Внешние фотоэффекты12. Лабораторная работа 12 Изучение явления внешнего фотоэффекта Цель работы

• Название: Лабораторная работа 12 Изучение явления внешнего фотоэффекта Цель работы
• Дата: 19.10.2021
• Размер: 153 Kb.
• Имя файла: Внешние фотоэффекты12.doc
• Тип: Лабораторная работа; #250964

Лабораторная работа №12

Изучение явления внешнего фотоэффекта

Цель работы:
Изучить законы внешнего фотоэффекта, численно определить постоянную Планка, работу выхода электрона из фотокатода, красную границу фотоэффекта.
Оборудование: установка для изучения внешнего фотоэффекта ФПК - 10
Литература:

1. Иродов И.Е. Квантовая физика. Основные законы. Физматлит. М-С-П 2001г.

2. Савельев И.В., Курс общей физики. М., Астель-АСТ 2003г.

3. Сивухин Д.В. Курс общей физики. Оптика. М. «Наука» 1980.

4. Гершензон Е.М. и др. Курс общей физики. М. «Просвещение». 1981.

5. Ландсберг Г.С. "Оптика", "Наука", 1976.

1. 
   Краткая теория.
   

Отрыв электронов от атомов под действием падающих фотонов (квантов) света называется фотоэффектом.

Различают три вида фотоэффекта: внешний, внутренний и вентильный.

Внешний фотоэлектрический эффект – вырывание электронов из твердых тел и жидкостей под действием электромагнитного излучения был открыт в 1887 году Г. Герцем. Первые исследования фотоэлектрического эффекта были выполнены А. Г. Столетовым в 1888 году.

Принципиальная схема для исследования фотоэффекта приведена на рис.1

рис.1

Два электрода (К-катод и А-анод ) в вакуумной трубке подключены к источнику постоянного напряжения так, что с помощью потенциометра R можно изменять не только значение, но и знак подаваемого на них напряжения. Ток, возникающий при освещении катода монохроматическим светом,. измеряется включенным в цепь микроамперметром.

Меняя частоту падающего света на катод, напряжение, как по величине, так и по направлению и освещенность катода для внешнего фотоэффекта были установлены следующие законы:

I закон: Величина фототока насыщения пропорциональна световому потоку при неизменном его спектральном составе.

I_н=кЕ (1)

где I_н – ток насыщения, Е – освещенность катода фотоэлемента, к – коэффициент пропорциональности, характеризующий чувствительность данной поверхности к свету.

II закон: Максимальная скорость фотоэлектронов зависит для данного вещества лишь от частоты падающего света.

III закон: Для каждого вещества существует определенная частота, ниже которой фотоэффект не происходит. Эта частота называется граничной. Длина волны, соответствующая граничной частоте, называется красной границей фотоэффекта.

С увеличением энергии фотонов при постоянной интенсивности падающего на катод излучения квантовый выход фотоэффекта возрастает. Под квантовым выходом фотоэффекта следует понимать число вылетающих из катода фотоэлектронов, приходящихся на один фотон, падающий на поверхность тела.

Законы фотоэффекта не могут быть объяснены классической электродинамикой. Теоретическое обоснование количественных закономерностей фотоэффекта может быть дано только на основе квантовой природы взаимодействия излучения с веществом.

Основное уравнение фотоэффекта – уравнение Эйнштейна – представляет собой закон сохранения энергии и устанавливает связь между энергией кванта, вызывающего фотоэффект, работой выхода электрона из фотокатода и максимальной энергией вылетающего электрона:

(2)

где m – масса электрона, _max – максимальная скорость электрона при выходе с поверхности катода, А – работа выхода электрона из вещества (катода).

