Лабораторная работа 502

Федеральное агентство по образованию
Волгоградский государственный технический университет
Кафедра “Экспериментальная физика”
ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА.
Методические указания
к лабораторной работе №502
Волгоград
2006
УДК 63 (07Б.Б) .
Изучение законов внешнего фотоэффекта: метод. указ. к лабораторной работе №502/ сост. А.В. Аршинов., А.С. Трусов;
Волгоград. гос. техн. ун-т. – Волгоград, 2006. - 12 с.
Содержат основные сведения и рекомендации по выполнению лабораторной работы № 502, представленной в практикуме кафедры “Экспериментальная физика” Волгоградского государственного технического университета.
Предназначены для студентов всех форм обучения.
Ил. 3.Табл. 3. Библиогр.: 3 назв.
Рецензент доц. В.Е. Аввакумов
Печатается по решению редакционно-издательского совета Волгоградского государственного технического университета
Составители: Александр Викторович Аршинов
Алексей Станиславович Трусов
ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА
Методические указания к лабораторной работе № 502
Темплан 2006 г. поз. №
Подписано в печать
. Формат 60x84 1/16.
Бумага газетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,16 .
Тираж 150 экз. Заказ
. Бесплатно.
Волгоградский государственный технический университет.
400131 Волгоград, просп. им. В.И. Ленина, 28.
РПК “Политехник” Волгоградского государственного технического университета.
400131 Волгоград, ул. Советская, 35.
© Волгоградский
государственный
технический
университет, 2006.
2
502. Изучение законов внешнего фотоэффекта.
502.1 Цель работы.
Практическое ознакомление с закономерностями внешнего фотоэффекта; экспериментальное определение работы выхода электрона из сурьмяно-цезиевого фотокатода, красной границы фотоэффекта, а также постоянной Планка.
502.2 Содержание работы.
502.2.1 Основы внешнего фотоэффекта.
Фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называется процесс
взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, в результате
которого энергия фотонов передается электронам вещества.
Внешним фотоэффектом называется процесс поглощения фотонов
твердыми и жидкими телами, сопровождаемый вылетом электронов за
пределы тела.
Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте,
называют фотоэлектронами.
Законы фотоэффекта были экспериментально установлены в конце
XIX века русским физиком А. Столетовым. Столетов установил что:
1) Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е.
минимальная частота (максимальная длина волны) электромагнитного
излучения, при котором внешний фотоэффект еще возможен.
2) Число фотоэлектронов, выбиваемых из катода за единицу времени,
пропорционально интенсивности света.
Фотоэффект долгое время не удавалось объяснить с позиций классической электродинамики. В 1905 г. А. Эйнштейн показал, что фотоэффект
легко объясняется с помощью предположения о дискретном излучении и
поглощении света.
3
Согласно квантовым представлениям полная энергия электрона
внутри твердого тела принимает дискретный ряд значений. Данные энергии группируются в полосы (разрешенные зоны, в которых могут существовать электроны). Разрешенные зоны разделяются одна от другой запрещенными зонами (в которых электроны существовать не могут).
Энергетическая зона, лишь частично заполненная электронами называется зоной проводимости. Все зоны, расположенные ниже зоны проводимости, полностью заполнены электронами.
Находящиеся в зоне проводимости электроны легко могут переходить на более высокие энергетические уровни той же зоны (увеличивать
свою кинетическую энергию) за счет внешних воздействий. Наивысший
энергетический уровень, который могут занять электроны при T  0 K ,
называется уровнем Ферми.
При обычных условиях все электроны в металле имеют отрицательные значения полной энергии, при этом за нулевой уровень принимается
энергия покоящегося электрона вне поверхности металла. Наименьшая работа, необходимая для выхода электрона, имеющего при T  0 K энергию
Ферми и движущегося к поверхности, из металла в вакуум, называется работой выхода A0 . Работа выхода электрона зависит от химической природы вещества.
Минимальная частота света, при которой уже может происходить
фотоэффект (т.е. красная граница фотоэффекта) определяется соотношением:
0 
A0
.
h
(502.1)
При    0 максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов согласно
Эйнштейну равна:
Emax    A0 ,
4
(502.2)
где  - энергия поглощаемого фотона. Уравнение (502.2) носит название
уравнения Эйнштейна.
502.2.2. Фотоэлемент.
