Лабораторна робота №64-1

Дослідження фотоефекту і ВИЗНАЧЕННЯ СТАЛОЇ

ПЛАНКА ТА РОБОТИ ВИХОДУ ЕЛЕКТРОНА

Мета роботи:

Дослідити явище зовнішнього фотоефекту і визначити величину сталої Планка та роботи виходу електрона.

Теоретичні відомості:

В даній роботі стала Планка h та робота виходу електрона за поверхню метала знаходяться з рівняння Ейнштейна для зовнішнього фотоефекта. Явище фотоефекта докладно розглянуто у [1-6].

Елементарний акт зовнішнього фотоефекта з точки зору квантової теорії включає наступні процеси: опромінення атома електромагнітною хвилею - фотоном з частотою і передача енергії hν кванта світла електрону; подолання електроном потенційного бар'єру і вихід за межі металу. Для подолання потенціального бар'єру електрон виконує роботу виходу за рахунок енергії поглинутого кванта. Залишкова енергія йде на набуття електроном кінетичної енергії і швидкості V.

Рівняння Ейнштейна, що виражає собою закон збереження енергії в елементарному акті зовнішнього фотоефекта, має вигляд

. (1)

Цю формулу можна записати через довжину світлової хвилі , з огляду на співвідношення , де c - швидкість світла у вакуумі

. (2)

Фотоелектрони, що залишили провідник, мають швидкості від 0 до деякої максимальної V_М . Максимальна швидкість V_М фотоелектронів може бути знайдена з таких міркувань;

На фотоелектрон у просторі над поверхнею провідника можна впливати зовнішнім електричним полем і гальмуючим електричним полем можна, погасивши кінетичну енергію електрона, зменшити його швидкість до нуля. При цьому робота електричного поля (де затримуюча напруга) чисельно дорівнює початковій кінетичній енергії електрона

. (3)

З огляду на вище сказане рівняння Ейнштейна (1) набуде вигляду:

. (4)

З (4) випливає, що величина є зростаючою лінійною функцією частоти .

Якщо визначити величину затримуючої напруги для двох частот світла, то можна записати систему двох лінійних рівнянь відносно сталої Планка h та роботи виходу у вигляді

. (5)

Рзв'язуючи систему рівнянь (5) одержуємо розрахункові формули

. (6)

експериментальні дослідження:

Експериментальна установка для дослідження зовнішнього фотоефекту складається з (Див.Рис.1): Джерела живлення , світловипромінюючих діодів1-3, перемикача SW1, вакуумного фотоелементу із зовнішнім фотоефектом , подільника напруги R3, R4, потенціометра Р1, мікроамперметра РА1 та вольтметра РА2.

Вакуумний фотоелемент із зовнішнім фотоефектом , освітлюється світлом випромінюючого діоду . Фотоелемент підключено в електричне коло до мікроамперметра РА1, який вимірює величину фотоструму. Між фотокатодом і анодом фотоелемента створюється електричне поле за рахунок напруги від подільника напруги R3, R4 , який живиться від джерела постійної напруги . Напруга U на фотоелементі може змінюватись за допомогою потенціометра Р1 і виміряється вольтметром РА2. У роботі використовується набір світловипромінюючих діодів з довжинами хвиль випромінювання λ1=455 нМ(синій), λ2=565 нМ (зелений), λ3=590 нМ (жовтий).

Хід виконання роботи Таблиця 1.

N		1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
λ1нм	U(в)
	І(дел.)
λ2нм	U(в)
	І(дел.)

I. Ознайомитися з конструкцією і складом установки.

2. Освітлюючи фотоелемент світлом різних кольорів (довжин хвиль) – колір вибирається, включаючи відповідний світловипромінюючий діод перемикачем SW1 і, змінюючи потенціометром Р1 напругу U на фотоелементі, виміряти фотострум І при різних напругах гальмуючого й прискорюючого електричних полів. При гальмуючих напругах на фотоелементі, крок зміни напруги U варто брати рівним одній поділці шкали вольтметра. Результати вимірів занести в Таблицю.

Обробка результатів вимірювання:

1. Побудувати графіки вольтамперних характеристик для двох відомих довжин хвиль (частот) світла.

2. Користуючись графіком, визначити значення замикаючої напруги, при якій величина фотоструму І=0, для кожної з довжин хвиль.

3. За рівняннями (6) розрахувати значення сталої Планка h та роботи виходу . Значення представити в одиницях системи СІ й в електрон-вольтах.

При виконанні розрахунків можна використовувати комп'ютерну математичну програму MCAD [7].

4. Остаточний результат записати у вигляді

5. Проаналізуйте одержані результати і висновки запишіть до протоколу.

Контрольні питання

1. У чому полягає сутність фотоелектричних явищ і їхня роль у поясненні природи світла?

2. Що таке червона границя фотоефекту?

3. Що таке робота виходу електрона і на які процеси вона витрачається при зовнішньому фотоефекті?

4. Сформулювати закони зовнішнього фотоефекту і пояснити фізичну суть рівняння Ейнштейна.

5. Вивести формулу, за якою розраховується стала Планка.

Література

№п/п	Назва	Автор
1	Курс физики.М. Высшая школа:1983.	Трофимова Т.И.
2	Курс общей физики. Т.2.3. - М.: Высшая школа, 1987.	Детлаф А.А., Яворский Б.М., Милковская Л.Б.
3	Фізика..М.1981. Загальна фізика. Оптика, квантова фізика.- К.: Вища школа, 1991.	Кучерук І.М., Горбачук І.Т.
4	Курс физики. Т 3.М.:1982.	Савельев И.Н.
5	Загальні основи фізики. Київ.: Либідь, 1998.	І.Г.Богацька, Д.В. Головко, Ю.Л.Ментковський.
6	Введение в физику твердого тела.- М.: Наука, 1978.	Киттель Ч.
7	методичні вказівки по використанню MCAD для опрацювання результатів лабораторних робіт фізпрактикума. Київ.: КНУТД, 2002.	Потапов А.О., Мотіна А.І.