Описание экспериментальной установки

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ ПЛАНКА

МЕТОДОМ ЗАДЕРЖИВАЮЩЕГО ПОТЕНЦИАЛА

 

Цель работы: определение красной границы фотоэффекта и постоянной Планка.

Приборы и принадлежности: вакуумный фотоэлемент СЦВ-4, монохроматор, лампа накаливания, вольтметр, чувстви­тельный микроамперметр (Ф-195), набор светофильтров, выпрямитель.

Литература: [7, § 9.1, 9.2]; [34, гл. II]; [39, ч. 1, гл. 1, § 2].

Введение

 

При взаимодействии фотона с электроном, находящимся в ве­ществе, выполняется закон сохранения энергии. В результате по­глощения света энергия электрона возрастает на величину, рав­ную энергии фотона. Если это изменение энергии превышает ра­боту выхода электрона из вещества, то электрон может покинуть вещество и стать свободным. Такой электрон называется фото­электроном. Для фотоэлектрона можно записать закон сохране­ния в виде

,                                            (1)

где v_max — максимальная скорость вылетевшего электрона; А _вых — работа выхода; υ – частота поглощенного света.

Это соотношение называется уравнением Эйнштейна. Если фо­тоэлектрон отдает часть своей энергии атомам вещества, то его скорость после вылета будет меньше, чем v_max. Из уравнения (1) видно, что вылет электрона возможен, если энергия фотона бу­дет больше, чем работа выхода. Минимальную частоту света , при которой возможен фотоэффект, называют красной границей фотоэффекта. Величина находится из условия

                                                 (2)

Так как при частоте света, превышающей красную границу, фотоэлектроны обладают некоторой скоростью, то через фото­элемент будет протекать фототок и при напряжениях, при кото­рых анод будет иметь отрицательный потенциал относительно фо­токатода. Такое напряжение называют задерживающим, потому что электрон отталкивается от анода и, если его скорость невели­ка, то может вернуться на фотокатод. Общий вид вольтамперной характеристики вакуумного фотоэлемента изображен на рис. 4.2.1. Отрицательные напряжения представляет область  задерживающих напряжений. При некотором напряжении фототок обращается в нуль. Значение этого напряжения определяется соотношением

                                          (3)

и уравнение Эйнштейна для этого случая принимает вид

                                           (4)

График зависимости U _зот частоты падающего на фотокатод света представлен на рис. 4.2.2. Из этого графика можно опреде­лить постоянную Планка

                         (5)

и работу выхода

,                                         (6)

где U ₁ и U ₂ — задерживающие напряжения, когда фототок обра­щается в нуль при частотах света υ₁ и υ₂ соответственно.

Описание экспериментальной установки

 

В работе используется вакуумный фотоэлемент ФЭ, катод ко­торого сделан из сурьмяно-цезиевого сплава. Электрическая схема установки изображена на рис. 4.2.3, общий вид установки – на фото 1.

Рис. 4.2.3

 

Для определения красной границы фотоэффекта фотоэлемент закрепляется в патроне (С УЧЕТОМ ПОЛЯРНОСТИ), как показано на фото 2, и вставляется в специальный кожух на выходе монохроматора (см. фото 3). Белый свет от лампы накаливания 1 (рис. 4.2.4) направляется через конденсор 2 на входную щель 3 онохроматора и проходит призму 4. В результате разложения белого света в спектр на выходную щель 6 монохроматора, которая пропускает свет к фотоэлементу ФЭ, попадает излучение сравнительно узкого спектрального диапазона: ширина этого диапазона определяется шириной выходной щели, которая может регулироваться специальным винтом.

               

 

Вращая призму с помощью барабана, находящегося в средней части монохроматора, можно направить на выходную щель и фотоэлемент свет различных длин волн. На барабан нанесены деле­ния в градусах. Градусы могут быть переведены в длины волн с помощью калибровочного графика, который прилагается к монохроматору и дан в Приложении 1 к данной работе.

 

Для оценки величины постоянной Планка необходимо снять вольтамперную характеристику фотоэлемента в области тормо­зящего поля при двух значениях частоты падающего света. Для этого фотоэлемент закрепляется на панели напротив лампы нака­ливания (фото 4), перед которой поочередно устанавливаются фильтры, определяющие частоту света. Фильтры  (фиолетовый, λ_ф=0,42 мкм; зеленый, λ_зел=0,48 мкм; оранжевый, λ_ор= 0,62 мкм) пропускают сравнительно широкий интервал длин волн Δλ/λ≈15%, так что значения длины волны, указанные на фильтрах, являются лишь ориентировочными.

Для измерения токов используется стрелочный микроамперметр Ф-195 (фото 5), для изме­рения запирающего напряжения – цифровой вольтметр В7-35 с индикацией результата измерения в цифровой форме и с автоматическим вы­бором предела измерения. Источником задерживающего напряжения является ИЭПП (вольтметр и источник постоянного напряжения ИЭПП вы видите на фото 1 под барабаном монохроматора). Величина задерживающего напряжения регулируется ручкой П потенциометра (указана стрелкой на фото 4).