Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана
 Скачать 462.72 Kb.
|
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана А.В. Семиколенов, И.Н.Фетисов ФотоэффектиопределениепостояннойПланка (наустановкесинтерференционнымифильтрами) Методическиеуказанияквыполнению лабораторнойработыК-68 покурсуобщейфизики Москва МГТУ им. Н.Э. Баумана 2014 2 ВВЕДЕНИЕ Генрих Герц, изучая искровой разряд между двумя металлическими шарами, обнаружил, что разряд происходит при меньшем напряжении, если отрицательно заряженный шар осве- щать ультрафиолетовым (УФ) излучением. Из этого наблюдения Г. Герц в 1887 г. сделал пра- вильный вывод: металл при освещении испускает электроны. Это явление называют внешним фотоэффектом (фотоэффектом, фотоэлектроннойэмиссией). Фотоэффектом в широком смысле называют различные процессы с поглощением фотона квантовой системой. Кроме внешнего фотоэффекта существует внутреннийфотоэффект в полупроводниках. Например, в случае беспримесного полупроводника энергия поглощенного фотона затрачива- ется на образование пары электрон – дырка, в результате чего возрастают концентрация носи- телей тока и электропроводность полупроводника. К фотоэффекту относят также процесс ионизации атома при поглощении фотона (фото- ионизация). Например, атом водорода могут ионизовать фотоны УФ-излучения с энергией больше 13,6 эВ. Фотоны очень большой энергии (рентгеновского и гамма-излучения) выры- вают электроны из внутренних оболочек тяжелых атомов. Это основной процесс поглощения рентгеновских лучей в свинце. Фотоэффект сыграл огромную роль в становлении квантовой физикии нашел широкое практическое применение. Цельработы– ознакомиться с законами фотоэффекта и квантовой природой света; ис- следовать зависимость энергии фотоэлектронов от частоты света, получить численное значе- ние постоянной Планка. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯЧАСТЬ 1. Законыфотоэффекта Фотоэффект изучали Столетов, Ленард и др. Для этого они использовали фотоэлемент и простую электрическую схему (рис. 1). Фотоэлемент содержит два металлических электрода внутри стеклянного баллона, из которого откачан воздух. Фотокатод (ФК) при освещении испускает электроны, анод (А) служит коллектором испущен- ных электронов. Между электродами создают электрическое поле, подключив к ним источник напряжения. Напряжение измеряют вольтметром V, а протекающий по цепи фототок I – мик- мкА V ФК I А Рис. 1. Принципиальная электрическая схема для исследования вольт-амперной характеристики (ВАХ) фотоэлемента 3 роамперметром мкА. Информацию о фотоэффекте получают из вольт-ампернойхарактери- стики (ВАХ) фотоэлемента – зависимости тока I от напряжения U между электродами (рис. 2). Правая часть графика на рис. 2 (при U >0) получена при положительной (прямой)поляр- ности напряжения на аноде. При этом в электрическом поле на электроны действует сила, на- правленная в сторону анода. Если напряжение достаточно велико (десятки вольт), то практи- чески все электроны попадают на анод; при этом ток достигает максимальной величины I o , называемой токомнасыщения. При малых напряжениях ток меньше тока насыщения, так как часть электронов возвращается на катод в результате отталкивающего действия отрицательно- го заряда облака электронов в пространстве между электродами. Ток насыщения I o , А, и количество испущенных за 1 секунду электронов n, с -1 ,связаны соотношением: I o = e n, (1) где e = 1,6 10 – 19 Кл – модуль заряда электрона. Энергию света характеризуют следующими величинами: W – энергия излучения, Дж; Ф = dW/dt – поток излучения (мощность), Вт,где dW – энергия излучения за время dt; S = dW/(dt dA) – плотность потока, Вт/м 2 , где dA – площадь площадки, перпендикулярной направлению распространения света, через которую проходит энергия dW за время dt. Поток и плотность потока называют интенсивностьюизлучения. Измеряя ток насыщения при различном потоке, но неизменном спектральном составе