Лабораторный практикум по физике для вечернего фак 2007

Контрольные вопросы

1.Для чего нужен когерентный фон (опорный луч) при голографической записи изображений?

2.Как производится восстановление голографического изображения?

3.В каком порядке дифракции наблюдается голографическое изображение?

4.Что произойдет с изображением, если перекрыть часть поверхности голограммы?

5.При записи интерферограммы рядом с пластиной был установлен предмет. Каким является изображение этого предмета – мнимым или действительным?

6.Почему при восстановлении интерферограммы мы наблюдаем систему полос, а при восстановлении обычной голограммы такие полосы не наблюдаются?

161

ЛИТЕРАТУРА

Работа 10

•Савельев И.В. Курс общий физики. Книга 4.Волны.Оптика. М.:

ООО«Издательство Астрель», ООО «Издательство АСИ». 2002.

стр.69-70.

•Иродов И.Е. Волновые процессы. Основные законы. М.: «Лаборатория Базовых Знаний». 1999. стр.69-70

Работа 11

•Савельев И.В. Курс общий физики. Книга 4.Волны.Оптика. М.:

ООО«Издательство Астрель», ООО «Издательство АСИ». 2002.

стр.81-89.

•Иродов И.Е. Волновые процессы. Основные законы. М.: «Лаборатория Базовых Знаний». 1999. стр.71-73

Работа 12

•Савельев И.В. Курс общий физики. Книга 4.Волны.Оптика. М.:

ООО«Издательство Астрель», ООО «Издательство АСИ». 2002.

стр.93-110.

•Иродов И.Е. Волновые процессы. Основные законы. М.: «Лаборатория Базовых Знаний». 1999. стр.81-94

Работа 13

•Савельев И.В. Курс общий физики. Книга 4.Волны.Оптика. М.:

ООО«Издательство Астрель», ООО «Издательство АСИ». 2002.

стр.119-120.

•Иродов И.Е. Волновые процессы. Основные законы. М.: «Лаборатория Базовых Знаний». 1999. стр.106-107

Работа 14

•Савельев И.В. Курс общий физики. Книга 4.Волны.Оптика. М.:

ООО«Издательство Астрель», ООО «Издательство АСИ». 2002.

стр.134-143, 164-167.

•Иродов И.Е. Волновые процессы. Основные законы. М.: «Лабора-

тория Базовых Знаний». 1999. стр.121-124, 150-157.

Работа 15

•Савельев И.В. Курс общий физики. Книга 4.Волны.Оптика. М.:

ООО«Издательство Астрель», ООО «Издательство АСИ». 2002.

стр.188-192.

162

•Иродов И.Е. Волновые процессы. Основные законы. М.: «Лаборатория Базовых Знаний». 1999. стр.177-181

Paбота 16

•P. Фейнман, Р.Лейтон, М.Сэндс «Фейнмановские лекции по фи-

зике», т.3, «Мир», 1967, стр. 83-90, 110-115.

Работа 17

•Савельев И.В. Курс общий физики. Книга 4.Волны.Оптика. М.:

ООО«Издательство Астрель», ООО «Издательство АСИ», 2002.

стр.183-187.

•Иродов И.Е. Волновые процессы. Основные законы. М.: «Лаборатория Базовых Знаний». 1999. стр.165-169

•Физическая энциклопедия. Т.1. М.: Сов. Энциклопедия. 1990.

•Тарасов Л.В. Знакомьтесь - лазеры. М.: Радио и связь, 1988. стр.192 (Науч. - попул. библиотека школьника).

•Тарасов Л.В. Лазеры: Действительность и надежды. М.: Наука, 1985. (Библиотечка «Квант»; вып. 42).

•Годжаев Н.М. Оптика. М.: Высшая школа. 1977. стр. 204 - 221

163

ИЗЛУЧЕНИЯ И СПЕКТРЫ

Работа 18 ВНЕШНИЙ ФОТОЭФФЕКТ

Цель работы: наблюдение внешнего фотоэффекта; определение величины силы тока насыщения.

Введение

Внешним фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называется явление вырывания электронов из твердых тел и жидкостей под действием света.

