность обмениваться электронами, то уровни Ферми катода и анода уже не совпадают. Уровень Ферми электрода, к которому подключен положительный полюс источника внешнего напряжения, расположен ниже по шкале энергии, чем уровень Ферми электрода, подключенного к отрицательному полюсу источника. При этом расстояние между уровнями Ферми равно |eU|, где U – напряжение внешнего источника.  Рисунок 9.  Рисунок 10. Суммарное поле КРП и приложенного внешнего ускоряющего напряжения является ускоряющим, т.е. eU>а-к. Между анодом и катодом приложено ускоряющее напряжение U. Однако суммарное напряжение является тормозящим, т.е. eU<а-к. Л  инейная зависимость |U0()| легко позволяет вычислить постоянную Планка h и работу выхода фотоэлектронов . Необходимые формулы легко получить следующим образом:(7) (  8)(  9)(  10) (11)  (12) Выше во всех примерах рассматривался единичный акт взаимодействия кванта излучения с электроном в фотоэмиттере. На самом деле в реальных приборах на фотоэмиттер падает поток электронов и, в свою очередь, фотоэмиттер испускает поток электронов. При этом только небольшая часть фотонов передает свою энергию электронам так, чтобы электроны могли выйти из фотоэмиттера. Остальные фотоны поглощаются в фотокатоде без эмиссии электронов в вакуум или отражаются от поверхности фотокатода. Поэтому важной практической характеристикой вакуумного фотоэлемента является квантовый выход фотоэмиттера q, т.е. отношение числа вылетевших из эмиттера электронов к числу падающих за тоже время квантов. Для монохроматического излучения с длиной волны квантовый выход определяется простым соотношением:  (13) здесь I - сила тока фотоэмиссии, Pизл - мощность монохроматического излучения. Во внесистемных единицах :  (14) Величина q(мА/Вт) называется спектральной чувствительностью фотокатода. Для одного и того же фотокатода чувствительность может принимать различные значения в зависимости от спектрального состава излучения. 2. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ УСТАНОВКИ Установка состоит из объекта исследования и устройства измерительного, выполненных в виде законченных изделий, устанавливаемых на лабораторном столе и соединяемых между собой кабелем. Объект исследования конструктивно выполнен в виде сборного корпуса, в котором установлены осветитель (спектральная ртутная лампа) с источником питания, блок интерференционных светофильтров (4 шт.) и устройство регулировки освещенности. Положение “0” блока светофильтров соответствует прохождению света без светофильтров и может применяться для снятия интегральных вольтамперных и люксамперных характеристик, а положение “5” – перекрывает лампу и используется для установки нуля. К корпусу с помощью кронштейна прикреплен усилитель фототока, на верхнюю крышку которого устанавливаются сменные фотоприемники с фотоэлементами Ф – 8 и Ф – 25. При установке фотоприемников их приемное окно совмещается с выходным окном осветителя и закрывается при помощи бленды. На передней панели объекта исследования находится сетевой выключатель с индикатором включения сети. На задней панели объекта исследования расположены клемма заземления, держатели предохранителей и сетевой шнур с вилкой. На боковой стенке расположено выходное окно осветителя и устройства для смены интерференционных светофильтров и регулировки освещенности. На боковых поверхностях усилителя фототока расположены соединительный шнур с разъемом для подключения объекта исследования к устройству измерительному и регуляторы баланса усилителя ГРУБО и ТОЧНО. Объект исследования с помощью сетевого шнура подключается к сети 220 В, 50 Гц. Устройство измерительное выполнено в виде конструктивно законченного изделия. В нем применена однокристальная микро – ЭВМ с соответствующими дополнительными устройствами, позволяющими производить измерение тока фотоэлемента, установленного в объекте исследования, устанавливать и измерять питающие напряжения на фотоэлементе, а также осуществлять функции управления установкой (установка режимов прямого или обратного измерения и т.