Из уравнения (2) следует, что при Т=0 К и не очень высокой интенсивности света (когда многофотонные эффекты практически отсутствуют) фотоэффект невозможен, если h
hA и , 0. (3)

Для каждого вещества существует некоторая минимальная частота света, при которой еще возможно выполнение условия (3). Эта минимальная частота определяется из равенства:

h₀=A, =0 (4)

где ₀ – граничная частота, h – постоянная Планка.

Для частоты =₀ энергия фотона такова, что может быть совершена работа выхода и вылетевший электрон покидает поверхность катода со скоростью, равною нулю. Длина волны ₀, соответствующая предельной частоте ₀, называется красной границей фотоэффекта:

. (5)

Для частоты  >₀ электроны, вылетающие из катода, имеют определенный запас кинетической энергии и могут достичь анода без внешнего электри­ческого поля. В замкнутой цепи в этом случае будет наблюдаться ток (точка А рис.1). Если между анодом и катодом создать отрицательное поле (на анод "-", а на катод "+"), то с помощью такого поля можно затормо­зить электроны. По мере увеличения этой "тормозящей" разности потенциа­лов U_зад. анодный ток падает и при некотором значении разности потенциалов даже самые быстрые фотоэлектроны не могут достичь анода; анодный ток в цепи будет равен О (точка В рис.1 ). В этом случае можно записать:
(6)

г
де e – заряд электрона, m – масса электрона, U_з – величина задерживающего потенциала, _max – максимальная скорость вырванных электронов.

Рис.2. Вольтамперная характеристика освещенного вакуумного

фотоэлемента.

Выражение (6) устанавливает связь между задерживающей разностью потен­циалов U_зад, и максимальной кинетической энергией фотоэлектронов, а также между величиной U_зад и током фотоэлемента. Эта зависимость выражается плавной кривой (рис.2)

Особый интерес представляет точка (В) пересечения вольтамперной характеристики с осью напряжения, она характеризует величину запираю­щей (задерживающей) разности потенциалов U_зад. Подставляя (6) в (2) получим:

(7)

или

, (8)

где (9)

U – потенциальный барьер около катода, зависящий только от материала катода.

Из выражения (8) видно, что задерживающая разность потенциалов U_зад линейно зависит только от частоты падающего излучения. (Рис.3).

 

Рис.3 Зависимость задерживающей разности потенциалов от частоты.
Исследуя зависимость задерживающей разности потенциалов от частоты падающего на фотоэлемент излучения, можно определить постоянную Планка, работу выхода электрона из катода, красную границу для данного фотокатода.

Запишем соотношение (8) для двух частот ₁ и ₂

(10)

При известных значениях ₁ и ₂ и измеренных значениях задерживающе­го потенциала U₁ и U₂ из уравнений (10) можно вычислить по­стоянную Планка

= (11)

и работу выхода

= (12)

Устройство и принцип действия установки ФПК-10

рис.4

Установка состоит из отдельных блоков (рис.4), осветителя (1), фотоэлемента (2) с питающим и усиливающим фототок устройствами (5) и измерительного блока (3), соединенных между собой кабелем.

Блок осветителя состоит из ртутной лампы с питающим устройством, четырех интерференционных светофильтров, пропускающих свет с длинами волн: 407нм -№1; 435нм - №2; 546нм - №3 и 578нм -№4 и устройства регулировки освещенности. Светофильтры устанавливаются вращением диска (4), на котором указаны номера светофильтров. Положение «0» на диске соответствует прохождению света без светофильтров, а положение «5» перекрывает свет от лампы и используется для установки нуля. Регулировка освещенности производится кольцом (6), вращение которого приводит к изменению диаметра диафрагмы, ограничивающей световой поток.

К корпусу фотоэлемента (2) прикреплен усилитель фототока (5). В работе используются сменные фотоэлементы ф-8 и ф-25. При установке фотоэлементов их приемное окно совмещается с выходным окном осветителя.

