ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ФОТОЭФФЕКТА
(Лабораторная работа 81)
Цель работы: изучить законы фотоэффекта
Приборы и принадлежности: установка для изучения фотоэффекта, набор светофильтров, люксметр.
Фотоэффектом называется явление выбивания электронов из металлов светом. Закономерности фотоэффекта, экспериментально открытые А.Г. Столетовым, можно сформулировать в виде трех положений:
фототок насыщения прямо пропорционален освещенности фотокатода;
максимальная энергия фотоэлектронов не зависит от освещенности фотокатода и прямо пропорциональна частоте падающего света;
существует «красная» граница фотоэффекта, то есть минимальная частота ( ), при которой фотоэффект прекращается.
Объяснить законы фотоэффекта удалось на основе квантовых представлений о природе света. Энергия света излучается и поглощается порциями (квантами). Энергия кванта прямо пропорциональна частоте ( ) электромагнитной волны
 . (20.1)
Здесь h =6,63 10 –34 Дж c – постоянная Планка. Частицу, энергия которой выражается формулой (20.1), называют фотоном. Электрон, поглотив фотон, выходит из металла. На удаление электрона расходуется энергия ( ), называемая работой выхода. Работа выхода равна энергии, которую необходимо сообщить электрону, чтобы удалить его с поверхности металла (жидкости) в вакуум. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта представляет собой закон сохранения энергии:
 (20.2)
где  – кинетическая энергия электрона.
Фототок прекращается, если кинетическая энергия вылетающих электронов обращается в нуль. Из формулы (20.2) в этом случае определяется красная граница фотоэффекта:  .
Как правило, электрон поглощает один фотон (многофотонные процессы маловероятны). Поэтому в уравнение (20.2) не входит число падающих фотонов (освещенность фотокатода). Следовательно, максимальная энергия вылетающих электронов зависит только от частоты и не зависит от освещенности:
 .
Фототок насыщения определяется максимальным числом выбитых электронов, которое прямо пропорционально числу падающих фотонов.
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
Законы фотоэффекта можно получить при анализе вольт-амперной характеристики (ВАХ) фотоэлемента.
В
установке для снятия ВАХ (рис. 20.1) напряжение на фотоэлемент  подаётся через потенциометр  от источника питания  . Напряжение и ток в цепи фотоэлемента измеряются соответственно вольтметром V и микроамперметром  .  и  - нагрузочные сопротивления.
Если на анод подать положительный потенциал, а на катод  – отрицательный, как показано на рис. 20.1, то с увеличением напряжения фототок возрастает. При нулевом напряжении на фотоэлементе часть выбиваемых электронов достигает анода, образуя электрический ток  .
Д ля его прекращения необходимо подать на анод фотоэлемента отрицательное напряжение  , называемое напряжением задержки (рис. 20.2).
Зная  , можно определить максимальную энергию фотоэлектронов
 (20.3)
где  - максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона, Дж;  – работа электростатического поля над электроном, Дж; е = 1,6 10 –19 Кл -- модуль заряда электрона.
При увеличении напряжения на аноде сила тока возрастает до  , называемого током насыщения. Насыщение тока происходит тогда, когда все выбитые электроны достигают анода.
На рис. 20.2 изображены две ВАХ, снятые при различных освещенностях фотокатода  .и  . Поскольку начинаются они в одной и той же точке, то и, следовательно, кинетическая энергия электронов не зависят от освещенности.
И
зучить зависимость энергии фотоэлектронов от частоты можно, помещая на пути светового пучка различные светофильтры.
Включение установки для изучения законов фотоэффекта (рис. 20.3) осуществляется тумблером 1 и контролируется по индикатору 2. Напряжение на фотоэлементе регулируется ручкой 3 и контролируется по вольтметру 4. Лампа накаливания 5 является источником света, освещающим фотоэлемент 6. Сила тока в цепи измеряется микроамперметром 7. Освещенность фотоэлемента регулируется ручкой 8.
Мостовая схема включения фотоэлемента (см. рис. 20.1) позволяет менять полярность напряжения, не переключая источник тока.
|
Скачать 3.25 Mb.