п.). В состав устройства измерительного входят также источники его питания. На передней панели устройства измерительного размещены следующие органы управления и индикации: - кнопка ПРЯМАЯ – ОБРАТНАЯ с соответствующими индикаторами – предназначена для включения прямого или обратного режимов измерения; - кнопки “+”, “-” и СБРОС – предназначены для регулировки напряжения на фотоэлементе и его сброса в ноль; - индикаторы В и мкА – предназначены для индикации значений величин напряжения на фотоэлементе и фототока в процессе работы. На задней панели устройства измерительного расположены выключатель СЕТЬ, клемма заземления, держатели предохранителей (закрыты предохранительной скобой), сетевой шнур с вилкой и разъем для подключения объекта исследования. Устройство измерительное с помощью сетевого шнура подключается к сети 220 В, 50 Гц. Принцип действия установки основан на измерении тока через фотоэлемент при изменении полярности и величины приложенного к нему напряжения и изменения спектрального состава и величины освещенности катода фотоэлемента. В процессе выполнения лабораторных работ снимаются зависимости тока через фотоэлемент от приложенного к нему напряжения. При этом меняется полярность напряжения (т.е. раздельно снимаются прямая и обратная ветви вольт - амперной характеристики фотоэлемента). Характеристики снимаются при различных значениях освещенности и при изменении длины волны освещения фотоэлемента. По результатам измерений строятся семейства вольт – амперных характеристик и, используя соответствующие методы расчета, численно оценивается значение постоянной Планка. 3. ПРАВИЛА БЕЗОПАСНОСТИ К работе с установкой допускаются лица, ознакомленные с ее устройством, принципом действия и знающие правила техники безопасности при работе с напряжением до 1000 В. Перед началом работ с установкой необходимо убедиться, что она заземлена. В установке имеется опасное для жизни напряжение, поэтому при эксплуатации установки необходимо строго соблюдать соответствующие меры безопасности: перед включением в сеть убедиться в исправности сетевых соединительных шнуров; замену любого элемента производите только при отключенном от сети соединительном шнуре; при наладке и измерениях пользуйтесь надежно изолированным инструментом и пробниками. Категорически запрещается проводить измерения в течение более чем 45 минут. Съем отрицательной части ВАХ проводить от 0В, а не наоборот. Запрещается подавать на фотоэлемент напряжение, превышающее запирающее. 4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ Получите допуск на выполнение данной лабораторной работы у преподавателя, ответив на его вопросы и выполнив предложенные задания. Установите фильтры в положение “5”. Включите установку и дайте установке прогреться в течение 15 минут. Если после прогрева на индикаторе тока измерительного блока установилось значение превышающее 0,02В, произведите установку нуля поворотом регуляторов баланса усилителя ГРУБО и ТОЧНО. Отрицательную ветвь ВАХ снимайте через 0,1В, положительную - снимайте через 1В. Максимальной и минимальная освещенность устанавливается с помощью поворота поляризационного светофильтра в крайние положения. Снимите интегральную вольт – амперную характеристику (ВАХ) предложенного преподавателем фотоэлемента, для этого установите фильтры в положение “0”. Установите фильтры в положение “1” (407нм), снимите ВАХ фотоэлемента при максимальной освещенности и при минимальной освещенности. Установите фильтры в положение “2” (435нм), снимите ВАХ фотоэлемента при максимальной освещенности и при минимальной освещенности. Установите фильтры в положение “3” (546нм), снимите ВАХ фотоэлемента при максимальной освещенности и при минимальной освещенности. Установите фильтры в положение “4” (578нм), снимите ВАХ фотоэлемента при максимальной освещенности и при минимальной освещенности. Постройте семейство кривых I(U). Постройте график зависимости |U0()|. Вычислите значения постоянной Планка h и работы выхода по формулам (11) и (12). 