Внешний фотоэффект

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3.4

ВНЕШНИЙ ФОТОЭФФЕКТ

Цель работы:

- Подтверждение основных закономерностей внешнего фотоэффекта;

- Определение работы выхода Aвых электрона, красной границы νmin фотоэффекта и максимальной энергии (εmax)кин электронов, вылетающих из материала катода фотоэлемента;

- Определение постоянной Планка h.

Теоретический минимум.

Внещним фотоэффектом*/ называется явление испускания веществом электронов с поверхности под действием света. Явление было обнаружено в конце ХIХ века Г. Герцем и всесторонне изучено А. Столетовым. Были установлены следующие три закономерности фотоэффекта:

-Электроны, выбитые светом частоты ν1 из данного вещества могут иметь разные значения кинетической энергии. Однако, ее максимальное значение (εmax)кин определяется только частотой света и не зависит от его интенсивности. При этом (εmax)кин пропорционально частоте.

-При фиксированной частоте падающего на вещество излучения количество выбиваемых электронов пропорционально интенсивности света. (

-Для каждого вещества существует своя минимальная частота света (νmin), ниже которой фотоэффект не возникает. Эта частота называется красной границей фотоэффекта.

-Первую и третью закономерности можно изобразить графически (Рис. 1).

0

νmin

(ε кин)max

 

Рис.1.

 

νmin

ν

*При внутреннем фотоэффекте электроны после взаимодействия с фотонами остаются внутри вещества.

Волновая теория света не позволила объяснить закономерностей фотоэффекта.

В 1905 г. А. Эйнштейн объяснил это явление на основе представлений

о свете как потоке частиц (фотонов) с энергией ε = hν и импульсом , где h – постоянная М. Планка.

Эйнштейна для фотоэффекта выражает закон сохранения энергии для электрона вещества после его взаимодействия со световым квантом (фотоном):

hν = Aвых + ( )max. (1)

Здесь hν – энергия, переданная квантом (фотоном) излучения электрону вещества; Aвых – минимальное количество энергии, которое требуется для удаления электрона из данного вещества, которое называется «работой выхода» выхода электрона из этого вещества; ()max – максимально возможное значение кинетической энергии электрона, покинувшего поверхность вещества, после взаимодействия с фотоном.

Эйнштейна объясняет все три закономерности внешнего фотоэффекта:

()max = hν - Aвых - показывает, что зависимость (εmax)кин от ν линейна (см. Рис. 1). При небольших плотностях потока света, падающего на поверхность вещества, один фотон может провзаимодействовать только с одним электроном. Следовательно, чем большее количество фотонов падает на поверхность вещества ( т. е. чем больше интенсивность падающего на него света), тем бо¢льшее количество электронов может быть ими выбито из вещества. В этом заключается вторая из основных закономерностей фотоэффекта.

3  Равенство hνmin = Aвых , справедливое при ()=0, означает, что фотоэффект невозможен, если n < νmin = . Это означает, что последняя величина является красной границей фотоэффекта., чем подтверждается третья из основных закономерностей фотоэффекта.

Приведем таблицу работы выхода некоторых веществ (металлов):

№	Название	Aвых, эВ	№	Название	Aвых, эВ
1	Цезий	1,89	5	Серебро	4,3
2	Калий	2,2	6	Медь	4,47
3	Литий	2,4	7	Вольфрам	4,5
4	Цинк	3,7	8	Платина	5,3

В диэлектриках, в которых нет «свободных» электронов (как у металлов) и каждый электрон удерживается в атоме притяжением к его ядру («связанный» электрон), требуется большая энергия для вырывания электрона из вещества. Следовательно, в этом случае νmi n - красная граница фотоэффекта смещена в область больших частот.

Принципиальная постановка

эксперимента.

Экспериментально фотоэффект регистрируют по току электронов, вылетающих с поверхности катода фотоэлемента, освещаемого светом. Этот ток называют фототоком. Принципиальная схема реализации и наблюдения внешнего фотоэффекта показана на Рис.2.

Светофильтр

свет

-  + е е е е К е е А

Рис.2.

На Рис.2. изображена двухэлектродная лампа – эмиссионный фотоэлемент. Катод К облучается светом и испускает электроны. Под действием электрического поля, существующего между электродами лампы (К и А), электроны движутся к аноду А. Выбитые электроны могут иметь начальные скорости не ориентированные по направлению к А. Увеличение напряжения U между К и А можно добиться того, чтобы все вырванные электроны попадали на анод. Соответствующий фоток называется током насыщения (Рис.3).

Если полярность электронов лампы поменять, то электрическое поле лампы будет тормозить вылетевшие из фотокатода электроны и возвращать их назад. Т. к фотоэлектроны при выбивании светом имеют разброс по скоростям, то постепенным увеличением это «обратного» напряжения можно добиться того, чтобы ни один вылетевший с поверхности катода фотоэлектрон не сможет долететь до анода. В этом случае фоток I = 0. Значение «обратного» напряженияUз при котором это происходит, называется запирающим напряжением или запирающим потенциалом (рис. 3).

Обратная ветвь вольт – амперной характеристики

Iф Iн

А

 

Uз U

Рис..3.

