Семестр 2 / 11. Исследование внешнего фотоэффекта
.docxМИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ
Санкт-Петербургский государственный
электротехнический университет
«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)
Кафедра физики
отчЁт
по лабораторной работе №11
по дисциплине «Физика»
Тема: Исследование внешнего фотоэффекта
Вопросы |
Даты коллоквиума |
Итог |
||
15 |
21 |
|||
|
|
|
|
|
|
||||
|
||||
Студент гр. 9300 |
ФИО |
|||
Преподаватель |
Кузьмина Н. Н. |
|||
Санкт-Петербург
2020
Цель работы.
Изучить закономерности внешнего фотоэффекта; измерить работу выхода электрона и красную границу эффекта для материала фотокатода.
Основные теоретические положения.
Внешний фотоэффект — испускание потока электронов, возникающего при облучении поверхности металла светом.
Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта:
— постоянная
Планка;
— частота падающего фотона с энергией
;
— работа выхода электрона из металла;
— кинетическая энергия вышедшего
электрона.
Из
уравнения следует, что при поглощении
фотона с энергией
электрон может выйти за пределы вещества.
Квантовый
выход
— число эмитированных электронов в
расчёте на один фотон, падающий на
поверхность тела. Квантовый выход
определяется свойствами вещества,
состоянием его поверхности и энергией
фотонов.
Закон Столетова. Количество заряда, переносимого в единицу времени за счёт внешнего фотоэффекта, пропорционально освещённости поверхности металла:
— площадь
поверхности, на которую падают фотоны;
— освещённость этой поверхности.
Для исследования внешнего фотоэффекта в работе используется вакуумный диод, содержащий два металлических электрода внутри стеклянной оболочки. Освещение поверхности катода приводит к увеличению числа свободных электронов в промежутке между электродами.
Вольтамперная характеристика имеет нелинейный характер (рис. 1).
Сила
тока при большом положительном напряжении
определяется только током внешнего
фотоэффекта, величина которого не
зависит от приложенного напряжения и
представляет собой ток насыщения
— асимптоту вольтамперной характеристики.
В
случае отрицательной полярности
подключения с ростом напряжения
уменьшается доля электронов, имеющих
кинетическую энергию, достаточную для
достижения анода, и уменьшается ток
.
При некотором значении обратного
напряжения
полученной кинетической энергии
электронов оказывается недостаточно
и сила тока, протекающего через
фотоэлемент, обращается в ноль.
Рисунок 1. Вольтамперная характеристика.
Это условие достигается при равенстве кинетической энергией фотоэлектрона изменению его потенциальной энергии при перемещении от катода к аноду:
Теория Эйнштейна прогнозирует линейную зависимость запирающего напряжения от частоты электромагнитного излучения:
— минимальная частота излучения для
выхода электрона.
Аппроксимация результатов измерения
линейной функцией позволяет найти её
параметры (рис. 2): работу выхода электрона
,
граничную частоту
и отношение констант
.
Рисунок 2. Зависимость запирающего напряжения от частоты излучения.
Экспериментальная установка.
Рисунок 3. Электрическая схема установки.
Переключатель
предназначен для управления освещённостью.
С помощью переключателя
обеспечивается прямое или обратное
подключение к источнику напряжения.
Для изменения прямого и обратного
напряжения электрическая схема содержит
потенциометры
и
.
Сила тока фотоэлемента
измеряется микроамперметром
,
а напряжение между его электродами
контролируется вольтметром
.
Ответы на контрольные вопросы.
На поверхность образца направлено монохроматическое излучение. Во сколько раз изменится поток фотонов при увеличении в три раза частоты электромагнитного излучения и неизменной освещённости поверхности?
Следовательно, поток фотонов уменьшится в три раза.
Какой области спектра электромагнитного излучения принадлежит фотон, при поглощении которого электрон покидает атом водорода?
Значит, фотон в этом случае принадлежит рентгеновскому спектру.
Какова тенденция изменения силы тока внешнего фотоэффекта при уменьшении частоты падающего монохроматического излучения и неизменной освещённости поверхности?
Из выражения следует обратная зависимость силы тока от частоты излучения. Значит, при уменьшении частоты при неизменной освещённости сила тока возрастает.
Перечислите признаки отличия фотона от электрона.
Фотон не имеет массу, а электрон имеет.
Фотон не имеет заряд, а электрон имеет.
Фотон — бозон, а электрон — фермион.
Ответы на вопросы по теме квантовой физики. Вариант 7.
15. Что такое задерживающее напряжение? Как зависит это напряжение от частоты?
Задерживающее напряжение — обратное напряжение, при котором кинетической энергии электронов, полученной при внешнем фотоэффекте, оказывается недостаточно, чтобы преодолеть тормозящее действие поля и сила тока, протекающая через фотоэлемент, становится равна нулю. Чем больше частота, тем больше запирающее напряжение (линейная зависимость).
21. Что такое фотопроводимость? Единицы измерения фотопроводимости.
