Изучение явления электропроводности Изучение явления внешнего фотоэффекта Тормозное рентгеновское излучение Молекулярные спектры

Лабораторная работа № 6.

ИЗУЧЕНИЕ ФОТОЭЛЕМЕНТА

Цель работы: изучение явления внешнего фотоэффекта.

Оборудование: вакуумный фотоэлемент, регулятор напряжения однофазный, вольтметр, микроамперметр, набор светофильтров.

Основание к допуску

1. Иметь конспект лабораторной работы.

2. Знать понятие фотоэффект (внешний, внутренний), законы фотоэффекта, порядок выполнения работы.

Краткая теория

Явление вырывания электронов с поверхности металлов под действием света получило название фотоэффекта. Это явление было открыто Г. Герцем и подробно исследовано А.Г. Столетовым. Им были установлены основные законы фотоэффекта.

Число электронов, вырываемых с поверхности металла пропорционально освещенности катода.

Кинетическая энергия фотоэлектронов прямо пропорциональна частоте падающего света.

Существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота света, вызывающего фотоэффект. Свет с меньшей частотой, любой интенсивности, фотоэффекта не вызывает.

Для объяснения законов фотоэффекта А. Эйнштейн воспользовался гипотезой М. Планка о том, что свет излучается отдельными порциями (квантами), энергия которых пропорциональна частоте

, (6.1)

где  - постоянная Планка. Согласно Эйнштейну свет не только излучается отдельными порциями, но и поглощается также отдельными порциями. И тогда на основе закона сохранения энергии можно получить уравнение:

, (6.2)

где  - работа выхода электронов из металла,v – скорость вылетающих электронов.

Уравнение (6.2) позволяет объяснить все законы фотоэффекта. При уменьшении частоты падающего света уменьшается кинетическая энергия фотоэлектронов и при некоторой частоте, равной :

. (6.3)

Свет с частотой меньшей, чем  фотоэффекта не вызывает, так как энергии кванта недостаточно для вырывания электрона из металла. Эта частота получила название красной границы фотоэффекта. Для большинства металлов красная граница фотоэффекта лежит в ультрафиолетовой части оптического спектра и только для щелочных металлов в видимой и инфракрасной областях.

Описанное выше явление получило название внешнего фотоэффекта. При облучении светом полупроводников и диэлектриков наблюдается внутренний фотоэффект. Освобожденные при облучении светом электроны не покидают пределов тела, а лишь переходят из валентной зоны в зону проводимости, что приводит к увеличению электропроводности этих веществ.

Описание экспериментального метода

В данной работе используется вакуумный фотоэлемент, который представляет собой стеклянный сосуд с нанесенным на его внутреннюю поверхность слоем светочувствительного металла, на который подается отрицательный потенциал. Указанный слой металла образует катод. В центре фотоэлемента расположено кольцо (или спираль), к которому присоединяется плюс источника. Это электрод анод. Электрическое поле направляет электроны, вылетающие из катода к аноду, создавая электрический ток в фотоэлементе.

Зависимость величины тока от величины анодного напряжения, при постоянном световом потоке, называется вольтамперной характеристикой фотоэлемента.

Величина фототока пропорциональна световому потоку, падающему на катод. Этот закон можно проверить опытным путем. Принимая источник света за точечный (это допущение вполне возможно, так как размеры нити лампочки значительно меньше расстояния до фотоэлемента), можно считать, что , где F – освещенность катода фотоэлемента, а R – его расстояние до лампы. Так как световой поток пропорционален освещенности: , то . Отсюда можно сделать вывод, что величина фототока удовлетворяет соотношению .

Порядок выполнения работы

Электрическая схема лабораторной установки приведена на рисунке 20.

Рис. 20. Схема экспериментальной установки

Задание 1. Расположить лампу на расстоянии 50 – 60 см от фотоэлемента. С помощью автотрансформатора установить анодное напряжение 110 В. Записать значение анодного тока. Уменьшая последовательно расстояние между лампой и фотоэлементом на 5 см записать соответствующие значения фототока (6-8 значений). Измерения повторить, удаляя лампу от фотоэлемента при тех же расстояниях от лампы до фотоэлемента. Результаты измерений занести в таблицу 1.

Таблица 1.

R, м

,

Фототок

При уменьшении расстояния

При увеличении расстояния

Среднее значение

1.

2.

3.

4.

5.

Построить график зависимости , откладывая, по горизонтальной оси значения , а по вертикальной значения анодного тока.

Задание 2. Установить фотоэлемент на расстоянии 30 – 35 см от лампы. Повышая анодное напряжение от нуля до 110 В через каждые 10 В, измеряют силу тока, соответствующую каждому значению анодного напряжения. Измерения повторяют при уменьшении анодного напряжения до нуля. Результаты измерений занести в таблицу 2.

Таблица 2.

U, B

I, A

При увеличении

напряжения

При уменьшения

напряжения

Среднее

значение

1

2

6

Построить график зависимости , откладывая по горизонтальной оси значения напряжения, а по вертикальной – силы тока.

Задание 3. Установить фотоэлемент на расстоянии 30 – 35 см от лампы и подать на фотоэлемент анодное напряжение 110 В. Измерить силу тока при освещении фотоэлемента белым светом.

Не изменяя расстояния между лампой и фотоэлементом и анодного напряжения, изменяем длину световой волны, падающей на катод (с помощью светофильтров). При этом должна измениться величина фототока. Результаты измерений величины фототока занести в таблицу 3.

Таблица 3.

Светофильтр

Красный

Оранжевый

Желтый

Зеленый

Синий

Без фильтра

λ, мкм

700

590

570

500

450

I, А

Построить график зависимости величины фототока от длины световой волны, откладывая по горизонтальной оси длины волн, по вертикальной силу тока.

Из графика определить “красную границу фотоэффекта”. Длина волны , соответствующая красной границе фотоэффекта для данного металла – это та, которая соответствует полосе пропускания светофильтра, при котором наблюдается резкое уменьшение фототока. По формуле  определить работу выхода электронов из металла.

Основание к зачету.

1. Иметь оформленный отчет к работе.

2. Ответить на вопросы:

Что такое внешний фотоэффект? Внутренний фотоэффект?

Сформулируйте основные законы фотоэффекта.

Запишите и поясните уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

Эффект Комптона и его объяснение на основе квантовой теории.

Изучить дифракцию лазерного света на стеклянной дифракционной решетке и на сетках с различными размерами ячеек.

Проверить справедливость выполнения закона Малюса поляризации света с помощью поляроидов. Определяется степень поляризации излучения полупроводникового лазера.

Знакомство с оптическими методами измерения температуры и определение постоянной Стефана – Больцмана и постоянной Планка.

Волновой процесс. Характеристики волны. Волновое уравнение. Представим себе цепочку, состоящую из равноотстоящих друг от друга материальных точек, которые связаны пружинками и могут движения, деформируя пружинки. Если сместить от положения равновесия какую-либо частицу, то она начнет совершать колебательное движение и, взаимодействуя через пружинки, вовлечет в колебания соседние частицы. Все частицы будут совершать колебания, тождественные с исходной, но не одновременно, а запаздывая по фазе. Таким образом, колебания будут распространяться в пространстве.


На главную