Изучение фотоэффекта.

Приборы и принадлежности, используемые в работе:

1. Фотоэлемент.

2. Набор светофильтров.

3. Источник света (лампа накаливания).

4. Вольтметр на 1,5 В.

5. Цифровой амперметр.

6. Источник постоянного напряжения.

7. Регу­лируемое сопротивление (потенциометр).

Цель работы:

1. Наблюдать фотоэффект в собранной схеме по наблюдению фотоэффекта (по рис. 1).

2. Получить значение _з при освещении фотокатода светом разной длины волны и вычислить по этим данным h. Полученный результат сравнить с табличным h_табл.=6,6210^-34 Джс.

3. По тем же данным вычислить А_в для материала фотокатода. При расчетах по формуле (7) использовать h_табл.

4. Вычислить _кр для материала фотокатода.

1. Теоретическое введение.

Эмиссия электронов из металла под действием света называется фотоэффектом.

Объяснение фотоэффекта дается квантовой теорией излучения. Излучение и поглощение света происходит отдельными порциями -квантами света или фотонами. Фотон, попавший в металл, поглощается свободными электронами. и отдает ему свою энергию h.

При взаимодействии фотона с электроном выполняется закон сохранения энергии. Для электронов, вырываемых с поверхности фотокатода, он имеет вид ( уравнение Эйнштейна):

h = A_вых + m_е²_max / 2 (1),

где h - энергия фотона, А_вых – работа выхода электрона, т.е. энергия, необходимая для вырывания электрона с поверхности вещества ( есть величина постоянная для каждого вещества, приводится в таблице); m_е²_max / 2 – максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов. ( зависит от частоты фотонов по линейному закону).

* Значительная часть электронов освобождается светом не у самой поверхности катода, а на некоторой глубине. Такие электроны теряют часть своей энергии вследствие столкновений в веществе катода и вылетают с различными кинетическими энергиями, меньшими максимальной.

Вывод: кинетическая энергия вылетающих электронов зависит только от рода металлов, от частоты, т.е. от энергии фотонов, а от интенсивности излучения не зависит.

Если в схеме по наблюдению фотоэффекта между фотокатодом и анодом приложить тормозящее напряжение (рис. 1), то постепенно увеличивая это напряжение, можно найти такое напряжение _з при котором фототок прекратится.

рис. 1

Это означает, что фотоэлектроны не доходят до диода. Следовательно, максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов равна работе сил тормозящего поля.

Это означает, что электроны не доходят до диода. Следовательно, максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов равна работе сил тормозящего поля:

(2)

Поэтому уравнение Эйнштейна для фотоэффекта примет вид:

(3)

Если осветить фотокатод излучением частотой ₁, то задерживающее напряжение будет ₁, если осветить светом частотой ₂, то задерживающее напряжение будет _2. Согласно формуле (3) получим:

(4)

Решив эту систему уравнений относительно h, получим:

(5)

Так как , то формула (5) примет вид:

(6),

здесь с- скорость света, -длина волны света, освещающего фотокатод.

(6) и есть рабочая формула для определения h опытным путем.

Из формулы (3) получим рабочую формулу для вычисления А_в по полученным в опыте данным:

(7),

здесь - задерживающее напряжение, соответствующее излучению с длиной волны .

Если энергия квантов меньше работы выхода, то при любой интенсивности света фотоэлектроны не вылетают. Этим объясняется существование красной границы фотоэффекта.

Частоту и длину волны можно определить считая , что

m²/ 2 = 0, т. е. h₀ = A_вых;

Красную границу фотоэффекта для материала, из которого изготовлен фотокатод, вычислим по формуле:

(8)