Опытным путем установлены три закона фотоэффекта.

1.При неизменном спектральном составе света количество вырываемых светом электронов (фотоэлектронов) прямо пропорционально световому потоку, падающему на поверхность – закон Столетова.

2.Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой падающего света и не зависит от его интенсивности - закон Эйнштейна.

3.Для каждого вещества существует граничная частота света ν0

(красная гpаница фотоэффекта), ниже которой фотоэффект не наблюдается.

Электрическая схема прибора для наблюдения фотоэффекта приведена на рис. 18.1.

Свет, проникающий через окошко О, освещает катод К, изготовленный из исследуемого материала. Электроны, испущенные вследствие фотоэффекта, перемещаются под действием электрического поля к аноду А. В результате в цепи течет фототок, измеряемый микроамперметром мкА. Напряжение между анодом и катодом можно изменять с помощью потенциометра П. Это напряжение измеряется вольтметром V.

164

Рис.18.1

Полученная на таком приборе вольт-амперная характеристика (т.е. кривая зависимости фототока I от напряжения между электродами U ) приведена на рис. 18.2.

Рис.18.2

Характеристика снимается при неизменном световом потоке. При некотором, не очень большом напряжении фототок достигает насыщения (рис.18.2) - все электроны, испущенные катодом, попадают на анод. Следовательно, сила тока насыщения определяется количеством электронов, испускаемых катодом в единицу времени под действием света. Пологий ход кривой указывает на то, что электроны вылетают из катода с различными скоростями. Доля электронов, отвечающая силе тока при U = 0, обладает скоростями, достаточными для того, чтобы долететь до анода «самостоятельно», без помощи ускоряющего поля. Для обращения силы тока

165

в нуль нужно приложить задерживающее напряжение UЗ . При таком напряжении ни одному из электронов, даже обладающему при вылете из катода наибольшим значением скорости Vm , не удается

преодолеть задерживающее поле и достигнуть анода. Поэтому можно написать (считая вылетевший электрон нерелятивистским), что

	mV 2	= eUЗ ,
	m		(18.1)
	2

где m - масса электрона. Таким образом, измерив задерживающее напряжение UЗ , можно определить максимальное значение скоро-

сти фотоэлектронов.

Законы фотоэффекта противоречат классическим представлениям о волновой природе света, согласно которым скорость фотоэлектронов должна зависеть от амплитуды электромагнитной волны, т.е. от интенсивности света. Однако все закономерности фотоэффекта объясняются квантовой теорией света, согласно которой свет испускается, поглощается и распространяется в виде квантов электромагнитного поля, называемых фотонами. Энергия E фотона прямо пропорциональна частоте ν излучения:

E = hν.	(18.2)
Коэффициент пропорциональности	называется постоянной
Планка ( h = 6, 62 10−34 Дж с).

Ограничимся случаем фотоэффекта с поверхности металлов, обусловленным поглощением фотонов электронами проводимости. Электроны проводимости не могут самопроизвольно покидать металл в заметном количестве. Для того чтобы электрон проводимости мог покинуть поверхность металла, он должен приобрести энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера, существующего вблизи поверхности металла.

Силы, обуславливающие этот барьер, имеют следующее происхождение. Случайное удаление электрона от наружного слоя положительных ионов приводит к возникновению в том месте, которое покинул электрон, избыточного положительного заряда. Кулоновское взаимодействие с этим зарядом заставляет электрон, скорость которого не очень велика, вернуться обратно. Таким образом, от-

166

дельные электроны все время покидают поверхность металла, удаляются от него на несколько межатомных расстояний и возвращаются обратно. В результате металл оказывается окруженным тонким облаком электронов. Это облако образует совместно с наружным слоем ионов двойной электрический слой. Силы, действующие на электрон в таком слое, направлены внутрь металла. Они и создают потенциальный барьер.

Наименьшая энергия, которую нужно сообщить электрону для того, чтобы удалить его из твердого или жидкого тела в вакуум, называется работой выхода A . Работа выхода существенно зависит от рода вещества и очень чувствительна к состоянию поверхности металла, в частности к ее чистоте.