Кривая на Рис.3 называется вольт-амперной характеристикой фотоэлемента.

Зная величинуU3 можно определить максимальную кинетическую энергию выбиваемых с катода светом электронов: , здесь e – заряд электрона.

Согласно уравнению Эйнштейна eU3 = hν – Aвых. Следовательно, дляодного и того же материала (Авых = сonst) U3 линейно зависит от частоты падающего света, т. е.

eU3(νi) = hνi – Aвых . (2)

Поэтому

и .

Следовательно,.получив значение Ui для нескольких известных значений νi частоты света и построив графики таких зависимостей (прямые линии(2)) , можно определить величину постоянной Планка h.

ΔUз

eU3

α

ν1

ν3

ν2

ν4

ν

Δν

Δν

ΔUз

Рис.4.

Описание экспериментальной установки

Установка состоит из двух блоков:

а) экспериментального блока;

б) измерительного блока.

А) В экспериментальный блок входят:

1.  Осветитель (спектральная ртутная лампа), спектр излучения которой в видимом диапазоне имеет следующий спектр:

Наименование Линий	ν×10-15, Гц	λ, нм
1. Крайняя красная.	0,45	660
2. Красная.	0,49	612
3. Желтая.	0,52	578
4. Светло-зеленая.	0,55	546
5. Зелено-голубая.	0,61	491
6. Синяя.	0,69	435
7. Фиолетовая.	0,74	407

(1нм=10-9м)

2.  Светофильтры, пропускающие излучения, отмеченные в таблице.

3.  Устройство регулировки освещенности

а) Положение «0» - прохождение света без светофильтров,

Положение «1» ÷ «4» - установлены светофильтры,

Положение «5» - лампа перекрыта. Установка «нуля».

4.  Фотоприемники Ф – 8 и Ф – 13 с изменением анодного напряжения в диапазонах 0 40 В и 0 -2,5 В.

Б) Измерительный блок позволяет:

1.  производить измерения тока фотоэлемента;

2.  устанавливать и изменять питающее напряжение на фотоэлементе;

3.  выбирать прямой и обратный режим измерений.

Порядок выполнения работы

1.  Включить измерительный блок (кнопка «сеть» на задней стенке измерительного прибора). При этом должны загореться индикаторы «обратная», В и мкА. После 5-тиминутного прогрева ручкой «установка ноля» экспериментального блока установить нулевое значение на индикаторе мкА измерительного блока.

2.  Включите экспериментальный блок (кнопка «сеть» на его передней панели). При этом загорается индикатор «сеть» на экспериментальном блоке.

3.  Лампа осветителя должна прогреться в течение 15 минут.

4.  С помощью кнопки «прямая - обратная» выбрать режим измерения.

5.  Установить необходимый светофильтр.

6.  Изменяя значения напряжения с помощью кнопки «+» и «-» и считывая показания индикатора тока мкА, получить данные для построения вольт-амперной характеристики I(U).

7.  Повторить измерения для других светофильтров, каждый раз выставляя ноль перед выполнением измерений.

Обработка результатов измерений

1. 

I ν1 ν2 ν3 ν4 Uз1 Uз2 Uз3 Uз4 U

Построить графики вольт-амперных характеристик для каждого фотоэлемента при освещении их светом 4-х частот (ν1, ν2,ν3, ν4) (4 графика, Рис.5.), изменяя напряжение в пределах Uзап(I = 0) ÷ 0 ÷ Umax(Iнасыщ).

Рис.5.

2.Определть значения запирающих напряжений для электронов в каждом из этих 4-х случаев U31, U32, U33, U34 и затем значения «max» кинетических энергий вырванных светом электронов:

(εmax i)кин = eUзап i . i = 1, 2, 3, 4

2.  Построить график зависимости (εmax)кин от νi (см. рис. 4). Он должен быть прямой линией.

3.  Продолжить эту прямую до пересечения с осью ν и осью (εmax)кин

а) пересечение с осью ν определит νmin – красную границу фотоэффекта для материала катода фотоэлемента.

б) пересечение с осью (εmax)кин даст величину работы выхода Авых материала катода фотоэлемента

Запишите эти значения νmin =……Гц.

Авых =……эВ.

4.  Из этого же графика с помощью (2)определить постоянную Планка

h = e

Контрольные вопросы

1.Цель лабораторной работы.

2.Законы внешнего фотоэффекта.

3.Объяснение законов внешнего фотоэффекта на основе квантовых пред ставлений.

4.Энергетический смысл уравнения Эйнштейна.

5.Фотоэлементы. Вольт-амперная характеристика вакуумированного фо - тоэлемента. Объяснение ее вида.

6.В чем заключается метод задерживающего потенциала. Потенциал запирания.

7.Определение постоянной Планка фотоэлектрическим методом.

8 Красная граница фотоэффекта.

9. Цель лабораторной работы.

10.Порядок выполнения лабораторной работы.

Литература

1.  Савельев общей физики, т. 5, М., 1998.

2.  , Широков физики, т. 3, М., 1983.

3.  Лабораторные занятия по физике под ред. , изд. «Наука», М.,1983.