Лабораторная работа № 93
Изучение явления внешнего фотоэффекта
Цель работы
Снятие вольт- амперной характеристики внешнего фотоэффекта, изучение законов внешнего фотоэффекта, определение постоянной Планка.
Теоретическая часть
Явление вырывания электронов из вещества под действием света называется внешним фотоэффектом.
В 1888-1890 г.г. А.Г. Столетов систематически исследовал фотоэффект с помощью следующей установки (рис. 2.1). Конденсатор, образованный проволочной сеткой и сплошной
пластинкой, был включен последовательно с гальванометром G в цепь батареи. Свет, проходя через сетку, падал на сплошную пластинку. В результате в цепи возникал ток, регистрируемый гальванометром. На основании опытов Столетов пришел к следующим выводам: 1) наибольшее действие оказывают ультрафиолетовые лучи; 2) сила тока возрастает с увеличением освещенности пластины; 3) испускаемые под действием света заряды имеют отрицательный знак.
Типичная вольт- амперная характеристика фотоэффекта (т.е. кривая зависимости фототока I от напряжения между сеткой и пластиной) имеет вид (рис. 2.2). Кривые приведены для двух различных световых потоков при одинаковой частоте. Существование тока в области отрицательных напряжений от 0 до и – 
объясняется тем, что фотоэлектроны, выбитые светом из пластины, обладает отличной от нуля начальной кинетической энергией. За счет уменьшения этой
энергии электроны могут совершать работу против сил задерживающего электрического поля в трубке и достигать анода. Очевидно, что максимальная начальная скорость 
фотоэлектронов связана с 
соотношением
|
, (2.1)
где e и m – заряд и масса электрона. При 
= - фототок I = 0. По мере увеличения фототок I постепенно возрастает, т.к. все большее число фотоэлектронов оказывается способным достигнуть анода. Максимальное значение тока называется фототоком насыщения I Н и соответствует таким значениям , при которых все электроны, выбитые из катода (пластины) достигают анода (сетки)
I Н = e · n, (2.2)
где n – число фотоэлектронов, вылетающих из катода за 1 с. Таким образом опытным путем установлены следующие основные законы внешнего фотоэффекта:
1. Число фотоэлектронов n, вырываемых из катода за единицу времени, пропорционально интенсивности падающего светового потока.
2. Скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего светового потока.
3. Максимальная начальная скорость определяется частотой падающего света.
Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. максимальная длина волны λ0 при которой фотоэффект еще возможен. Величина λ0 зависит от химической природы вещества и состояния его поверхности.
При объяснении законов внешнего фотоэффекта волновая электромагнитная теория света встретилась с серьезными трудностями, что привело А. Эйнштейна к созданию в 1905 г. квантовой теории света. Согласно этой теории свет не только излучается, но также распространяется в пространстве и поглощается веществом в виде отдельных порций энергии – квантов электромагнитного излучения. Процесс поглощения света веществом сводится к тому, что фотоны передают всю свою энергию частицам этого вещества. Очевидно, что процесс «поглощения света» происходит прерывно, как в пространстве, так и во времени. С квантовой точки зрения внешний фотоэффект в металлах объясняется следующим образом. В результате поглощения фотона электрон приобретает энергию h ν. Для выхода из металла электрон должен совершить работу выхода А (если h ν ≥ А). В соответствии с законом сохранения энергии максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона равна
. (2.3)
Это уравнение называется уравнением Эйнштейна для фотоэффекта. Внешний фотоэффект возможен в том случае, когда h ν ≥ А. Следовательно, частота ν0, соответствующая красной границе фотоэффекта, равна
. (2.4)
Приборы и оборудование
Основные блоки установки – блок облучения, содержащий ДРС-50; блок, содержащий фотоэлемент; блок управления и индикации, на передней панели которого размещена кнопка «прям.- обр.» для выбора режима измерения прямой и обратной ветви ВАХ фотоэлемента; цифровой индикатор значений фототока (мкА) и напряжения (В) фотоэлемента. Интервал регулирования напряжений кнопками «+», «-», «сброс» от 0 до 10 В в прямом режиме и от 0 до 1 В в обратном.
Требования по технике безопасности
а) ознакомиться с устройством экспериментальной установки, ее принципом действия;
б) убедиться, что установка заземлена;
в) убедиться в исправности сетевых шнуров;
г) при выполнении эксперимента напряжение менять только в указанных пределах.
Порядок выполнения работы
1. Включить тумблер «Сеть» на задней панели блока управления и индикации. При этом должны загореться индикаторы 000.
2. Нажать «Сброс». Установить режим измерения прямой ветви ВАХ.
3. Включить тумблер «Сеть» блока облучения на задней панели, установить светофильтр 5. Регулятором «Установка нуля» установить на цифровом индикаторе значений фототока 0 (мкА).
4. Установить светофильтр 1 и выждать 10 мин. При этом на цифровом индикаторе должно появиться значение тока при = 0.
5. С помощью кнопок «+» и «-» изменять подаваемое на анод фотоэлемента напряжение в пределах от 0 до 10 В с шагом 1 В, одновременно считывая значения фототока на блоке индикации.
6. Нажать «Сброс». Установить режим измерения обратной ветви ВАХ.
7. С помощью кнопок «+» и «-» изменять подаваемое напряжение в обратном направлении в пределах от 0 до 1 В с шагом 0,5 В, считывая значения фототока.
8. Повторить п.п. 4-7 для светофильтров 2-4. Результаты измерений (λ = 407 нм) для каждого светофильтра занести в таблицу 5.1.
Длины волн максимумов пропускания светофильтров 1-4 приведены в таблице 5.2.
9. Отключить кнопку «Сеть» приборов.
10. Построить ВАХ для всех светофильтров.
11. Найти число фотоэлектронов, выбитых в единицу времени
(5.1)
для каждой ВАХ и результаты занести в таблицу 5.2.
12. Для найденных задерживающих потенциалов 
, соответствующих каждым двум значениям λ, оценить постоянную Планка по формуле
, (5.3)
где с = 3·108 м/с. Сопоставить среднюю величину h с наибольшим значением.
13. Оценить погрешность (Δ h).
Таблица 5.1.
| пр. В
| ||||||||||
| I пр.мкА | ||||||||||
| обр. В
| 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 1,0 |
| I обр.мкА |
Таблица 5.2
| N | ||||
| λ, нм | ||||
| h |
Контрольные вопросы
1. В чем заключается явление внешнего фотоэффекта?
2. Что называется «красной границей» фотоэффекта?
3. В чем заключаются законы фотоэффекта?
4. Как на основе уравнения Эйнштейна для фотоэффекта объяснить основные законы фотоэффекта?
5. Когда достигается ток насыщения?
6. Почему при = 0 фототок не равен нулю?
7. В чем заключается физический смысл задерживающей разности потенциалов?
Список литературы
1. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1999.
2. Савельев И.В. Курс физики. Т. 3. – М.: Наука, 1998.
3. Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1998.