Фотоэффект нашел свое применение в технике. Если облучаемое тело поместить в область, где существует электрическое поле, ускоряющее
фотоэлектроны, то в данной области возникнет упорядоченное движение
фотоэлектронов, называемое фотоэлектрическим током (фототоком). Таким образом, можно создать электронный прибор, состоящий как минимум
из двух электродов (один из которых испускает электроны под действием
электромагнитного излучения, например, света, называют катодом, другой
– соответственно - анодом), между которыми будет существовать электрическое поле. Такой прибор называют фотоэлементом.
Зависимость тока от ускоряющего напряжения представлено на рис.
502.1.
Рис. 502.1
При U  0 в фотоэлементе будет существовать темновой ток, обусловленный утечкой тока между выводами фотоэлемента, термоэлектронной эмиссией электронов с поверхности катода и разностью работ выхода
между анодом и катодом. В процессе работы реального фотоэлемента величина темнового тока может меняться.
5
При увеличении напряжения ток будет возрастать и при некотором
напряжении U H рост тока прекратится. Это связано с тем, что все выбитые
с поверхности электроны достигают анода. Дальнейшее увеличение
напряжение не изменяет величину тока. В этом случае говорят о токе
насыщения.
Ток насыщения пропорционален энергетической освещенности катода.
При уменьшении напряжения от величины U H фототок будет
уменьшаться и при U 3  0 станет равным нулю. Это связано с тем, что электрическое поле поменяло свое направление и тормозит электроны. В этом
случае кинетическая энергия электронов идет на совершение работы против сил электрического поля. Напряжение U 3 , при котором ни один из фотоэлектронов не достигает анода, называют запирающим. В этом случае
уравнение Эйнштейна имеет вид:
eU 3    A0 .
(502.3)
502.3. Описание лабораторной установки.
Лабораторная установка (рис.502.2) состоит из источника света –
ртутной газоразрядной лампы ДРШ, блока питания лампы ДРШ 1, универсального монохроматора УМ-2, фотоэлемента с цезиево-сурьмяным катодом 2, вольтметра 3, наноамперметра 4.
Источник света излучает линейчатый спектр, спектральные линии
которого хорошо изучены.
Монохроматор выделяет из спектра узкие пучки монохроматического света и направляет его на фотоэлемент.
6
Рис. 502.2
Фотоэлемент включается в установку согласно схеме (рис.502.3).
Рис. 502.3
С помощью источника постоянного тока ИП и двуполюсного переключателя S на аноде фотоэлемента Ф можно создавать положительный
(ускоряющее поле) и отрицательный (тормозящее поле) потенциалы.
Напряжение между катодом и анодом фотоэлемента регулируется потенциометром R и измеряется вольтметром V. Электрический ток, протекающий в цепи фотоэлемента, измеряется наноамперметром nA.
502.4. Методика эксперимента.
Для определения красной границы фотоэффекта и постоянной Планка измеряются значения запирающего напряжения для нескольких наиболее ярких линий спектра ртути. Для этих же линий снимаются вольт - амперные характеристики в интервале напряжений 0 –3 В.
Для определения запирающего напряжения используется зависимость тока, протекающего через фотоэлемент от потенциала анода.
7
При U  U 3 в цепи фотоэлемента будет течет небольшой ток примерно равный по величине темновому току. Но так, как темновой ток зависит
от множества параметров, то в ходе эксперимента он может меняться.
Значит, использовать для определения U 3 условие равенства фототока нулю нельзя, но в интервале напряжений U  U 3 плавно изменяя (увеличивая) отрицательный потенциал на аноде всегда можно определить то
напряжение, при котором анодный ток прекратит уменьшаться. Найденное
напряжение и будет искомым запирающим напряжением.
Для снятия вольт - амперных характеристик в интервале напряжений
U  0 можно пренебречь темновым током, так как в данной области вели-
чина темнового тока много меньше величины фототока.
502.5. Порядок выполнения работы.
502.5.1.
1)
Подготовка лабораторной установки к работе.
Ознакомьтесь с правилами работы с наноамперметром 4 и в соответ-
ствии с правилами подготовьте амперметр к работе.
2) Включите ртутную лампу. Для этого на блоке питания 1 последовательно включите тумблеры «ВКЛ» и «ЛАМПА ДРШ» и затем нажмите
и удерживайте в нажатом положении черную кнопку до загорания лампы. ВНИМАНИЕ! Смотреть внутрь лампы очень опасно для здоровья!
3) При правильной фокусировке света лампы световое пятно расположено
в центре крышки 5. Если световое пятно сдвинуто, сфокусируйте его
поворачивая винт 9 конденсорной линзы.
4) Микровинтом 6 установите ширину входной щели монохроматора 0,20
мм.