5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ Что такое фотон? Формула энергии фотона. Формула импульса фотона. Формула энергии фотона через импульс. Как связаны между собой: длина волны, частота, период, энергия, импульс и масса фотона в вакууме? Что такое красная граница фотоэффекта? Формула Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. В чем заключается смысл формулы Эйнштейна для внешнего фотоэффекта? Сформулируйте и поясните законы внешнего фотоэффекта. Что такое работа выхода и что она характеризует? Объясните, что такое запирающее напряжение? Объясните, почему скорость фотоэлектронов не зависит от потока электромагнитного излучения? Объясните безъинерционность фотоэффекта. Начертите электрическую схему эксперимента и поясните суть метода, которым можно опытным путем определить величину (работа выхода) и постоянную h Планка. Во что преобразуется при внешнем фотоэффекте энергия падающего на материал излучения? Для каких веществ термоэлектронная работа выхода совпадает с фотоэлектронной работой выхода? Как влияет контактная разность потенциалов между анодом и катодом на ВАХ вакуумного фотоэлемента? Какое принципиальное преимущество имеет сферически симметричная конструкция электродов вакуумного фотоэлемента (с фотоэмиттером малого радиуса) перед другими конфигурациями электродов? 6. ВОПРОСЫ ДЛЯ ЗАЩИТЫ Может ли в вакууме свободный электрон поглотить фотон? Когда начинает разряжаться электроскоп? Что является причиной разрядки электрометра? По какому признаку можно сделать вывод о вылете электронов с цинковой пластинки? Будет ли наблюдаться разрядка электроскопа (явление фотоэффекта), если электроскоп зарядить положительно? Изменится ли время разрядки электрометра, если пластинку расположить под углом к потоку электромагнитного излучения? Изменится ли время разрядки электроскопа, если изменить растояние между источником электромагнитного излучения и электрометром? Назовите основные причины утечки заряда в эксперименте с электроскопом? Что понимается под квантовым выходом фотоэффекта? Зависит ли величина эмиссии электронов от мощности падающего на фотокатод потока электромагнитного излучения? Приведите примеры материалов, которые используются при изготовлении фотокатода? Начертите схему вакуумного фотоэлемента. Можно ли не прикасаясь к электроскопу зарядить его положительно? Как изменится величина работы выхода фотоэлектронов металла, если его зарядить положительно? Отрицательно? Изменяется ли с течением времени величина работы выхода фотоэлектронов в процессе облучения металла? Каково распределение фотоэлектронов по скоростям для одного и того же материала? Зависит ли распределение скорости фотоэлектронов от температуры материала? 7. ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ Определить максимальную скорость фотоэлектронов вблизи поверхности эмиттера при облучении цезиевого фотоэмиттера с работой выхода 1,81 эВ монохроматическим светом с длиной волны 0,39 мкм. Определить квантовый выход фотокатода, если его чувствительность на длине волны 0,63 мкм составляет 75·10-6 А/Вт. Найти длинноволновую границу фотоэффекта для фотокатода (к=1,1 эВ). На сколько сместится красная граница фотоэффекта при наличии электрического поля напряженностью E=5·103В/см? В диоде с цезиевым фотокатодом (к=1,81 эВ), облучаемым светом с длиной волны 0,53 мкм, и вольфрамовым коллектором (а=4,5 эВ) найти запирающее внешнее напряжение U0 , при котором ток фотоэмиссии равен нулю. Цезиевый эмиттер фотоэлемента (к=1,81 эВ) соединен с его вольфрамовым коллектором (а=4,5 эВ) через батарею с ЭДС 1,2В, подключенную положительным полюсом к коллектору. Определить минимальную длину волны падающего излучения , при которой еще отсутствует ток во внешней цепи фотоэлемента. При