Фотопроводимость
— явление изменения проводимости
полупроводника под действием света.
Измеряется в
.
ПРОТОКОЛ НАБЛЮДЕНИЙ
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №11
Таблица 1. Вольтамперная характеристика.
|
|
|
|
1,0 |
0,136 |
0,100 |
0,086 |
2,0 |
0,185 |
0,145 |
0,128 |
3,0 |
0,215 |
0,169 |
0,149 |
4,0 |
0,237 |
0,185 |
0,161 |
5,0 |
0,258 |
0,193 |
0,170 |
6,0 |
0,271 |
0,201 |
0,174 |
7,0 |
0,275 |
0,202 |
0,178 |
8,0 |
0,275 |
0,202 |
0,179 |
9,0 |
0,282 |
0,207 |
0,183 |
10,0 |
0,273 |
0,206 |
0,182 |
11,1 |
0,278 |
0,207 |
0,185 |
12,4 |
0,280 |
0,211 |
0,186 |
13,2 |
0,283 |
0,213 |
0,184 |
14,1 |
0,288 |
0,211 |
0,187 |
15,1 |
0,283 |
0,206 |
0,184 |
15,8 |
0,287 |
0,212 |
0,185 |
18,0 |
0,283 |
0,209 |
0,185 |
20,0 |
0,291 |
0,216 |
0,191 |
24,0 |
0,292 |
0,213 |
0,189 |
Таблица 2. Определение запирающего напряжения.
Светофильтр |
|
|
||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
||
Синий |
515 нм |
0,556 |
0,550 |
0,545 |
0,528 |
0,575 |
Зелёный |
550 нм |
0,410 |
0,370 |
0,376 |
0,380 |
0,365 |
Обработка результатов.
Построим графики зависимости силы тока сквозной электропроводности фотоэлемента от напряжения для трёх значений освещённости фотокатода.
Рисунок 4. Зависимость силы тока от напряжения при разной освещённости.
И для каждой вольтамперной характеристики определим силу тока насыщения.
Построим
график зависимости
тока насыщения от освещённости.
Аппроксимируем линейной функцией
и определим параметр
.
Рисунок 5. Зависимость тока насыщения от освещённости и её аппроксимация.
Определим
квантовый выход электронов (
).
Произведём статистическую обработку результатов измерений запирающего напряжения для излучений обоих частот и представим окончательный результат в стандартной форме.
Проведём обработку по выборкам:
-
Синий
0,528
0,545
0,55
0,556
0,575
Зелёный
0,365
0,37
0,376
0,38
В итоге получаем:
Определим
работу выхода электронов
.
Построим
график зависимости запирающего напряжения
от частоты
.
Аппроксимируем
линейной функцией
и определим параметры
и
.
Рисунок 6. Зависимость запирающего напряжения от частоты и её аппроксимация.
Оценим постоянную планка.
Определим граничную частоту фотоэффекта для материала фотокатода.
Вывод.
Были
изучены
закономерности внешнего фотоэффекта;
измерена работа выхода электрона и
красная граница эффекта для материала
фотокатода — они оказались равны
и
соответственно. Оценена постоянная
планка значением
.
Определены запирающие напряжения для
синего и зелёного излучений — они
равны
и
соответственно. Построены графики
зависимости силы тока от напряжения
при разной освещённости, зависимости
тока насыщения от освещённости, а также
зависимости запирающего напряжения от
частоты излучения — все они соответствуют
ожидаемому теоретическому поведению.
Ответы на дополнительные вопросы.
1. Законы Столетова. Красная граница для внешнего и внутреннего фотоэффекта.
Сила фототока пропорциональна освещённости поверхности катода при неизменной частоте света.
Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов зависит от частоты света и не зависит от его интенсивности.
Для любого вещества существует красная граница фотоэффекта.
Красная граница фотоэффекта — частота света, при которой ещё возможен фотоэффект, но при понижении частоты фотоэффект не наблюдается.
2. Правила заполнения электронных оболочек атома.
Правила Клечковского
Электрон в первую очередь занимает орбиталь с наименьшим значением суммы
,
где
и
— главное и орбитальное квантовые
числа.При одинаковой сумме электрон занимает орбиталь с наименьшим значением .
Принцип Паули
На одной орбитали может находится не более двух электронов с антипараллельными спинами.
Правило Хунда
При прочих равных условиях суммарное значение спинового квантового числа системы должно быть максимальным.
3. Законы теплового излучения.
Закон Кирхгофа
Отношение испускательной и поглощательной способностей не зависит от природы тела; оно является для всех тел универсальной функцией частоты и температуры:
Закон Стефана — Больцмана
Энергетическая светимость абсолютно чёрного тела пропорциональна четвёртой степени абсолютной температуры:
— постоянная
Стефана — Больцмана
Закон смещения Вина
Между длиной волны, на которой поток излучения энергии чёрного тела достигает своего максимума, и температурой чёрного тела есть зависимость:
— постоянная
Вина