Описание лабораторных работ одним архивом (Описание работы №53)

Посмотреть архив целиком

В редакции А.Н.Седова для студентов ИПЭЭФ

Лаборатоная работа №53


ИЗУЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА


Цель работы –экспериментальная проверка уравнения Эйнштейна для внешнего фотоэффекта; определение красной границы фотоэффекта, работы выхода фотокатода и постоянной Планка.


1. Теоретические основы работы


Внешним фотоэлектрическим эффектом или фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием света. Закономерности фотоэффекта изучаются на установке, принципиальная схема которой приведена на рис. 1. Установка состоит из вакуумного диода (фотоэлемента), источника питания и измерительных приборов. В стеклянной колбе фотоэлемента имеется окно, изготовленное из кварцевого стекла, через которое освещается фотокатод.




Электроны, испущенные вследствие фотоэффекта с катода К, под действием электрического поля перемещаются к аноду А. В результате в цепи фотоэлемента возникает фототок, измеряемый гальванометром G. Напряжение между анодом и катодом, измеряемое вольтметром V, можно изменять с помощью потенциометра П. С помощью данной установки измеряется зависимость силы фототока от напряжения между анодом и катодом, которая называется вольтамперной характеристикой фотоэлемента. Типичная вольтамперная характеристика фотоэлемента приведена на рис. 2.

Х
арактерными величинами на вольтамперной характеристике являются сила тока насыщения
Iн (максимальное значение силы фототока, достигаемое при некотором значении напряжения между анодом и катодом фотоэлемента, и не изменяющееся при дальнейшем росте напряжения) и напряжение запирания UЗ – отрицательное напряжение, при котором сила фототока становится равной нулю.

Исследование зависимости силы тока насыщения и запирающего напряжения от освещенности фотокатода и спектрального состава излучения позволяет установить закономерности фотоэффекта. Для этого снимается два семейства вольт-амперных характеристик – при фиксированной освещенности фотокатода и различном спектральном составе излучения (при различных длинах волн); при постоянном спектральном составе излучения и различных значения освещенности фотокатода.

Анализ семейства вольт-амперных характеристик позволяет установить закономерности фотоэффекта.

1. Для данного спектрального состава излучения сила фототока насыщения прямо пропорционалена освещенности фотокатода.

2. Запирающее напряжение прямо пропорционально частоте излучения и не зависит от освещенности фотокатода.

3. Для каждого материала фотокатода существует свое максимальное значение длины волны или минимальное значение частоты света, освещающего фотокатод, при которых еще возможен фотоэффект. Эти значения длины волны или частоты называются красной границей фотоэффекта – кр и кр . При больших значениях длины волны или при меньших значения частоты фототок не возникает.

Теоретическое объяснение закономерностей фотоэффекта было дано А. Эйнштейном, который предположил, что свет поглощается такими же порциями (квантами), какими он, по гипотезе Планка, испускается. Так появилось представление о свете как потоке частиц – фотонов, с энергией ( – постоянная Планка).

С этих позиций фотоэффект заключается в поглощении фотонов электронами вещества, которые, усвоив полностью энергию поглощенного фотона , могут покинуть вещество, затратив на это энергию, которая называется работой выхода A. Остаток энергии представляет собой кинетическую энергию Eк электрона, покинувшего вещество. Электрон может потерять часть энергии вследствие случайных столкновений в веществе. Если этими потерями пренебречь, то кинетическая энергия свободного электрона будет максимальной. Можно записать соотношение, выражающее закон сохранения энергии для электрона, получившего энергию фотона:

(1)


которое называется уравнением Эйнштейна для фотоэффекта.

При отрицательном напряжении между анодом и катодом фотоэлемента фотоэлектроны движутся в тормозящем поле. Преодолеть тормозящее поле и достичь анода могут только электроны, имеющие достаточную кинетическую энергию. Отсюда следует, что напряжение запирания на вольтамперной характеристике связано с максимальной кинетической энергией фотоэлектронов:

(2)

где e – заряд электрона.

Для анализа закономерностей фотоэффекта, наблюдаемых в эксперименте, уравнение Эйнштейна (1) удобно записать в виде


(3)


Красная граница фотоэффекта соответствует частоте (или длине волны) света, которым освещается фотокатод, при которой кинетическая энергия фотоэлектронов и, следовательно, напряжение запирания равны нулю.