из- лучения (рис. 3), был установлен первыйзаконфотоэффекта, который формулируется сле- дующим образом: Количествоиспускаемыхзаединицувремениэлектроновпропорциональнопотокуизлуче- ния, падающегонафотокатод. Очень важные закономерности были получены из левой части графиков, изображенных на рис. 2 и 3, при отрицательной (обратной) полярности анода. В этом случае на электроны действует сила в направлении фотокатода, которая замедляет электроны и может возвратить их обратно на катод. Поскольку начальные скорости электронов различны по величине и на- правлению, то с ростом напряжения ток постепенно уменьшается. При некотором напряже- I U U ЗАП 0 I 0 Рис. 2. ВАХ фотоэлемента I U U ЗАП 0 Ф 1 Рис. 3. ВАХ для различной интенсивности света (Φ 2 > Φ 1 ) Ф 2 > Ф 1 4 нии, называемом напряжениемзапирания U зап , ток обращается в нуль (см. рис. 2 и 3). В этом случае наиболее быстрые электроны останавливаются перед самым анодом, пройдя разность потенциалов U зап , и возвращаются обратно. Следовательно, максимальная кинетическая энер- гия испущенных электронов T max равна модулю работы сил поля: T max = 2 max 2 mu = e U зап (2) Такой метод измерения энергии заряженных микрочастиц называется методомзапираю- щего (задерживающего) напряжения. Опыты показали, что при одинаковой частоте запирающее напряжение не зависит от ин- тенсивности излучения (см. рис. 3), но зависит от значения самой частоты (рис. 4). Зависимость максимальной энергии T max от частоты ν показана на рис. 5 для двух различных материалов фотокатода (1 и 2), отличающихся работой выхода A электрона из металла (зачер- ненные кружки – меньшая работа выхода). Особого внимания требует линейность зависимо- сти T max (ν). Из этого следует второйзаконфотоэффекта: Максимальнаякинетическаяэнергияэлектроновлинейновозрастаетсчастотойсветаи независитотегоинтенсивности. Кроме того, на основании зависимости T max (ν) (см. рис. 5) установлен также третийза- конфотоэффекта, который гласит: Длякаждогоматериалафотокатодасуществуетминимальнаячастотаν o илимакси- мальнаядлинаволныλ o = c / ν o ( такназываемаякраснаяграницафотоэффекта), закоторой фотоэлектроннаяэмиссияотсутствует. Для фотокатодов из чистых металлов наибольшее значение λ o =690нм имеет цезий. Таким образом, для него фотоэлектронная эмиссия происходит на волнах короче 690нм, т.е. I U 0 U ЗАП,1 Рис. 4. ВАХ для различной частоты света (ν 2 >ν 1 ) U ЗАП,2 ν 1 ν 2 ν 2 >ν 1 Т М А К С = eU З А П Рис. 5. Зависимость максимальной кинетической энергии фотоэлектронов от частоты для двух различных материалов, различающихся работой выхода (светлые кружки - работа выхода больше) ν 5 почти во всей видимой области спектра (400…760 нм), а также в ультрафиолетовой области (т.е. короче 400 нм), в то время как для большинства металлов красная граница лежит в УФ- области спектра, и фотоэффект наблюдается только для УФ-излучения. 2. Работавыходаэлектроновизметалла Фотоэлектронная эмиссия происходит из различных твердых и жидких веществ. Мы бу- дем рассматривать фотоэффект из металлов. В металле много почти свободных электронов, называемых электронамипроводимости(рис. 6). Они находятся в состоянии быстрого хаоти- ческого движения, но практически не покидают металл, если он не освещен и не нагрет до вы- сокой температуры. Причиной тому служат силы, действующие на электроны на поверхности металла. Кристаллическая решетка металлов состоит из положительно заряженных атомных осто- вов (ионов), между которыми хаотически движутся электроны проводимости. В типичной си- x F Металл Вакуум а) Э н ер ги я э л ек тр о н а Рис. 6. Электроны проводимости в металле: а – электроны в кристаллической решетке из ионов; б – потенциальная яма для электронов E F A Уровень Ферми Энергия покоящегося электрона вне металла W p (x) – потенциальная энергия б) x 6 туации на каждый атом металла приходится один электрон проводимости. На рис. 6, а. это показано схематически. Электроны вылетают недалеко за пределы