На передней панели осветителя находится сетевой выключатель с индикатором включения сети (7). На задней панели – клемма заземления, держатели предохранителей и сетевой шнур с вилкой, на боковой стенке – выходное отверстие осветителя, диск для смены светофильтров (4) и кольцо для регулировки освещенности (6). На боковую поверхность усилителя (5) выведены регуляторы (8) баланса усилителя фототока- «установка нуля» – «грубо» и «точно» для установления нулевого значения фототока в отсутствии светового сигнала на фотоэлементе.
Измерительное устройство (3) позволяет измерять силу тока в фотоэлементе, устанавливать и измерять питающее напряжение на фотоэлементе, а так же осуществлять функции управления установкой (установка режимов прямого или обратного измерения.) На передней панели регистрирующего устройства размещены следующие органы управления и индикации:

Кнопка «прям» – «обрат» с соответствующими индикаторами – предназначена для включения прямого или обратного режимов измерения.

При прямом «прям» режиме на фоточувствительный слой фотоэлемента подается отрицательный потенциал, а при обратном- «обрат»- положительный.

Кнопки «+», «-» и «сброс» предназначены для регулировки напряжения на фотоэлементе и его сброса на «ноль».

Индикаторы «В» (вольты) и «мкА» (микроамперы) предназначены для индикации значений величин напряжения и фототока в процессе работы.

Измерительное устройство и блок осветителя с помощью сетевого шнура подключается к сети 220В, 50Гц.

Принцип действия установки основан на измерении тока, возникающего в фотоэлементе при изменении полярности, величины приложенного к нему напряжения, изменения спектрального состава и величины освещенности катода фотоэлемента.

В процессе выполнения лабораторной работы снимается зависимость тока через фотоэлемент от приложенного к нему напряжения. При этом, меняется полярность напряжения (т.е. раздельно снимаются прямая и обратная ветви вольтамперной характеристики фотоэлемента). Характеристики снимаются при различных значениях освещенности и при изменении длины волны света, падающего на фотоэлемент. По результатам измерений строятся семейства вольтамперных характеристик и численно оценивается значение постоянной Планка.
3. Подготовка установки к работе

1. 
   Перед началом работы с установкой необходимо убедиться, что она заземлена.
   
2. 
   Перед включением установки в сеть выключатели «Сеть» осветительного и измерительного блоков должны находиться в положении «Выкл».
   
3. 
   Установите на пути лучей фотоэлемент (ф-8 или ф-25- по заданию преподавателя).
   
4. 
   Подключите сетевые шнуры осветительного и измерительного блоков к сети и включите измерительный блок выключателем «Сеть» на его задней панели. При этом должны светиться индикаторы «Обрат», «В» и «мкА» измерительного блока. На индикаторе «В» должны установиться нули. После 5- минутного прогрева рукоятками (8) «Установка нуля» на блоке (5) установить нулевое значение на индикаторе «мкА» измерительного блока.
   
5. 
   Включите блок освещения выключателем «Сеть» на его передней панели. При этом начинает светиться индикатор «Сеть».Дать лампе осветителя прогреться в течение 15 минут.
   

Режим работы установки прерывистый - через каждые 45 минут работы делается перерыв на 15 – 20 минут.

Пока прибор прогревается подготовьте 6 таблиц, которые заполните в процессе эксперимента.

Задание 1. Проверка первого закона

внешнего фотоэффекта

Необходимо получить вольтамперные характеристики фотоэлемента при освещении его светом определенного спектрального состава (один и тот же светофильтр), но разной интенсивности падающего света.

1. 
   Проверить «0» мкА при положении диска со светофильтрами «5». Установить на пути лучей выбранный светофильтр.
   
2. 
   Выбрать режим работы с помощью кнопки «прям» – «обрат». Начинать лучше со снятия характеристик I=f (U) в прямом направлении.
   
3. 
   Установить напряжение 0,5В. Вращением кольца (6), с помощью которого изменяется радиус диафрагмы, ограничивающей световой поток, падающий на фотоэлемент, добиться максимальной освещенности : показания мкА – максимальные.
   
