Теория методов и описание установок

Физика

Оптика

«внешний фотоэлектрический эффект »

Методические указания к лабораторной работе № 7

для направления подготовки специалистов: 130400

бакалавров: 080100

Губкин, 2011

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени В.С. Черномырдина»

Губкинский институт (филиал)

ФГБОУ ВПО «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени В.С. Черномырдина»

_________

УТВЕРЖДЕНО

Директором Губкинского

института (филиала) МГОУ

Физика

Оптика

«внешний фотоэлектрический эффект »

Методические указания к лабораторной работе № 7

для направления подготовки специалистов: 130400

бакалавров: 080100

Губкин, 2011

УДК 53

Ф 50

Физика. Часть III. Внешний фотоэлектрический эффект: Методические указания к лабораторной работе№ 7/ Сост. К.С. Погорельский; Рец. к.ф.-м.н., доцент кафедры физики Ст.Оскольского технологического института А.А. Босенко, к.ф.м.н., доцент кафедры информационных технологий ГИ (филиала) МГОУ А.А. Давыдов. - Губкин.: ГИ МГОУ, 2011.- 10с.

Методические указания включают рекомендации и указания по изучению фотоэффекта. Методические указания содержат теоретическую часть и рекомендации, которые позволяют получить:

1) вольтамперную и световую характеристику фотоэлемента;

2) зависимость задерживающего напряжения от частоты падающего света;

3) «красную границу» фотоэлемента.

4) постоянную Планка.

Предназначены для студентов технических специальностей вузов.

© Губкинский институт (филиал) Московского государственного открытого университета, 2011.

© К.С. Погорельский, 2011.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7

ВНЕШНИЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ

Цель работы:

1. Исследовать зависимость силы фототока от величины при­ложенного к фотоэлементу напряжения (снятие вольтамперной характеристики).

2. Исследование зависимости фототока насыщения от светового потока (снятие световой характеристики).

Приборы и принадлежности: вакуумный фотоэлемент, оптическая скамья с масштабом, электрическая лампочка, закрепленная на конце скамьи, выпрямитель, потенциометр, вольтметр, микроамперметр.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Внешним фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называется испуска­ние электронов металлов под действием света.

Это явление было открыто в 1887 г. Г. Герцем. Подробное исследование фото­эффекта было проведено в 1888-1889 гг. А.Г. Столетовым, который установил следующие закономерности:

1. Испускаемые под действием света заряды имеют отрицательный знак (впоследствии было установлено, что эти заряды являются электронами).

2. Количество зарядов, испускаемых металлом (число фотоэлектронов), пропорционально интенсивности света.

Для фототока насыщения имеет место следующее состояние, получившее на­звание законом Столетова:

J_нас = кФ

где J_нас – фототок насыщения;

Ф – световой поток;

к – коэффициент пропорциональности.

3. Скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности света.

4. С изменением длины волны света скорость фотоэлектронов меняется. При некоторой длине волны, обозначаемой l_к, скорость фотоэлектронов равна нулю. Эта длина волны разграничивает области излучения, способного вызывать фотоэффект, от излучения, не создающего фотоэффекта.

Длина волны l_к называется "красной границей" фотоэффекта. Термин "красная граница" подчеркивает, что фотоэффект ограничен со стороны длинно­волновой части спектра. Свет, длина волны которого больше l_к, не вызывает фо­тоэффекта.

Наличие "красной границы" является одной из принципиальных особенностей фотоэлектрического эффекта.

В закономерностях фотоэффекта отчетливо проявляются квантовые свойства света. Согласно квантовой теории свет испускается, распространяется и поглощается отдельными "порциями" (квантами). Световые кванты получили название фотонов.

Основной характеристикой фотонов является энергия. Энергия фотона e определяется его частотой и или длиной волны l = и рассчитывается по формуле:

E = hν = , (2)

где h = 6,62 * 10^-34 Дж. сек. – постоянная Планка;

с = 3 * 10⁸ м/сек – скорость света в вакууме.

Таким образом, световой поток, характеризующийся ранее как монохроматическая волна с частотой ν, по квантовым представлениям является потоком фо­тонов, энергия которых Е = hν,.

Согласно теории относительности существует неразрывная связь между мас­сой m и энергией Е частицы:

E = mc² (3)

Подставив значение Е (2), получим выражение для массы фотона:

m = = (4)

Характерной особенностью фотона является то, что масса покоя то фотона равна нулю, в отличие от элементарных частиц вещества (электрон, протон, ней­рон), которые обладают не равной нулю массой покоя и могут находиться в со­стоянии покоя. Фотон не имеет массы покоя и может существовать только двига­ясь со скоростью с.

Так как фотон движется со скоростью с, то он обладает импульсом равным

P = mc = (5)

Направление импульса совпадает с направлением распространения света.

В 1905 г. А. Эйнштейн теоретически показал, что на основе квантовых пред­ставлений о свете могут быть объяснены все закономерности фотоэлектрического эффекта.

При фотоэффекте осуществляется взаимодействие световых квантов (фото­нов) с электронами вещества. Один электрон взаимодействует только с одним фо­тоном. При этом энергия фотона Е = hν передается электрону. Часть этой энер­гии, равная работе выхода А, затрачивается на вылет электрона из металла. Оста­ток энергии остается у электрона, вылетевшего из металла, в виде кинетической энергии.

Следовательно, при фотоэффекте выполняется соотношение:

hν = A + (6)

Соотношение (6) называется, уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна находится в полном согласии со всеми эксперимен­тальными данными. По Эйнштейну "красная границ" фотоэффекта должна обязательно существовать. "Красная граница" находится из условия = 0.

Следовательно:

hνк = A (7)

или

= А (8)

т.е. "красная граница" соответствует свету, у которого энергия фотонов равна ра­боте выхода электрона из металла. Поэтому свет частоты ν < ν_к (или соответ­ственно l >lк ) не может вызвать фотоэффект.

Фотоэффект имеет место только в том случае, если ν < ν_к или l >lк.

Теория Эйнштейна объясняет также пропорциональность числа фотоэлектро­нов интенсивности света. Действительно, интенсивность света определяется чис­лом фотонов, падающих на единицу поверхности металла в единицу времени, а число освобожденных фотоэлектронов пропорционально числу падающих фото­нов.

Таким образом, анализ характеристик свойств фотоэффекта на основе кванто­вой теории света подтверждает ее справедливость.

Фотоэффект находит широкое техническое применение. Он используется в приборах, называемых фотоэлементами. Фотоэлемент, в котором используется внешний фотоэффект, представляет собой стеклянный баллон, на одну половину внутренней поверхности которого наносится тонкий слой светочувствительного вещества. В зависимости от того, для какой спектральной области предназначен фотоэлемент, применяют серебряные, цезиевые, калиевые и другие слои. Све­точувствительный слой является фотокатодом. Анодом служит металлический виток или сетка, которые помещаются в центре баллона.

В баллоне фотоэлемента создается вакуум (вакуумные фотоэлементы) или баллон наполняется инертным газом (Аr, Не, Nе) при давлении от 0,01 до 0,1 мм рт. ст. (газонаполненные фотоэлементы).

Если на катод фотоэлемента направить пучок света и между катодом и анодом создать разность потенциалов, то в цепи возникает ток, называемый фототоком.

ТЕОРИЯ МЕТОДОВ И ОПИСАНИЕ УСТАНОВОК