кристаллической решетки и возвращаются обратно. Поэтому объем, занимаемый электронным газом, несколько превыша- ет объем решетки. В результате на поверхности тела образуется двойной электрический слой, состоящий из избыточного положительного заряда решетки и отрицательного заряда электро- нов за пределами решетки. На поверхности металла на электроны действует возвращающая сила F (рис. 6, а). Вместо силы F удобнее рассматривать потенциальную энергию электрона внутри и вне металла. Зависимость потенциальной энергии Wp (x) от координаты x изображена на рис. 6, б. Внутри металла потенциальная энергия меньше, чем снаружи, т. е. электроны находятся в по- тенциальнойяме. Хаотическое движение электронов проводимости резко отличается от движения молекул газа, в частности, оно не прекращается даже при очень глубоком охлаждении. Электроны про- водимости могут принимать только определенные значения энергии. Горизонтальными ли- ниями на рис. 6, бсхематически показаны энергетические уровни, занятые электронами при T = 0 К. Все уровни вплоть до наивысшего, называемого уровнем Ферми с энергией Ферми E F , заняты электронами, а более высокие уровни – пусты. При комнатной температуре картина практически такая же. Как видно из рис. 6, б, для выхода электрона из металла (потенциальной ямы) ему необ- ходимо сообщить дополнительную энергию. Она будет минимальна, если ее сообщить элек- трону, который имеет энергию Ферми и движется наружу в направлении нормали к поверхно- сти. Эта дополнительная минимальная энергия называется работойвыхода A электрона из металла (см. рис. 6, б). Ее обычно указывают в электрон-вольтах. Электрон-вольт – энергия, приобретаемая электроном в электрическом поле при разности потенциалов 1 В: 1 эВ = 1,6 10 – 19 Дж. Для разных чистых металлов работа выхода изменяется в интервале от 1,8 эВ (цезий) до 5,3 эВ (платина). 3. Теорияфотоэффекта Классическая теория электромагнитных волн Максвелла столкнулась с непреодолимыми трудностями при объяснении фотоэффекта. Согласно классической теории, интенсивность волны Φ (Вт/м 2 ) пропорциональна квадрату амплитуды напряженности E m электрического поля волны (Н/Кл): Ф E 2 m С классической точки зрения, в переменном электрическом поле волны на электроны проводимости металла действует переменная сила. Следовательно, при достаточно большой интенсивности света сила велика и должен произойти фотоэффект. Однако это противоречит опыту. Согласно опыту, фотоэлектронная эмиссия отсутствует даже при большой интенсивно- сти, если частота света меньше некоторого значения (красной границы ν o ). А если частота больше красной границы, то электроны испускаются и при слабом свете. Кроме того, скорость испущенных электронов возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности. Таким образом, классическая теория не может объяснить второй и третий законы фотоэффекта. Законы фотоэффекта были объяснены фотонной (квантовой) теориейсвета, которая ут- верждает следующее. 1. Свет и другие электромагнитные волны (радиоволны, УФ-излучение, рентгеновские лучи т.д.) состоят из «порций» электромагнитных волн, называемых квантамиили фотонами. 2. Для монохроматического света с частотой ν и длиной волны λ= c/ν фотон обладает энергией E = hν = h c/λ (3) и импульсом p = h ν /c = h /λ, где h – универсальная физическая константа, называемая постояннойПланка (h = 6,63 10 -34 Дж с). 7 3. В процессе испускания или поглощения света фотоны рождаются или поглощаются как нечто неделимое. 