December 10 2016 04:58:30
School Nogma
Навигация
 
Авторизация
Логин

Пароль



Вы не зарегистрированы?
Нажмите здесь для регистрации .

Забыли пароль?
Запросите новый здесь.
 
ФОТОЭФФЕКТ и ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ ПЛАНКА И РАБОТЫ ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНОВ
ФИЗИКА КОЛЕБАНИЙ И ВОЛН. КВАНТОВАЯ ФИЗИКА. Методические указания

ФОТОЭФФЕКТ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ

ПЛАНКА И РАБОТЫ ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНОВ

          Цель работы: ознакомление с явлением внешнего фотоэффекта и определение постоянной Планка и работы выхода электронов из металла.

   Электромагнитное излучение обладает двойственной природой. При взаимодействии с веществом оно проявляет себя как поток частиц - фотонов  с энергией Е и импульсом Р, равными

Е = hν,    Р = kh/2π.                                          (1)

   Под действием электромагнитного излучения электроны могут вылетать из вещества. Это явление называют фотоэффектом.

   С точки зрения квантовой теории света взаимодействие света с электронами вещества можно рассматривать как неупругое столкновение фотона с электроном. При таком столкновении фотон поглощается, а его энергия передается электрону. Таким образом, в результате единичного акта  столкновения электрон приобретает дополнительную энергию.

   Кинетическая энергия электрона частично тратится на совершение выхода А против задерживающих сил, действующих в поверхностном слое вещества, а оставшаяся часть кинетической энергии есть максимальная кинетическая энергия вылетевшего фотоэлектрона. Уравнение Эйнштейна, описывающее баланс энергии для взаимодействия фотона с электроном имеет вид

hν = А + Еmax,                                               (2)

где hν - энергия поглощенного фотона, А - работа выхода электрона, Еmax - максимальная кинетическая энергия вылетевшего фотоэлектрона. Здесь предполагается, что кинетическая энергия электрона в  веществе до поглощения фотона много меньше энергии фотона.

   При экспериментальном изучении фотоэффекта  используется двухэлектродная лампа-диод. Один из электродов - катод, освещается светом определенной частоты. Вылетающие фотоэлектроны достигают анода. При фиксированной частоте и постоянной мощности  падающего света типичная зависимость силы фототока  I от приложенного напряжения U между катодом и анодом приведена на рис.1.

img09

Рис.1

   При некотором отрицательном напряжении Uз, называемом запирающим напряжением, фототок обращается в нуль. Это связано с тем, что максимальной кинетической энергии вылетающих фотоэлектронов Еmax недостаточно для совершения работы  eUз против тормозящих сил электрического поля между катодом и анодом ( e - заряд электрона). Согласно уравнению Эйнштейна (1), величина Uз  для  определенного фотокатода прямо пропорциональна частоте ν падающего света

eUз = Еmax= hν – А.                                       (3)

   Для каждого вещества существует  минимальная частота νmin, при превышении которой может наблюдаться фотоэффект. Она определяется из условия  Еmax  = 0  и описывается формулой

νmin    = А/h.                                                         (4)

Соответствующая длина волны, называемая красной границей фотоэффекта, равна

λmax = c /νmin,                                                        (5)

где  с - скорость света.

   В данной работе осуществляется экспериментальная проверка уравнения Эйнштейна (2)  для фотоэффекта и измеряются значения  постоянной Планка h  и работы выхода электронов А для материала катода.

Выполнение измерений


   Схема экспериментальной установки приведена на рис.2.  Свет от источника S через систему оптических фильтров F попадает на фотокатод К фотоэлемента Ф. Между катодом К и анодом А с блока питания Б подается регулируемое тормозящее напряжение U. Тормозящее напряжение измеряется электронным вольтметром V ,  фототок - с помощью  микроамперметра  μА.


           S                           K

                F                 A          V             mA



                                           Б 


Рис.2

   Частота ν (длина волны λ) излучения, падающего  на фотоэлемент, регулируется подбором светофильтров.  Эксперимент заключается в определении зависимости запирающего напряжения Uз   от частоты света hν .  Он проводится следующим образом:

  1. Включить осветитель и установить фильтр с определенной полосой пропускания.    

  2. Включить блок питания и вольтметр .

  3. Управляя напряжением блока питания  снять зависимость фототока, измеряемого микроамперметром, от задерживающего напряжения, измеряемого вольтметром.

  4. Провести аналогичные измерения для других светофильтров. Результаты измерений занести в таблицу  1.






                                                                                                               Таблица 1

λсредн  светофильтра №    измерений U I

1


2


3


4


5


1


2


3


4


5


1


2


3


4


5


          Обработка результатов измерений заключается в следующем:

  1. Построить графики зависимости фототока I  от задерживающего напряжения U  для различных значений частоты падающего света.

  2. Экстраполируя полученные кривые до их пересечения с осью U, определить значения запирающего напряжения Uз для используемых частот света ( см. рис.3 ). При экстраполяции кривых малые значения фототока использовать не следует.

img10

Рис.3

Результаты определения запирающего напряжения занести в таблицу 2.

                                                      Таблица 2

Uз λсредн νсредн

















  1. Используя табл. 2, построить график зависимости запирающего напряжения Uз от частоты света ν. Согласно уравнению (3) запирающее напряжение линейно зависит от частоты света

Uз  =  hν /c  -  A/e,

причем угловой коэффициент  k  наклона прямой равен   h/e. Это позволяет определить постоянную Планка по формуле

h  =  ke.

Коэффициент  k   наклона прямой  определяется с помощью построенной зависимости Uз(ν).

  1. Экстраполируя график зависимости Uз(ν) до пересечения с осью абсцисс, определить частоту νmin, при которой запирающее напряжение обращается в нуль. Определить работу выхода электронов на основе формулы (4)

A  = hνmin

  1. Оценить ошибку измерения работы выхода  DА.


Контрольные вопросы


  1. Что такое фотоэффект?

  2. Чем определяется максимальная кинетическая энергия вылетающих фотоэлектронов?

  3. Что такое красная граница фотоэффекта?

  4. Как оценить напряжение запирания?


Список рекомендуемой литературы

  1. Савельев И.В.  Курс общей физики.  М.: Наука, т.3,  гл.2.

  2. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Атомная и ядерная физика. ч.1,  М.: Наука, гл.1.

Комментарии
Нет комментариев.
Добавить комментарий
Пожалуйста, залогиньтесь для добавления комментария.
Рейтинги
Рейтинг доступен только для пользователей.

Пожалуйста, авторизуйтесьили зарегистрируйтесь для голосования.

Нет данных для оценки.

Время загрузки: 0.09 секунд 4,204,147 уникальных посетителей