5) Переведите затвор монохроматора 8 в положение «ОТКР», снимите
крышку 2 с монохроматора.
8
502.5.2. Измерение запирающего напряжения.
6) Наблюдая в окуляр монохроматора, поворотом барабана 7 совместите
яркую фиолетовую линию (404,7 нм) с указателем.
7) Замените окулярную головку 11 на головку с фотоэлементом 2. Для
этого поверните стопорный винт 10 против часовой стрелки и извлеките окулярную головку, а на ее место опустите головку 2.
8) Микровинтом 6 установите ширину входной щели 2 мм.
9) Включите фотоэлемент переключателем 12.
10) Переключатель 13 поставьте в положение «-».
11) Подготовьте наноамперметр к опыту в соответствии с правилами.
12) Ручкой потенциометра 14 установите на вольтметре 3 напряжение
U 0.
13) Вращая ручку потенциометра 14, увеличивайте анодное напряжение до
тех пор, пока стрелка наноамперметра не остановится.
14) Напряжение, при котором стрелка амперметра остановилась, запишите
в таблицу 502.1
15) Повторите измерения по пунктам 12 – 14 еще 2 раза.
502.5.3. Снятие вольт-ампепрных характеристик.
16) Затвор монохроматора 8 переведите в положение «ЗАКР».
17) Переключатель 13 поставьте в положение «+».
18) Ручкой потенциометра 14 установите на вольтметре 3 напряжение
U 0.
19) Согласно правилам работы с амперметром, подготовьте амперметр к
данному опыту.
20) Переведите затвор монохроматора 8 в положение «ОТКР».
21) Измерьте величину фототока для значений ускоряющего напряжения от
0 до 3 В через 0,6 В. Величину фототока занесите в таблицу 502.2.
22) Смените головку фотоэлемента 2 на окулярную головку 11.
23) Микровинтом 6 установите ширину входной щели 0,20 мм.
9
24) Повторите измерения по пунктам 6 – 23 для синей (435,6 нм) и зеленой
(546,7 нм) линий спектра ртути.
502.5.4. Выключение лабораторной установки.
25) Выключите амперметр в соответствии с правилами работы с наноамперметром.
26) Выключите фотоэлемент переключателем 12.
27) Выключите ртутную лампу. Для этого на блоке питания лампы 1 последовательно отключите тумблеры «ЛАМПА ДРШ» и «СЕТЬ».
502.6. Обработка результатов измерений.
1) Вычислите значения циклической частоты соответствующие длинам
волн исследованных спектральных линий по формуле:

2c

2)На миллиметровой бумаге постройте график зависимости U 3  U 3 ( ) .
3) Через экспериментальные точки проведите прямую линию. Определите
координаты точек ее пересечения с осями координат
4) По определенным  0 и U* вычислите по формуле   eU * / 0 постоянную Планка и по формуле A0  0 работу выхода. Занесите вычисленные значения в таблицу 502.3.
Таблица 502.1. Измерение запирающего напряжения.
Длина волны
Нм
Частота
1015 c -1
Задерживающее напряжение
 U3 
U3
Дел
Дел
10
Дел
Дел
В
Таблица 502.2. Вольт – амперные характеристики фотокатода.
Длина волны,
U, В
, нм
404,7
I, нА
435,6
I, нА
546,6
I, нА
0
0,6
1,2
1,8
2,4
3,0
Таблица 502.3. Однократные измерения.
0 ,
U* ,
1015 c -1
В
Работа выхода A0
10 19 Дж
Красная граница  0
Нм
эВ
Постоянная
Планка  ,
Дж с
502.7. Контрольные вопросы.
1) Что называют фотоэффектом, что называют внешним фотоэффектом.
2) В чем смысл закона сохранения энергии для фотоэлектрического эффекта.
3) Что называют красной границей фотоэффекта.
4) Объясните основные закономерности фотоэффекта.
5) Поясните ход вольт-амперной характеристики фотоэлемента.
6) Как определить работу выхода электрона из вещества.
7) Объясните с точки зрения зонной теории твердого тела, почему внешний фотоэффект легче всего наблюдается у металлов.
8) Где используется явление фотоэффекта.
11
Список рекомендуемой литературы
1. Савельев И.В. Курс общей физики. т3.- М.: Наука, 1982.- 304 с.
2. Савельев И.В. Курс общей физики. т2.- М.: Наука, 1982.- 496 с.
3. Детлаф А.А. Яворский Б.М. Курс физики. т3.- М.:Высшая школа, 1979.
– 510 с.
12