Из формулы Эйнштейна следует, что значение частоты, соответствующей красной границе фотоэффекта, определяется работой выхода материала фотокатода:


(4)

В лабораторной работе производится экспериментальная проверка уравнения Эйнштейна для внешнего фотоэффекта, для чего снимаются вольтамперные характеристики фотоэлемента в области запирания фототока, определяются значения напряжения запирания для трех длин волн света и строится график зависимости максимальной кинетической энергии электронов от циклической частоты излучения, освещающего фотокатод (рис. 3).




Соответствие этого графика функциональной зависимости (3) дает основание говорить о справедливости уравнения Эйнштейна, а коэффициенты уравнения прямой, описывающей эту зависимость, найденные с помощью аналитической или графической аппроксимации, позволяют определить постоянную Планка, работу выхода материала фотокатода и красную границу фотоэффекта.


2. Описание экспериментальной установки


Схема экспериментальной установки для исследования фотоэффекта приведена на рис. 4.


Установка состоит из фотоэлемента Ф-22 с сурьмяно-цезиевым катодом, универсального осветителя ИС, источников питания лампы осветителя ИП1 и фотоэлемента ИП2 и ИП3, вольтметра V1, измеряющего падение напряжения на резисторе в цепи фотокатода, пропорциональное силе фототока и вольтметра V2, измеряющего напряжение между анодом и катодом фотоэлемента. Для того чтобы из сплошного спектра излучения лампы накаливания выделять узкий спектральный диапазон используется монохроматор УМ-2. В монохроматоре с помощью системы призм П происходит разложение белого света в спектр. С помощью поворотного устройства, привод которого осуществляется барабаном БМ, отградуированным в угловых градусах, на выходную щель Щ2 монохроматора направляется та или иная часть спектра.

Интенсивность излучения лампы ИС изменяется регулированием выходного напряжения источника питания лампы ИП1. Источники питания ИП2 и ИП3 создают на фотоэлементе соответственно ускоряющее и задерживающее напряжения и используются для снятия вольтамперной характеристики в области положительных и отрицательных значений напряжения.

К монохроматору прилагается градуировочный график, который позволяет переводить значения углов установки барабана в длину волны света, падающего на выходную щель.


3. Порядок выполнения работы


1. Заполните табл. 1 спецификации измеритиельных приборов и запишите данные установки.

Таблица 1

Спецификация измерительных приборов


Название прибора и его тип

Пределы измерения

Цена деления

Инструментальная погрешность






Данные установки


Сопротивление резистора в цепи фотокатода R = кОм


2. Измерьте зависимость силы фототока от напряжения между катодом и анодом фотоэлемента в области отрицательных значений напряжения.

включите источники питания лампы накаливания, фотоэлемента и измерительные приборы.

установите силу тока накала лампы в пределах 6 – 7 А;

переключите тумблер на источнике питания фотоэлемета в положание «Задерживающее напряжение»;

пользуясь градуировочной кривой установите с помощью барабана монохроматора заданную длину волны света;

уменьшая напряжения на фотоэлементе от нуля до полного запирания с шагом 0,05 В; измерьте и запишите в табл. 2 зависимость силы фототока от напряжения (сила фототока равна отношению падения напряжения на резисторе, включенном в цепь фотокатода, к сопротивлению резистора);

повторите измерения еще для двух других длин волн.


Таблица 2


Зависимость силы фототока от напряжения между катодом и анодом фотоэлемента


Установленное значение напряжения U, B

1 = нм

2 = нм

3 = нм

Сила тока, мкА















4. Обработка результатов измерений


1. Определите напряжения запирания для трех длин волн света, освещающего фотокатод, для чего:

– по результатам измерений (табл. 2) постройте графики зависимости силы фототока от напряжения и определите потенциалы запирания для трех длин волн;

– постройте график зависимости максимальной кинетической энергии фотоэлектронов (модуль произведения заряда электрона на напряжение запирания |eUз|) от частоты и, согласно уравнению (3), определите постоянную Планка и работу выхода материала фотокатода и частоту, соответствующую красной границе фотоэффекта.


5. Контрольные вопросы


1. В чем заключается явление внешнего фотоэффекта?

2. Сформулируйте основные закономерности фотоэффекта.

3. Что называется красной границей фотоэффекта?

3. Напишите и сформулируйте уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

4. Что называется работой выхода?

5. Почему в уравнение Эйнштейна входит максимальное значение кинетической энергии фотоэлектронов?

6. Какая характеристика материала фотокатода определяет значение красной границы фотоэффекта?

7. Нарисуйте вольтамперные характеристики фотоэлемента для различных длин волн.

5