4. В любой инерциальной системе отсчета фотон движется в вакууме со скоростью c = 3 10 8 м/с. 5. Фотоны перемещаются в пространстве и испытывают интерференцию и дифракцию, как волны с длиной волны λ. Квантовую гипотезу выдвинул Макс Планк (1900 г.) в связи с теорией теплового излуче- ния. Только с помощью квантов ему удалось объяснить спектр теплового излучения абсолют- но черного тела. Квантовая гипотеза получила дальнейшее развитие и подтверждение в работе Эйнштейна (1905 г.) по объяснению фотоэффекта. Согласно Эйнштейну, испускание электрона из металла есть результат трех последова- тельных процессов: а) поглощения одного фотона электроном проводимости, в результате чего энергия фотона h ν передается одному электрону; б) движения этого электрона к поверхности, при котором часть его энергии может рассеяться за счет взаимодействия с другими электронами или дефектами и колебаниями кристалличе- ской решетки; в) вылета электрона из металла, при котором электрон должен затратить энергию на выход из потенциальной ямы. Наибольшую кинетическую энергию T max = 2 max 2 mu вне металла будет иметь электрон, ис- пущенный с уровня Ферми и не потерявший энергии в столкновениях перед вылетом (рис. 7, а): 2 max 2 mu = h ν – A. (4) Соотношение (4), выражающее закон сохранения энергии, называют формулойЭйнштейна дляфотоэффекта. Если электрон испущен с более низкого энергетического уровня, чем уровень Ферми (рис. 7, б), или потерял часть энергии в столкновениях, то его кинетическая энергия будет меньше максимальной (T < T max ). Поэтому при освещении даже монохроматическим светом электроны имеют различную энергию, верхняя граница которой определяется формулой (4). Уровень Ферми h ν h ν A T MAKC T <T MAKC A Э н ер ги я э л ек тр о н а Энергия эмитированного электрона а) б) Рис. 7. Фотоэлектронная эмиссия с уровня Ферми (а) и с более низкого уровня (б) 8 Таким образом, в квантовой теории света все законы внешнего фотоэффекта получают полное и ясное объяснение. 1. Максимальная кинетическая энергия испущенных электронов не зависит от интенсив- ности излучения, но связана с частотой света линейным законом, причем с увеличением часто- ты света энергия возрастает (см. формулу (4)). 2. Если энергия фотона меньше работы выхода, то электрон не может выйти из потенци- альной ямы. Красная граница фотоэффекта соответствует случаю, когда энергия фотона равна работе выхода: h ν o = hc /λ o = A. При ν < ν o , когда энергия фотона меньше работы выхода, фотоэмиссия невозможна. 3. С увеличением интенсивности излучения растет число падающих фотонов и, следова- тельно, число испущенных электронов. Вакуумные фотоэлементы нашли широкое практическое применение для измерения ин- тенсивности света. Спектральнойчувствительностью S (λ)фотоэлемента называют отноше- ние тока насыщения I o к вызывающему его лучистому потоку Ф монохроматического света с длиной волны λ: S (λ) = I o / Ф, мкА/Вт. Если измерить ток насыщения I o для монохроматического излучения с известной длиной вол- ны, то поток излучения можно найти по формуле: Ф = I o / S(λ). Для изготовления фотокатодов обычно используют подходящий полупроводник вместо металла. При этом удается повысить чувствительность S (λ) фотоэлемента, а также сместить красную границу в область больших длин волн. Серийные вакуумные фотоэлементы чувстви- тельны в диапазоне 115 – 1100 нм. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯЧАСТЬ 1. МетодикаизмеренияпостояннойПланка Фотоны с энергией hν при освещении фотокатода с работой выхода A выбивают элек- троны с максимальной кинетической энергией 2 max 2 mu . Эти величины связаны формулой Эйн- штейна для внешнего фотоэффекта (см. формулу (4)): h ν = A + 2 max 2 mu (5) Максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов 2 max 2 mu определяют методомзапираю- щего(задерживающего) напряжения. Для этого фотоэлемент включают в электрическую схе- му, в которой измеряют ток фотоэлемента при обратной полярности напряжения между фото- катодом и анодом. При обратной полярности испущенные фотокатодом электроны движутся в тормозящем электрическом поле фотоэлемента. При увеличении обратного напряжения ток фотоэлемента уменьшается, и при некотором напряжении U зап (запирающеенапряжение) ток обращается в нуль (см. рис. 2). Максимальная кинетическая энергия электронов равна (см. формулу (2)): 2 max 2 mu = eU зап , (6) где e – заряд электрона (e =1,6 10 -19 Кл). Объединяя