освещении вакуумного фотоэлемента монохроматическим светом с длиной волны 0,23мкм запирающее напряжение U01 оказалось равным –2,2В, а при длине волны 0,27мкм – U02 =-1,4В. Как определить численное значение постоянной Планка? Чему равна работа выхода анода? Какова должна быть работа выхода фотоэмиттера? Вычислить энергию фотонов: желтого света с длиной волны =5893 Å, синего света с длиной волны =4210 Å, ультрафиолетового излучения с длиной волны =2557 Å. Определить максимальную скорость электронов, выбиваемых каждым из указанных выше фотонов с поверхности цезиевого фотокатода, имеющего работу выхода к=1,81эВ. Температура фотокатода T0K. Вычислить длину волны монохроматического света, падающего на фотоэмиттер (к=1,0эВ), если максимальная скорость электронов, выбиваемых с поверхности эмиттера, max=500км/с? Определить максимальную скорость фотоэлектронов вблизи поверхности эмиттера при облучении монохроматическим светом длиной 0,59мкм эмиттера с работой выхода электронов 1,6эВ. Вычислить максимальную скорость электронов, выбиваемых с поверхности фотоэмиттера под действием монохроматического пучка света гелий – кадмиевого ОКГ с длиной волны =0,44 мкм. Работа выхода сурьмяно – цезиевого фотоэмиттера равна 1,6эВ. Вычислить работу выхода электронов из фотокатода по величине длины волны кр=1200Å, соответствующей длинноволновой границе фотоэффекта. Найти длинноволновую границу фотоэффекта для цезиевого фотокатода (к=1,81эВ). На сколько сместится красная граница фотоэффекта при наличии электрического поля напряженностью E=2,5·103В/см? Монохроматическое излучение гелий – неонового лазера с длиной волны =6328 Å освещает материалы, данные в таблице 1. Из какого материала электроны будут выбиваться с максимальной скоростью? Чему равна эта скорость? Какую работу выхода электронов должен иметь материал фотокатода, предназначенного для работы в видимой части спектра электромагнитных волн (0,35 – 0,7). Приведите примеры таких материалов. На фотоэлемент падает поток монохроматического излучения мощностью 100мВт с длиной волны 550нм. Чему равен квантовый выход фотокатода на данной длине волны, если фототок равен 35мкА? Определите квантовый выход фотокатода, если его чувствительность на длине волны 0,69мкм составляет 1·10-6А/Вт. Определите квантовый выход фотокатода, если его чувствительность на длине волны 0,63мкм составляет 2·10-6А/Вт. На фотоэлемент падает световой поток с длиной волны 550нм и мощностью 120мВт. Чему равен квантовый выход фотокатода на данной длине волны, если фототок равен 150мкА? Изолированный фотокатод, изготовленный из цезия (к=1,81эВ), облучается светом с длиной волны 0,38мкм. До какого потенциала зарядится фотокатод? При освещении вакуумного фотоэлемента монохроматическим светом с длиной волны 0,44мкм запирающее напряжение U01 оказалось равным 1,555В, а при длине волны 0,66мкм – U02=2,503В. Как определить численное значение постоянной Планка? Чему равна работа выхода анода? Кавова должна быть работа выхода фотоэмиттера? Эмиссия из фотокатода, освещаемого светом с длиной волны 4339 Å, запирается напряжением –0,56В. Для длины волны 3125 Å запирающее напряжение равно -1,680В. Найти работу выхода фотокатода и численное значение постоянной Планка. Чему равна работа выхода анода? Какова должна быть работа выхода фотоэмиттера? Между цезиевым эмиттером фотоэлемента (к=1,81эВ) и его вольфрамовым коллектором (а=4,5эВ) включена батарея с ЭДС 3В, подключенная положительным полюсом к коллектору. Какова минимальная длина волны света, при которой еще отсутствует ток во внешней цепи фотоэлемента? Нарисовать энергетическую диаграмму фотоэлемента. Найдите коэффициент вторичной эмиссии материалов динодов десятикаскадного ФЭУ, если при попадании на фотокатод светового потока мощностью 10-6Вт, с длиной волны света =0,4мкм выходной ток в ФЭУ составляет 100мкА. Квантовый выход фотокатода при данной длине волны равен 0,8 электронов/фотон. ТАБЛИЦА 1
|