Сутність лабораторної роботи і методика експерименту

1 2

Міністерство освіти і науки України

Технологічний інститут

Східноукраїнського національного університету

Імені Володимира Даля

(м. Сєвєродонецьк)

Дисципліна ___загальна фізика_______________________

ЗВІТ

З лабораторної роботи

ДОСЛІДЖЕННЯ ЗАКОНОМІРНОСТЕЙ

ЗОВНІШНЬОГО ФОТОЕФЕКТУ

(назва лабораторної роботи)

студента ________________________________

(ПІБ)

групи _____________________

(шифр групи)

______________________

(підпис студента)

Викладач _____________________

(ПІБ)

_____________________

(дата, підпис викладача)

Дослідження закономірностей

Зовнішнього фотоефекту

Мета роботи: ознайомитися з явищем зовнішнього фотоефекта, зняти вольт-амперну характеристику фотоелемента, визначити сталу Планка.

Устаткування: 1. Оптична лава.
2. Блок живлення ВУП-2.

3. Вакуумний фотоелемент.
4. Освітлювач.
5. Вольтметр.
6. Амперметр.
7. Блок живлення освітлювача.
8. Набір світлофільтрів.

Теоретична підготовка: за підручниками[1 -6] чи конспектом лекцій необхідно вивчити тему «Зовнішній фотоефект». Звернути увагу на поняття роботи виходу електрона з металу, затримуючої напруги, ознайомитися з закономірностями фотоефекта і теорією Ейнштейна для фотоефекта.

Сутність лабораторної роботи і методика експерименту

Виривання електронів з металу під дією світла називається зовнішнім фотоефектом. Сутність фотоефекта пояснюється квантовою теорією випромінювання. Випромінювання світла відбувається не безупинно, а окремими порціями – квантами (фотонами). Енергія кванта ε = h ν (де ν - частота світла). Якщо на поверхню металу падає квант світла, то його енергія витрачається на виривання електрона з металу і повідомлення йому кінетичної енергії. Це явище описується рівнянням Ейнштейна:

hν = A _В + m v²_max/ 2 (6.1)

У цьому рівнянні А_В - робота виходу електрона з металу, що являє собою мінімальну кількість енергії, яку потрібно повідомити електрону для того, щоб видалити його з металу без повідомлення якої-небудь швидкості. З рівняння (6.1) випливає, що енергія кванта витрачається на роботу виходу А_В і на повідомлення електрону деякої кінетичної енергії
m v²_max/ 2. Крім того, з рівняння Ейнштейна випливають закономірності зовнішнього фотоефекта, що відкрив і досліджував експериментально О.Г.Столєтов.

1) Швидкість фотоелектронів є функцією частоти. Зі збільшенням частоти швидкість зростає. Якщо частота світла така, що
h ν < A_В, тоді електрони з металу не будуть вилітати. Частота ν₀, починаючи з який відбувається виліт фотоелектронів, називається червоною границею («межею»)фотоефекта.

2) Швидкість електронів не залежить від інтенсивності випромінювання.

3) Число фотоелектронів, що вилітають в одиницю часу з одиниці поверхні при даній довжині хвилі випромінювання, пропорційне інтенсивності світлового випромінювання. Інтенсивність випромінювання визначається числом фотонів, а рівняння Ейнштейна застосується до кожного елементарного акту.

В даний час у науці і техніці широке застосування одержали фотоелементи – прилади, в основі дії яких лежить явище фотоефекта. Як приклад можна привести системи керування і сигналізації, техніку кіно і телебачення. Пристрій фотоелемента з зовнішнім фотоефектом показане на рис.6.1.

Рисунок 6.1.

Частини внутрішньої поверхні скляного балона, з якого відкачане повітря, покриті тонким шаром світлочутливого металу (це може бути калій, натрій, цезій і ін.), а інша частина поверхні залишається непокритою металом. Світлочутливий шар служить катодом і підключається до мінуса джерела струму, а анодом служить металева петля А. При висвітленні світлочутливого шару металу з нього випускаються електрони, що будуть переміщатися до анода, замикаючи коло і утворювати фотострум. Сила фотоструму реєструється мікроампером. У деяких випадках для посилення фотоструму балони фотоелемента наповняють інертним газом (неоном, аргоном): у такому випадку кожен фотоелектрон викликає на своєму шляху іонізацію атомів газу, що породжує іонний струм.

Якщо збільшити напругу між катодом і анодом, то фотострум буде рости до певного значення, називаного фотострумом насичення. Подальше підвищення напруги вже не призведе до збільшення струму. Залежність фотоструму від напруги виражають кривою, називаною вольтамперною характеристикою фотоелемента (див. рис. 6.2).

Рис.6.2

Для вивчення закономірностей фотоефекта можна скористатися схемою, зображеної на мал. 6.3.

ИП Ф Л

V А

Малюнок 6.3.

Як джерело живлення використовується випрямлювач із плавним регулюванням напруги від 0 до 250 В. Освітлювач являє собою ліхтар з лампочкою, розташованою у фокусі увігнутого дзеркала так, що пучок рівнобіжних променів, відбиваючись від нього і пройшовши діафрагму з лінзою, далі направляється на фотоелемент.

Фотоелемент і освітлювач укріплені на профільній лінійці Л і здатні вільно переміщатися уздовж її.

У ході виконання роботи необхідно зняти вольтамперну характеристику фотоелемента для двох значень інтенсивності світла. Інтенсивність зменшується при видаленні освітлювача від фотоелемента. Для цього на катод подається негативний потенціал, на анод – позитивний. При подачі зворотної напруги (катод – «плюс», анод – «мінус») можна визначити затримуючу напругу в залежності від частоти світла (змінюючи світлофільтри).

Відповідно до рівняння (6.1)

h ν = Aв + е U_з, (6.2)

тому що робота електричного поля по гальмуванню електронів еUз дорівнює зміні кінетичної енергії електрона m v²_max / 2.

З (5.2) одержимо:

U_з = ν – (6.3)

Рівняння (6.3) є рівнянням прямої, а - кутовим коефіцієнтом, який дорівнює тангенсу кута нахилу графіка до осі абсцис:
,
звідси . При цьому визначається з ∆ АВС (див. мал. 6.4)
.