4. 
   Меняя напряжение от нуля до 3В через 0,5 В снимите показания мкА. Данные занесите в таблицу.
   

Таблица1

Светофильтр № = ; =
Прямое		обратное
U	J	U	J

Таблица2

Светофильтр № = ; =
Прямое		обратное
U	J	U	J

Таблица3

Светофильтр № = ; =
Прямое		обратное
U	J	U	J

Таблица4

Светофильтр № = ; =
Прямое		обратное
U	J	U	J

Таблица5

Светофильтр № = ; =
Прямое		обратное
U	J	U	J

Таблица6

Светофильтр № = ; =
Прямое		обратное
U	J	U	J

5. 
   Затем установите обратный режим нажатием кнопки »обрат» и , начиная от 0В, меняя напряжение через 0,02В, снимите показания мкА.
   

Внимание!! При обратном режиме работы напряжение не должно превышать 1В.

Обратное напряжение увеличиваем до показаний мкА, равных нулю (нулевую точку проверить несколько раз).

6. 
   Не меняя светофильтра нажмите кнопку «прям» и повторите опыты (пункты 2 –5 ) для другого значения освещенности уменьшением диафрагмы (кольцо 6 ).
   
7. 
   Постройте графики зависимости I=f (U) для различных значений освещенности.
   

Задание 2. Исследование зависимости задерживающего потенциала от длины волны света, падающего на фотоэлемент.
Для большей наглядности и получения полной картины происходящих процессов желательно исследовать вольтамперные характеристики, как в прямом, так и в обратном режиме работы при приблизительно одинаковых значениях тока насыщения с 3 оставшимися светофильтрами.

1. 
   Установив светофильтр, нажмите кнопку «прям» на измерителе, подайте напряжение на фотоэлемент порядка 6В.
   
2. 
   Изменяя диафрагму (кольцо 6), установите освещенность (по показаниям микроамперметра) приблизительно равную значению освещенности при среднем положении диафрагмы, использованном в первом задании.
   
3. 
   Повторите опыт (пункты 2-5 первого задания) для трех оставшихся светофильтров. Но для каждого светофильтра освещенность (сила тока насыщения ) устанавливается только 1 раз ( пункты 1,2 ). Результаты занесите в таблицы 4-5.
   
4. 
   Постройте вольтамперные характеристики фотоэлементов для 4 светофильтров. Причем в области отрицательных значений напряжения масштаб увеличьте по сравнению с областью положительных значений приблизительно в десять раз.
   
5. 
   Постройте график зависимости задерживающего напряжения от частоты, по которому по выбранному интервалу  определите u_з –соответствующую разность задерживающего напряжения и по формулам 11 и 12 рассчитайте постоянную Планка и работу выхода электрона.
   

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. Что следует понимать под внешним фотоэффектом?

2. Перечислить основные законы фотоэффекта.

3. Зависит ли максимальная энергия фотоэлектронов от интенсивности падающего излучения?

4. Как зависит величина фототока от интенсивности падающего излучения, если спектральный состав излучения остается неизменным?

5. Как зависит максимальная энергия фотоэлектронов от спектрального состава излучения при его неизменной интенсивности?

6. Возможен ли фотоэлектрический эффект, если работа выхода электрона из вещества больше энергии падающего кванта света?

7.Что следует понимать под квантовым выходом фотоэлектрического эффекта?

8.Что следует понимать под красной границей фотоэлектрического эффекта?

9.Что называется работой выхода? От чего она зависит?

10.Каков физический смысл контактной разности потенциалов?

11.Каков физический смысл задерживающего потенциала?

12.Что значит граничная частота фотоэффекта?

13.Что называется красной границей фотоэффекта?

14.От чего зависит скорость вырванных электронов?

15.Объясните физический смысл выражений:

h₀=A



.