формулы (5) и (6), получим: h ν = A + eU зап (7) 9 В лабораторной работе измеряют запирающее напряжение U зап при освещении фотоэле- мента монохроматическим светом различной частоты ν. По результатам измерений строят гра- фическую зависимость U зап от ν (рис. 8). Используя полученный график, определяют постоянную Планка. Для этого преобразуем формулу (7), взяв приращения (дифференциалы) ∆U зап запирающего напряжения и ∆ν частоты: h ∆ν = e ∆U зап Отсюда следует формула для определения постоянной Планка: h = e ∆U зап / ∆ν. (8) Дифференциалы ∆ν и ∆U зап определяют из графика (см. рис. 8). 2. Описаниеэкспериментальнойустановки Принципиальная схема установки показана на рис. 9. Источником света служит лампа нака- ливания Л со сплошным спектром излучения. Лампа питается от источника ИСТ-1 переменного напряжения 12 В. С помощью узкополосных интерференционных светофильтров СФ выделяется монохрома- тическое излучение с различной длиной волны. Интерференционный светофильтр представляет собой стеклянную пластинку, на которую нанесены методом вакуумного напыления тонкие (порядка длины волны света) слои диэлектрика с чередующимися значениями (высокий – низ- кий) показателя преломления. Толщина слоев строго определенная, а общее число слоев может достигать нескольких десятков. Свет отражается от границ раздела слоев, при этом возникает многолучевая интерференция света. В результате получают, что через светофильтр проходит свет в узкой полосе длин волн, а все остальное излучение отражается обратно. U ЗАП ν ∆ν ∆U ЗАП Рис. 8. Графическое определение постоянной Планка 10 На электроды фотоэлемента (ФЭ) подается напряжение от источника питания ИСТ-2 так, чтобы минус источника был подключен к аноду. При этом электрическое поле в фотоэлементе будет тормозящим для электронов, вылетевших из фотокатода (ФК). Напряжение источника можно регулировать от 0 до 12 В. Дополнительная, более тонкая регулировка напряжения на фотоэлементе осуществляется с помощью реостата R. Напряжение U между электродами фото- элемента, анодом (А) и фотокатодом (ФК), измеряют вольтметром V1. Для регистрации очень слабого тока I фотоэлемента его необходимо усилить. Для этого служит усилитель постоянного тока (УПТ), коэффициент усиления K которого можно изменять. К входным гнездам «In» усилителя подключен (внутри усилителя) входной резистор R e , через который протекает ток I фотоэлемента. Входное сопротивление R e можно изменять. К выход- ным гнездам «Out» усилителя подключен вольтметр V2 для измерения выходного напряжения U вых . По результатам измерения напряжения U вых находят силу тока I фотоэлемента по форму- ле: вых e U I KR = (9) Для изменения интенсивности света перед фотоэлементом ФЭ установлена шторка (ШТ), имеющая круглое отверстие и щель. Шторку можно перемещать. В состав установки входят (рис. 10): лампа и фотоэлемент, заключенные в светонепро- ницаемые корпуса; блок питания лампы и фотоэлемента; усилитель тока фотоэлемента; рео- стат; два универсальных цифровых измерительных прибора (мультиметры); набор интерферен- ционных светофильтров на пять различных длин волн и соединительные проводники с вилка- ми. ИСТ-1 12 V ИСТ-2 V 1 V 2 Л U ШТ А ФК R R e U ВЫХ УПТ ФЭ ток I СФ Рис. 9. Принципиальная электрическая схема лабораторной установки 11 Монтажная электрическая схема установки показана на рис. 11. 3. Выполнениелабораторнойработы Задание 1. Ознакомлениеслабораторнойустановкой Усилитель тока имеет входные «In» и выходные «Out» гнезда. В усилителе можно изме- нять входное сопротивление R e (10 13 Ω или 10 4 Ω) и коэффициент усиления K (Amplification) от 10 0 до 10 5 С помощью переключателя «Time constant» можно варьировать время усреднения ре- зультатов измерения силы тока в пределах от 0 до 3 с. Если установлено, например, время 0,3 с, то в усилителе происходит в течение 0,3 с усреднение тока фотоэлемента, в результате умень- шаются переменные электрические помехи и повышается точность