Если электрон освобождается светом не у самой поверхности, а на некоторой глубине, то часть энергии, равная E′, может быть потеряна вследствие случайных столкновений в веществе. Остаток

энергии образует кинетическую энергию mV 2		2 электрона,	поки-
нувшего вещество. Энергия mV 2 2	будет	максимальна,	если
E′ = 0 . В этом случае должно выполняться равенство
hν = A + (mV 2	2)max .		(18.3)

Соотношение (18.3) называется уравнением Эйнштейна.

Из формулы (18.3) следует, что в случае, когда работа выхода A превышает энергию кванта, т.е. hν < A , электроны не могут покинуть металл. Частота ν0 , или соответствующая ей длина волны λ0 , называется красной границей фотоэффекта

ν0 = A h , ( λ0 = c ν0 = ch A ).

(18.4)

где c - скорость света в вакууме.

Методика выполнения работы

Для изучения явления фотоэффекта в работе используется промышленный вакуумный фотоэлемент СЦВ-4, представляющий собой стеклянный откачанный сосуд, на внутреннюю поверхность которого нанесен сурьмяно-цезиевый фоточувствительный слой.

167

Рис.18.3

Схема установки изображена на рис. 18.3. Фотоэлемент ФЭК, размещающийся внутри кожуха, и осветитель Осв. устанавливаются на оптической скамье и фиксируются с помощью рейтеров. Световой поток, падающий на фотокатод фотоэлемента, можно менять с помощью регулятора на блоке питания осветителя. Источником ускоряющего напряжения, подаваемого на электроды, является источник питания ИП. Значения ускоряющего напряжения устанавливаются переключателями на панели источника. (ВНИМАНИЕ! Запрещается выставлять значение 000). Изме-

рение фототока производится микроамперметром. Изменение спектрального состава излучения, падающего на фотоэлемент, достигается применением светофильтров.

Порядок проведения работы

Задание 1. Исследовать вольт-амперную характеристику фотоэлемента.

1.Включите осветитель и расположите его вплотную к окну фотоэлемента. Поверните регулятор на блоке питания осветителя в крайнее правое положение, соответствующее максимальной интенсивности светового потока.

2.Установите на источнике питания значение ускоряющего на-

пряжения U = 0,1В≈ 0 В. Запишите показания фототока I в табл. 18.1.

168

3. Увеличивая напряжение через каждые 5В, снимите зависимость силы фототока I от напряжения U . Последнее измерение производится при U = 99,9 В≈100 В. Данные занесите в табл. 18.1.

								Таблицы 18.1
Напряжение	0,1	5	10	15				95	99,9
U , В
Сила фототока
I , мкА

4.Вращением регулятора на блоке питания осветителя уменьшите интенсивность светового потока, падающий на фотоэлемент.

5.Повторите задания пп. 2−3. Данные занесите в таблицу. аналогичную таблице 18.1.

6.Постройте зависимости I от U (вольт-амперную характеристику) для двух значений освещенности на одном графике. Отло-

жите на них приборные погрешности U и I . Объясните результат измерений.

Задание 2. Обнаружить (качественно) «красную» границу фотоэффекта для вещества фотокатода.

1.Установите напряжение на фотоэлементе, соответствующее току насыщения.

2.Изменяя с помощью светофильтров спектральный состав излучения, падающего на поверхность фотокатода, проследите за по-

казаниями микроамперметра. Данные измерений занесите в табл.

3.Сформулируйте результаты наблюдений.

						Таблица 18.3
Цветность	белый	фиоле-	синий	зеленыйжелтый		оран-	красный
излучения		товый				жевый
Сила фо-
тотока
IH , мкА

169

Контрольные вопросы

1.Сформулируйте законы фотоэффекта.

2.В чем законы фотоэффекта противоречат представлениям волновой теории света?

3.Почему при U = 0 сила фототока отлична от нуля?

4.Как объяснить наличие тока насыщения у фотоэлементов?

5.Можно ли, используя законы фотоэффекта, измерить величи-

ну постоянной Планка h ?

6. Как изменится величина задерживающего напряжения при увеличении длины волны падающего света?

170