Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3-7.doc
Скачиваний:
5
Добавлен:
01.05.2014
Размер:
123.39 Кб
Скачать

1 Лабораторная работа 3-7

Изучение явления внешнего фотоэффекта . Определение постоянной Планка

    1. Цель работы

Целью работы является изучение явления внешнего фотоэффекта: исследование зависимости фототока от освещенности падающего на катод излучения.

1.2 Оборудование

Лабораторная установка ФПК-10: фотоэлемент 2 шт., осветитель (лампа спектральная, ртутная), интерференционные светофильтры 4 шт., измерительное устройство.

1.3 Метод измерений

Постоянная планка рассчитывается на основании совместных измерений, включающих прямые измерения фототока и задерживающего потенциала при различных частотах электромагнитного излучения формирующих фототок.

1.4 Подготовка к работе

В ходе подготовки к выполнению лабораторной работы студенты знакомятся с теоретической частью настоящего методического указания (п.1.5). кроме того они подготавливают бланк отчета по лабораторной работе, содержащей титульный лист, который должен содержать цель работы (п.1.1), краткое описание (п.1.2), экспериментального оборудования и письменные ответы на контрольные вопросы при использовании теоретической части ( п.1.5) и рекомендуемой литературы.

    1. Теоретическая часть

1.5.1 Основные формулы

Явление вырывания электронов с поверхности металла под действием света называют внешним фотоэффектом. Согласно квантовой теории, свет – это поток фотонов, каждый из которых обладает энергией

E=h, (1.1)

где h – постоянная Планка,  - частота света.

При взаимодействии фотонов, попавших в металл, с одним из свободных электронов, он полностью отдает ему свою энергию.

Если энергия фотона больше работы А0, необходимой для удаления электрона с данного энергетического уровня, то электрон может покинуть пределы металла.

По закону сохранения энергии

, (1.2)

где - энергия (1.1) фотона,- кинетическая энергия вышедших из металла электронов,A0 - работа вырывания электронов; m – масса электрона; v – скорость электрона.

При облучении металла монохроматическим светом с определенной длиной волны энергия фотона постоянна.

Работа А0, необходимая для удаления электронов с различных энергетических уровней, различна, испускаемые фотоэлектроны, при этом, будут иметь различную кинетическую энергию и скорость.

При вырывании электронов с уровня Ферми работа вырывания минимальна и равна работе выхода электронов из металла А0. Кинетическая энергия электронов и скорости фотоэлектронов при вырывании электронов с уровня Ферми, достигают в этом случае максимального значения и уравнение (1.2) будет в виде

. (1.3)

1.5.2 законы внешнего фотоэффекта

Первый закон фотоэффекта: cкорость фотоэлектронов является функцией частоты. С увеличением частоты скорость возрастает. Если частота света такова, что

, (1.4)

то электроны из металла вылетать не будут. Частота 0, начиная с которой вылет электронов прекращается, называется красной границей фотоэффекта.

Второй закон фотоэффекта: скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности излучения, следовательно, и энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности излучения.

Третий закон фотоэффекта: число фотоэлектронов, вылетающих в единицу времени с единицы поверхности пропорциональна интенсивности излучения,

В металлах свободные электроны проводимости находятся в своеобразной потенциальной яме глубиной W0 (рис. 1.1). На рис.1.1 по оси ординат откладывается энергия электронов W . Согласно положениям квантовой механики в этой яме каждый из электронов проводимости может обладать лишь определенной кинетической энергией, т.е. он может заполнять лишь определенные энергетические уровни. На рис.1.1 энергетические уровни изображаются горизонтальными линиями. Согласно принципу Паули на каждом энергетическом уровне может находится не более двух электронов

W

W0 A0

Рисунок 1.1 – Схема энергетических уравнений потенциальной ямы

При абсолютной температуре Т = 0электроны проводимости занимают все возможные нижние уровни. Самый верхний уровень, заполняемый электронами, называют уровнем Ферми.

Кинетическую энергию , которой обладают электроны, находящиеся на этом уровне, называют энергией Ферми. Согласно рис.1.1, для удаления электрона из металла над ним надо совершить работу , где знак “больше” относится к случаю удаления электронов с уровня, лежащего ниже уровня Ферми. При удалении электрона с уровня Ферми, работа по удалению электронов из металла достигает минимального значения. Эту работу называют работой выхода электрона из металла. Работа выхода А0 не зависит от температуры и является характеристикой металла.

      1. Фотоэлемент и его вольтамперная характеристика

Явление внешнего фотоэффекта используется в вакуумных и газонаполненных элементах.

Вакуумный фотоэлемент представляет собой откачанный до высокого вакуума стеклянный баллон (рисунок 1.2), на внутренней поверхности которого имеется слой металла, играющий роль фотокатода К. Между катодом и вторым электродом, т.е анодом А подается напряжение. При освещении катода фотоэлектроны, вылетающие из него, ускоряются электрическим полем, попадают на анод А, и по цепи протекает фототок, измеряемый микроамперметром МкА.

К А

А

V

Рисунок 1.2 – Схема включения фотоэлемента в цепь

Значение фототокаI зависит от напряжения U между анодом и катодом. На рис. 1.3 изображена кривая зависимости фототока от напряжения при неизменной освещенности катода (вольтамперная характеристика фотоэлемента).

Положительному значению напряжения U соответствует прямое подключение источника напряжения U к фотоэлемнту 4 рисунок 1.4. Отрицательному значению напряжения U соответствует обратное подключение фотоэлемента к источнику напряжения.

При достаточно большом напряжении фототок достигает тока насыщения участок (сd)

I с d

a

Ia

I0

U U

Рис. 1.3 – Зависимость фототока I от напряжения U при постоянной освещенности

I0 – фототок при напряжении U = 0, Ia – фототок насыщения. При напряжении U=0 , фототок I0 , это свидетельствует о наличии кинетической энергии у фотоэлектронов. При увеличении задерживающего напряжения, когда на электрод К (см. рис.1.2) подается более высокий потенциал, чем на электрод А, фототок уменьшается не сразу, а постепенно участок (ав).

Вначале задерживаются электроны с малой кинетической энергией, затем с большей и при запирающем напряжении U=Uз - с максимальной энергией.

      1. Определение постоянной Планка

Фототок, через фотоэлемент измеряемый микроамперметром МкА, становится равным нулю, когда работа задерживающего поля становится равной максимальной кинетической энергии фотоэлектрона

; (1.5)

. (1.6)

Измерим запирающее напряжение Uз вольтметром V (рис. 1.2) при освещении фотокатода светом с частотой U1 , а затем запирающее напряжение Uз при его освещении светом с частотой U2

; (1.7)

. (1.8)

Из соотношения (1.7) и (1.8) получим

, (1.9)

т.к. . (1.10)

Формула (1.9) будет в виде

. (1.11)

Из формулы (1.11)

, (1.12)

где с - скорость света в вакууме с = 3 108 мс-1, е - заряд электрона е = 1,610-18 Кл, и- длины волн света.