Главная | Обратная связь

ДОСЛІДЖЕННЯ ЗОВНІШНЬОГО ФОТОЕФЕКТУ

 

5.1 Мета роботи

 

Експериментальна перевірка основних законів фотоефекту; встановлення залежності максимальної кінетичної енергії фотоелектронів від частоти світла , визначення червоної межі фотоефекту , роботи виходу А та сталої Планка .

 

5.2 Вказівки з організації самостійної роботи студентів

 

Вивчаючи теоретичний матеріал [1, с. 371-374; 2, с. 324-329; 3, с. 15-19], зверніть увагу на фізичну суть явища зовнішнього фотоефекту та основне рівняння цього явища – рівняння Ейнштейна. Необхідно пояснити залежність сили струму від напруги (вольт-амперну характеристику) вакуумного фотоелемента та з’ясувати, які перетворення енергії відбуваються.

Явище зовнішнього фотоефекту є одним з проявів квантової, корпуску­лярної природи світла і полягає у вириванні електронів з поверхні речовини під дією світла.

Світло – це потік квантів електромагнітного поля (фотонів). Фотони – неподільні елементарні частинки, вони можуть поглинатись і випромінюватись лише цілком. Енергія фотону дорівнює

 

,

 

де Дж×с – стала Планка, – частота світла, – довжина світлової хвилі, м/с – швидкість світла у вакуумі.

Зовнішній фотоефект підпорядковується таким законам:

- фотострум насичення пропорційний освітленості фотокатода;

- енергія відбитих електронів і максимальна їх швидкість залежать лише від частоти світла, що падає; із збільшенням частоти енергія фотоелектронів лінійно падає;

 

- зовнішній фотоефект – безінерційний;

- кількість фотоелектронів пропорційна інтенсивності світла.

Основні енергетичні перетворення встановлює рівняння Ейштейна для зовнішнього фотоефекту:

 

, (5.1)

 

де – максимальна кінетична енергія фотоелектронів, А – робота виходу електрона з поверхні металу.

У роботі використовують метод гальмівного потенціалу. Монохрома­тичним світлом певної частоти освітлюють фотокатод. За відсутності напруги між анодом і фотокатодом струм через фотоелемент не дорівнює нулю. Для припинення анодного струму необхідно створити електричне поле, яке гальмує електрони. Змінюючи гальмівну напругу між анодом і фотокатодом, домагаються припинення фотоструму. В цьому випадку електрони гальмуються електричним полем з потенціалом , а їх кінетична енергія дорівнює

 

. (5.2)

 

Із (5.1) та (5.2) одержимо:

 

. (5.3)

 

Залежність від (рис. 5.1) – пряма, яка перетинає вісь абсцис у точці (найменша частота світла, що спричиняє фотоефект). За тангенсом кута нахилу цієї прямої можна визначити сталу Планка:

 

.

 

 

Рисунок 5.1 – Ілюстрація до розрахунків

 

Продовживши пряму до перетину з віссю ординат, можна знайти роботу виходу А.

 

5.3 Опис лабороторної установки

 

Обладнання: вакуумний фотоелемент, джерело регулювальної напруги, вольтметр, амперметр, набір світлофільтрів, лампа розжарювання з джерелом живлення. Схема лабораторної установки наведена на рис. 5.2.

 

 

Рисунок 5.2 – Схема лабораторної установки

 

Світло від лампи розжарювання Е через світлофільтри F потрапляє на фотокатод вакуумного фотоелемента VL. Довжина хвилі світла змінюється із заміною світлофільтра.

Напругу на фотоелементі, яка подається від джерела G, можна змінювати потенціометром RP та вимірювати вольтметром PV. Сила фотоструму вимірюється амперметром PA. Вмикання установки здійснюють тумблером SA.

 

5.4 Порядок виконання роботи і методичні вказівки з її виконання

 

5.4.1 Перевірка закону Ейнштейна

- Увімкнути блок живлення фотоелемента та живлення лампи розжарювання.

- Світлом певної довжини хвилі (довжина хвилі світлофільтра вказана на робочому місці; м) освітлюють фотоелемент. Визначити та занести до таблиці частоту світла .

- Потенціометром RP зменшити фотострум до . Вольтметром виміряти гальмівний потенціал .

- Повторити вимірювання гальмівного потенціалу для різних світлофільтрів. Результати вимірювання гальмівного потенціалу та частоти занести до таблиці за формою табл. 5.1.

- Побудувати графік залежності від частоти. Кінетичну енергію фотоелектронів зручно вимірювати в електрон-вольтах. У цьому випадку числові значення та збігаються: .

- Зробити висновки про виконання закону Ейнштейна (5.1).

 

Таблиця 5.1 – Результати вимірювань

	Світлофільтр	Довжина хвилі l,	Частота n, Гц	Гальмівний потенціал Uгальм, В	Кінетична енергія, Еmax, еВ
	синій ... ... ... ... червоний

5.4.2 Визначення червоної межі фотоефекту та роботи виходу електрона

- Провести пряму, яка проходить якомога ближче до експериментально визначених точок . Продовжити пряму до перетину з осями абсцис та ординат.

- Визначити граничну частоту за перетином прямої з віссю для (рис. 5.1).

- Знайти червону межу фотоефекту .

- Знайти роботу виходу електрона А за перетином прямої з віссю (рис. 5.1).

 

5.4.3 Визначення сталої Планка

На графіку залежності вибрати дві експериментальні точки, які лежать на прямій, визначити зміну кінетичної енергії та зміну частоти для цих точок (рис. 5.1). Знайти сталу Планка за формулою

 

.

 

5.5 Контрольні запитання і завдання

 

1. В чому полягає явище зовнішнього фотоефекту?

2. Побудуйте залежність фотоструму від напруги (вольт-амперну характеристику) вакуумного фотоелемента та поясніть її.

3. Поясніть, чому сила струму через фотоелемент не дорівнює нулю, якщо прискорююча різниця потенціалів дорівнює нулю.

4. Чому потрібно затратити енергію для того, щоб електрон покинув поверхню металу? Від чого залежить робота виходу електрона?

5. Запишіть рівняння Ейнштейна та поясніть його фізичний зміст.

6. Опишіть метод гальмівного потенціалу. Які величини визначають у роботі цим методом?

7. Чи змінюється залежність для фотоелементів з різними матеріалами фотокатода? Відповідь пояснити.

8. Який фізичний смисл поняття “червона межа фотоефекту?” Як у даній роботі визначають червону межу фотоефекту?

9. Як пов’язані між собою робота виходу електрона та червона межа фотоефекту?