Вивчення вільних коливань в коливальному контурі

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №22

 

 

Виконала:

Студентка групи КІ-161 Вачнадзе А.-М. О.

Прийняв:

Старший викладач Журко В.П.

 

 

Чернігів-2016

 

Мета роботи – вивчити явище зовнішнього фотоефекту та розрахування значення Планка.

 

Прилади і приладдя:

1) фотоелемент СЦВ-4;

2) установка для вивчення фотоефекту;

3) набір світлофільтрів;

4) освітлювач.

 

 

2.1 ТЕОРИТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Фотоефект - явище виві­льнення під дією світла електронів, що знаходяться в речовині у зв’язаному стані. Розрізняють зовнішній та внутрішній фотоефекти. При зовнішньому фо­тоефекті відбувається випускання (емісія) електронів з поверхні тіла у вакуум під дією випромінювання. Зовнішній фотоефект спостерігається у будь-яких твердих тілах - металах, напівпровідниках, діелектриках, а також у газах на окремих атомах та молекулах (фотоіонізація).

Для експериментального вивчення фотоефекту всередину вакуумної трубки з кварцовим віконцем, рисунок 32.2, поміщають пластинку досліджуваного ме­талу К, яка називається фотокатодом. Пучок монохроматичного світла, про­ходячи крізь кварцове віконце, освітлює фотокатод і вибиває з нього електро­ни (фотоелектрони). Друга метале­ва пластина А служить анодом (колектором електронів). Трубка включається в електричне коло. Під дією електричного поля у просторі між катодом і анодом фотоелектрони прямують до анода і створюють у колі електричний струм - фотострум, величина якого вимірюється гальванометром G.

Найважливіші закономірності зовнішнього фотоефекту такі:

· Для даного металу максимальна кінетична енергія фотоелектронів лі­нійно зростає з частотою падаючого світла (залежить прямо пропорцій­но від частоти світла) і не залежить від інтенсивності світла - перший закон фотоефекту.

· При фіксованій частоті світла повна кількість фотоелектронів, емітова­них поверхнею металу за 1 с (максимальна сила фотоструму - фотос­трум насичення) пропорційна інтенсивності світлового потоку - другий закон фотоефекту.

· Для кожної речовини існує своя “червона границя ” фотоефекту - , або , тобто фотоефект спостерігається лише тоді, коли довжина хвилі падаючого світла не перевищує певного, характерного для даної ре­човини, значення , або коли частота світла не менше відповідного значення де с - швидкість світла у вакуумі - третій закон фотоефекту.

 

Рівняння для визначення максимальної швидкості v_max фотоелектронів:

, (32.1)

де т - маса електрона, h = 6,63 • 10^-34 Дж • с - стала Планка, А_вих - робота ви­ходу. Мінімальна частота світла v₀, при котрій ще можливий фотоефект, визначається з рівняння (32.1) за умови , тобто при такій частоті енергії фотона вистачає лише на роботу виходу електрона:

(32.2)

 

Залежність I = f U - сили фотоструму I від напруги U між катодом і

анодом фотоелемента - називають вольт-амперною характеристикою (ВАХ) фотоелемента. Загальний вигляд ВАХ фотоелемента показано на рисунку 32.1. Область U > 0 на вольт-амперній характеристиці відповідає прямому включен­ню фотоелемента у коло. При прямому включенні потенціал анода має бути до­датним відносно фотокатода, як показано на рисунку 32.2, а електричне поле у просторі між електродами примушує фотоелектрони рухатись від фотокатода до анода (колектора електронів) - у колі виникає фотострум. При збільшенні U сила фотоструму монотонно зростає, прямуючи до певного максимального зна­чення I_н - фотоструму насичення, яке залежить від інтенсивності світла, що падає на фотокатод.

При зміні полярності включення фотоелемента (зворотне включення) електричне поле між катодом і анодом буде гальмувати рух фотоелектронів. При поступовому збільшенні зворотної напруги деякі фотоелектрони втрачають можливість досягти анода і повертаються до катода, внаслідок чого спостеріга­ється поступове зменшення сили фотоструму до повного його припинення при деякій величині U₃, яка називається затримуючою напругою. На вольт - амперній характеристиці зворотному включенню фо­тоелемента у коло відпові­дає область U < 0. Існуван­ня фотоструму при U < 0 свідчить про те, що елект­рони вилітають з поверхні фотокатода з різними поча­тковими швидкостями (різ­ними значеннями початко­вої кінетичної енергії).

Рисунок 32.1 - Загальний вигляд вольт-амперної характеристики фотоелемента

 

Робота електричного поля при переміщенні елек­трона від катода до анода W — eU витрачається на зменшення кінетичної енергії електрона. Тому максимальна початкова швид­кість v_max фотоелектронів пов’язана з величиною затримуючої напруги спів­відношенням:

(32.3)

де e і m - заряд і маса електрона.

Рівняння Ейнштейна для визначення роботи виходу елек­тронів для даного матеріалу за відомими частотою v монохро­матичного світла та затримуючою напругою U _з (32.4)

 

(32.4)

Формула для визначення сталої Пла­нка:

, (32.5)

де U₁ і U₂ - затримуючі напруги при освітленні фотокатода світлом з частотою v₁ і v₂ відповідно.

 

 

2.2 ХІД РОБОТИ

1. Ознайомитись з установкою для фотоелектричних вимірювань (Рисунок 32.1).

Рисунок 32.2 - Загальний вигляд установки для дослідження фотоефекту

 

2. Поставити оптичний світлофільтр з довжиною хвилі λ перед віконцем фо­тоелемента (довжина хвилі вказана на світлофільтрі).

3. Підключити установку до мережі живлення 220 В і ввімкнути лампу освіт­лювача.

Увага! Вмикати лампу освітлювача слід тільки при встановленому світлофільт­рі. При освітлюванні відкритим (не фільтрованим) випромінюванням фотокатод може на деякий час втратити чутливість, що спотворить результати вимірювань.

4. Встановити на фотоелементі напругу U = 0 і зафіксувати величину почат­кового фотоструму. Поступово збільшуючи зворотну напругу на фотоеле­менті, одержати залежність сили фотоструму від прикладеної зворотної на­пруги I = I U - частину вольт-амперної характеристики фотоелемента. Особливо ретельно слід виміряти затримуючу напругу U₃ – мінімальну зворотну напругу, при якій фотострум припиняється.

5. Вимкнути освітлювач. Замінити світлофільтр. Повторити вимірювання згі­дно з п.4 для решти світлофільтрів. Одержані дані занести у таблицю.

 

2.3 Обробка результатів вимірювань

1. За одержаними даними вимірювань побудувати графічні залежності сили фотоструму від величини зворотної напруги для всіх значень довжин хвиль.

2. За формулою (32.5) розрахувати 4...5 значень сталої Планка, використову­ючи щоразу результати вимірювань для різних пар світлофільтрів.

3. Оцінити похибки вимірювань сталої Планка. Записати результат. Зробити висновки.

 

 

ВИСНОВОК

В цій лабораторній роботі ми дослідили явище фотоефекту та визначили значення сталої Планка.