измерения силы постоянно- го тока. В усилителе имеется регулировка, называемая «установка нуля». Если при отсутствии тока на входе усилителя на его выходе имеется напряжение, то его надо устранить. Для этого проводником с вилками замыкают входные гнезда «In» усилителя и вращением ручки « ←0→ » усилителя добиваются нулевого напряжения на выходе усилителя. После описанной процедуры убирают проводник, которым замыкали входные гнезда. Рис. 11. Монтажная электрическая схема Рис. 10. Фотография лабораторной установки 12 Напряжение U вых на выходных клеммах усилителя не может превышать 10 В независимо от величины входного тока. Если выходное напряжение достигло 10 В, то усилитель может быть «перегружен», а результат измерения тока искажен. В этом случае необходимо уменьшить коэффициент усиления. В блоке питания имеются выходные гнезда на переменные (АС) напряжения 6 В и 12 В и на постоянное (DC) напряжение, регулируемое от 0 до 12 В. Постоянное напряжение изменяют ручкой «V». Ручкой «А» устанавливают предельный ток источника постоянного напряжения (до 2 А). Мультиметры типа 3335 DMM используются для измерения постоянных напряжений между электродами фотоэлемента и на выходе усилителя. Напряжение подают на клеммы «com» и «V-Ω». Порядоквыполнениязадания. 1. Зарисовать в рабочей тетради принципиальную схему установки (см. рис. 9). 2. Установить в блоке питания ручку «А» в положение 1 А (один ампер), а ручку «V» – на 2 В (предельное напряжение в лабораторной работе). 3. Мультиметры установить в режим измерения постоянного напряжения «V=» с пределом измерений 2 В. Включить питание мультиметров. 4. С помощью переключателей установить рабочий режим усилителя тока: входное сопротив- ление R e = 10 4 Ω, усиление («Amplification») K =10 3 , время усреднения тока («Time constant» 0,3 с. 5. Включить сетевое питание усилителя и источников тока. Для этого вставить сетевые вилки в розетки и включить питание тумблером, расположенным на задней стенке приборов. При этом в блоке питания должен загореться индикатор «Power». 6. Отрегулировать нуль усилителя. Для этого замкнуть проводником с вилками входные гнез- да «In» усилителя; при этом не следует отключать другие проводники от входных гнезд. Вращением ручки « ←0→ » усилителя добиться нулевого напряжения на выходе усилителя. После описанной процедуры убрать проводник, которым замыкали входные гнезда усили- теля. Задание 2. Измеритьзапирающеенапряжениедляразличныхчастоти интенсивностисвета Измерения выполняют, изменяя частоту света с помощью узкополосных светофильтров, пропускающих излучение с различной длиной волны. Длина волны указана на оправе свето- фильтра. Интенсивность света изменяют перемещением шторки на входном окне блока фотоэле- мента. Назовем интенсивность нормальной, когда свет проходит через круглое отверстие пол- ностью. Если шторку сдвинуть на половину диаметра отверстия, то интенсивность света уменьшится примерно вдвое (уменьшенная интенсивность). Порядоквыполнениязадания. 1. Подготовить табл. 1 для записи результатов измерений. Таблица 1 Результатыизмерениязапирающегонапряжения Запирающее напряжение U зап , В λ, нм ν, 10 14 Гц При нормаль- ной интенсив- ности При уменьшен- ной интенсив- ности Среднее для двух интенсив- ностей 366 8,2 13 405 7,41 436 6,88 546 5,50 578 5,20 2. ВНИМАНИЕ! Очень бережно обращаться с интерференционными светофильтрами, не дот- рагиваться до их поверхности, не протирать, не ронять. 3. Присоединить к блоку c лампой один из светофильтров. Шторку на блоке фотоэлемента установить так, чтобы свет проходил через круглое отверстие полностью. Плотно соеди- нить блок фотоэлемента с блоком лампы. Исключить засветку фотоэлемента посторонними источниками света. 4. Перемещением движка реостата установить максимальное напряжение U на фотоэлементе (примерно 2 В). При этом выходное напряжение усилителя U вых должно быть отрицатель- ным. Отрицательному выходному напряжению соответствует отрицательный ток фотоэле- мента. 