Исследование закономерностей фотоэффекта

Методические указания к выполнению лабораторной работы

ЕТИ. Ф.ЛР.10.

г. Егорьевск 2014

Составители: _____________ В.Ю. Никифоров, ст. преподаватель ЕНД

В методических указаниях рассмотрены: квантовая модель внешнего фотоэффекта, основные закономерности внешнего фотоэффекта и их экспериментальное подтверждение, экспериментальное определение красной границы фотоэффекта, работы выхода фотокатода и постоянной Планка с использованием компьютерных моделей программы ООО «Физикон» «Открытая физика 1.1» версия «Виртуальный практикум по физике для ВУЗов». В основе данных методических указаний лежит учебное пособие «Тихомиров Ю.В. Лабораторные работы по курсу физики с компьютерными моделями (Квантовая физика). Учебное пособие для студентов высших технических учебных заведений дневной, вечерней и заочной (дистанционной) форм обучения. -М.:2003.-22 с.»

Методические указания предназначены для студентов 1 курса, обучающихся по направлениям подготовки бакалавров: 151900 Конструкторско-технологическое обеспечение автоматизированных машиностроительных производств, 220700 Автоматизация технологических процессов и производств, 280700 Техносферная безопасность для лабораторных работ по дисциплине "Физика".

Методические указания обсуждены и одобрены на заседании учебно-методической группы (УМГ) кафедры ЕНД

(протокол № ___________ от __________г.)

Председатель УМГ _____________ Г.Г Шабаева

Исследование закономерностей фотоэффекта

1 Цель работы: Знакомство с квантовой моделью внешнего фотоэффекта.

Экспериментальное подтверждение закономерностей внешнего фотоэффекта.

Экспериментальное определение красной границы фотоэффекта, работы выхода фотокатода и постоянной Планка.

2 Оборудование: компьютерный класс, пакет прикладных программ для поддержки лабораторного практикума компании ООО «ФИЗИКОН» «Виртуальный практикум для ВУЗов».

3 Содержание работы

3.1 Изучить теоретический материал, ознакомившись с конспектом лекций и учебником.

3.2 Запустить программу. Выбрать «Квантовая физика» и «Фотоэффект». Нажмите вверху внутреннего окна кнопку с изображением страницы. Прочитайте краткие теоретические сведения. Необходимое запишите в свой конспект.

3.3 запишите значение длины волны красной границы фотоэффекта.

3.4 Вычислить частоту излучения ν_кр, соответствующие выбранной длине волны.

3.5 Построить график зависимости напряжения запирания (U_ЗАП) от обратной длины волны (1/l).

3.4 Вычислить постоянную Планка, используя график и формулу

3.6 Используя длину волны красной границы фотоэффекта, вычислить значение работы выхода материала фотокатода.

3.7 Оформить отчет.

4 Краткие теоретические сведения

4.1 Внешний фотоэффект

Фотоэффектом (внешним фотоэффектом) называется вырывание электронов из вещества под действием света. Вылетевшие электроны называются фотоэлектронами. Фотоэффект был открыт Г. Герцем в 1887 году. Теория фотоэффекта была развита Эйнштейном (1905г.) на основе квантовых представлений. Классическая волновая теория оказалась не способной объяснить закономерности этого явления.

Согласно квантовых представлений свет излучается и поглощается отдельными порциями (квантами). Фотоны - это частицы (кванты), поток которых является одной из моделей электромагнитного излучения (ЭМИ).

Энергия фотона Е_Ф = hn, (1)

 - частота излучения, h - постоянная Планка, h = 6.6210^-34 Джс).

Масса фотона связана с его энергией соотношением Эйнштейна

Е_Ф = m_Фc², отсюда m_Ф =

Импульс фотона p = m_Ф c = где l - длина волны ЭМИ.

Чтобы вырвать электроны из металла необходимо затратить энергию, превышающую работу выхода А.