5. Отрицательный ток объясняется небольшим побочным эффектом – эмиссией фотоэлектро- нов с поверхности анода. При напряжении ≥ 2 В обратной полярности электроны, испущен- ные с фотокатода, уже не достигают анода. Однако имеется небольшая эмиссия электронов с поверхности анода, который также освещается. Для электронов, испущенных анодом, на- пряжение является прямым (а не обратным), поэтому они достигают фотокатода, создавая наблюдаемый отрицательный ток. 6. Медленно уменьшая реостатом напряжение на фотоэлементе, следить за напряжением U вых на выходе усилителя. При этом отрицательное выходное напряжение усилителя должно уменьшаться по величине, и пройдя через нулевое значение, изменить полярность на поло- жительную, а затем возрастать при дальнейшем уменьшении напряжения между катодом и анодом. 7. Анализ показывает, что напряжение U на фотоэлементе, при котором ток фотоэлемента равен нулю (выходное напряжение усилителя U вых = 0), можно принять за напряжение за- пирания U зап 8. Медленным перемещением движка реостата определить, как можно точнее, запирающее напряжение U зап . Результат измерения U зап записать в табл. 1 в столбец для нормальной ин- тенсивности. 9. Уменьшить интенсивность света примерно в два раза, сдвинув шторку на половину диамет- ра круглого отверстия. Повторить измерения п. 8. Результат измерения записать в табл. 1 в столбец для уменьшенной интенсивности. 10. Повторить измерения пунктов 8, 9 для светофильтров с другими длинами волн. Результаты измерений записать в табл. 1. 11. Выключить питание установки. 4. Обработкарезультатовизмерений 1. По результатам измерения (см. табл. 1) запирающего напряжения U зап при различной интен- сивности света, но одинаковой частоте, сделать вывод, зависит ли максимальная кинетиче- ская энергия фотоэлектронов от интенсивности света? 2. По результатам измерения запирающего напряжения U зап при различной интенсивности све- та вычислить среднее значение запирающего напряжения для каждой частоты. Результат вычисления записать в табл. 1. 3. По результатам измерений (см. табл. 1) построить графическую зависимость запирающего напряжения U зап (среднего значения) от частоты ν излучения. Для этого нанести на график экспериментальные точки (хорошо заметными значками) и провести через них наилучшую прямую (см. рис. 8). 4. Сделать вывод, подтверждает ли полученный график второй закон фотоэффекта? 14 5. Используя построенный график, определить постоянную Планка h по методике, описанной выше (см. формулу (8)). Полученное значение h представить в табл. 2. Таблица 2 РезультатыизмеренияпостояннойПланкаиэнергиифотона Постоянная Планка h = Относительная погрешность измерения = % Энергия фотона видимого света (λ =546 нм) E = Дж = эВ 6. Из сравнения полученного в лабораторной работе значения h с табличным значением h = 6,6262 10 -34 Дж с вычислить относительную погрешность измерения в %. 7. Вычислить энергию фотона зеленого света ( λ = 546 нм) в Дж и эВ. Результаты вычислений представить в табл. 2. Контрольныевопросы 1. Почему необходимо затратить энергию для вырывания электрона из металла? Что такое работа выхода электрона? 2. Что такое ток насыщения и как он связан с числом испущенных электронов, а также с по- током излучения? 3. В чем заключается метод запирающего напряжения для измерения кинетической энергии заряженных частиц? 4. Как формулируются законы фотоэффекта и основные положения фотонной теории света? 5. В чем суть формулы Эйнштейна для фотоэффекта? 6. В чем состоят противоречия между классической теорией света и законами фотоэффекта? 7. В чем заключается методика измерения постоянной Планка в данной работе? Списоклитературы 1. МартинсонЛ.К., СмирновЕ.В. Квантовая физика. – М.: Изд-во МГТУ, 2004. – 496 с. 2. ИродовИ.Е. Квантовая физика. Основные законы. – М.: Лаборатория базовых знаний, 2001. – 272 с. 3. СавельевИ.В. Курс общей физики: В 3 т. – М.: Наука. 1987. – Т. 3. – 320 с. |