Кинетическая энергия электрона внутри вещества при попадании на него электромагнитного излучения увеличивается на h, но при вылете фотоэлектрона из вещества им совершается работа А_ВЫХ (работа выхода) против сил электростатического притяжения к металлу. У фотоэлектрона сообщенная ему фотоном порция энергии уменьшается на величину, равную работе выхода из металла (фотокатода), а оставшаяся часть имеет вид кинетической энергии фотоэлектрона вне металла (фотокатода):

= h - А_ВЫХ (2).

Это соотношение называют формулой (законом) Эйнштейна для фотоэффекта.

Или можно записать уравнение Эйнштейна для максимальной кинетической энергии фотоэлектрона по другому:

(2а),

где h =6,63∙10^-34 Дж∙с, ν - частота света в Гц., v - скорость в м/с, m - масса в кг, А_вых - работа выхода в Джоулях.

Это уравнение (2а) объясняет основные закономерности фотоэффекта.

1. Количество электронов, вырываемых с поверхности металла в секунду прямопропорционально световому потоку.

2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона линейно возрастает с частотой света и не зависит от падающего светового потока.

3. Если частота света меньше некоторой определённой для данного вещества минимальной частоты, называемой частотой красной границы фотоэффекта, то фотоэффект не происходит. У щелочных металлов красная граница лежит в видимом диапазоне электромагнитных волн.

Если электрон отдает часть своей энергии атомам решетки, то после выхода в вакуум его кинетическая энергия будет меньше ; при уменьшении частоты n наступает момент, когда электроны, получившие энергию hn, в состоянии совершить только работу выхода. Соответствующая частота n_КР, определяющая красную границу фотоэффекта, находящаяся из условия hn_КР = А_вых при котором v_max =0. Очевидно, при hn < А_вых фотоэффект невозможен.

Т.е. красная граница фотоэффекта есть минимальная частота электромагнитного излучения, при которой ещё наблюдается фотоэффект, т.е. для которой энергия фотона равна работе выхода h_КР= А_ВЫХ. (3)

, или (4)

Рисунок 1. Вольт-амперная характеристика освещенного вакуумного фотоэлемента

Вольт-амперная характеристика освещенного вакуумного фотоэлемента имеет вид, изображенный на рисунке 1. Схема подключения вакуумного диода показан на рисунке 2.

Рисунок 2 Схема подключения вакуумного диода

При отрицательном напряжении на анод попадают только достаточно быстрые электроны, так как электрическое поле между анодом и катодом оказывает тормозящее действие. Сила тока тем меньше, чем больше модуль задерживающего потенциала. Если между фотокатодом и анодом вакуумного фотоэлемента создать электрическое поле, тормозящее движение электронов к аноду, то при некотором значении задерживающего напряжения U_з анодный ток прекращается. Максимальная кинетическая энергия электронов связана с задерживающим потенциалом U_з, при котором прекращается ток соотношением:

(5)

где U_з - модуль напряжения в вольтах.

Запирающим (задерживающим) напряжением называется минимальное тормозящее напряжение между анодом вакуумной лампы (фотоэлемента) и фотокатодом, при котором отсутствует ток в цепи этой лампы, т.е. фотоэлектроны не долетают до анода. При таком напряжении кинетическая энергия электронов у катода равна потенциальной энергии электронов у анода, откуда следует выражение:

U_ЗАП = , (6)

где е - заряд электрона.

Запишем соотношение (4) для частот n₁ и n₂:

(7);

(8).

При известных значениях ν₁ и ν₂ и измеренных значениях запирающих потенциалов U₁ и U₂ из уравнений (5) и (6) можно вычислить постоянную Планка:

(9)

и работу выхода:

(10)

Формулу для определения постоянной Планка, зная длину волны, можно записать по другому

. (11)

где с – скорость света, с= 3×10⁸ м/с.

Поиск по сайту: