Внешний фотоэффект

Dr

D j

X_MAX

максимум

2_9. ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЕТКА

Ознакомьтесь с теорией в конспекте, учебнике (Савельев, т.2, §129,130). Запустите программу «Эл-магн.Кванты». Выберите «Оптика» и «Дифракционная решетка». Нажмите вверху внутреннего окна кнопку с изображением страницы. Прочитайте краткие теоретические сведения. Необходимое запишите в свой конспект. (Если вы забыли, как работать с системой компьютерного моделирования, прочитайте ВВЕДЕНИЕ стр.5 еще раз).

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

* Знакомство с моделированием процесса сложения когерентных электромагнитных волн.

* Экспериментальное исследование закономерностей взаимодействия световых волн с периодической структурой (дифракционной решеткой).

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ:

Зарисуйте с экрана компьютера то, что расположено в трех прямоугольных рамках.

ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКОЙ называется совокупность большого числа N одинаковых, отстоящих друг от друга на одно и то же расстояние, прямоугольных щелей в плоском непрозрачном экране.

ПЕРИОДОМ (постоянной) дифракционной решетки называется расстояние d между серединами соседних щелей или сумма ширины щели b и ширины непрозрачного участка a.

При анализе излучения, проходящего через решетку, обычно используют линзу и экран, расположенный в фокальной плоскости линзы на расстоянии L от нее. Линза собирает параллельные лучи в одну точку на экране. Положение Х точки на экране зависит от угла падения q лучей на линзу: X = Lsin(q). Для очень малых углов sin(q) = q и X = qL.

РАЗНОСТЬ ХОДА лучей от соседних щелей D = dsin(q).

РАЗНОСТЬ ФАЗ лучей от соседних щелей .

ИНТЕНСИВНОСТЬ ИЗЛУЧЕНИЯ, идущего от решетки под углом q:

I_РЕШ = I₀ ,

где I₀ - интенсивность, создаваемая одной щелью против центра линзы, b - ширина щели. Первый множитель обращается в 0 в точках, для которых bsin(q_k) = ±kl (k = 1,2,...). Второй множитель принимает значение N² в точках, удовлетворяющих условию dsin(q_m) = ±ml (m = 0,1,2,...). Последнее условие определяет положение ГЛАВНЫХ МАКСИМУМОВ излучения, а m называется порядком максимума. Интенсивность в главном максимуме преобразуем, раскладывая синус в ряд и ограничиваясь первыми двумя членами разложения:

I_m = N²I₀ .

Обозначим .

Отношение R_m интенсивности в m-том максимуме к интенсивности в нулевом максимуме называется «относительной интенсивностью m-того максимума».

Формулу можно проверить экспериментально и из соответствующего графика получить ширину щели.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3_1

ВНЕШНИЙ ФОТОЭФФЕКТ

Ознакомьтесь с конспектом лекций и учебником (Савельев, т.3, §9). Запустите программу «Эл-магн.Кванты». Выберите «Квантовая физика» и «Фотоэффект». Нажмите вверху внутреннего окна кнопку с изображением страницы. Прочитайте краткие теоретические сведения. Необходимое запишите в свой конспект. (Если вы забыли, как работать с системой компьютерного моделирования, прочитайте ВВЕДЕНИЕ стр.5 еще раз).

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

* Знакомство с квантовой моделью внешнего фотоэффекта.

* Экспериментальное подтверждение закономерностей внешнего фотоэффекта.

* Экспериментальное определение красной границы фотоэффекта, работы выхода фотокатода и постоянной Планка.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ:

Фотоны это частицы (кванты), поток которых является одной из моделей электромагнитного излучения (ЭМИ).

ЭНЕРГИЯ ФОТОНА Е_Ф = hn,

 - частота излучения, h - постоянная Планка, h = 6.6210^-34 Джс).

Энергия часто измеряется во внесистемных единицах «электрон-вольтах».

1 эВ = 1.6·10^-19 Дж.

Масса фотона связана с его энергией соотношением Эйнштейна

Е_Ф = m_Фc², отсюда m_Ф =

ИМПУЛЬС ФОТОНА p = m_Ф c = где l - длина волны ЭМИ.

ВНЕШНИЙ Фотоэффект есть явление вылета электронов из вещества (металла, фотокатода) при его облучении электромагнитным излучением (ЭМИ), например, светом. Вылетевшие электроны называются фотоэлектронами. Далее для краткости указанное явление будем называть просто фотоэффектом.

Кинетическая энергия электрона внутри вещества увеличивается на h, но при вылете фотоэлектрона из вещества им совершается работа А_ВЫХ (работа выхода) против сил электростатического притяжения к металлу. У фотоэлектрона сообщенная ему фотоном порция энергии уменьшается на величину, равную работе выхода из металла (фотокатода), а оставшаяся часть имеет вид кинетической энергии фотоэлектрона вне металла (фотокатода):

= h - А_ВЫХ .

Это соотношение называют формулой (законом) Эйнштейна для фотоэффекта.

Красная граница фотоэффекта есть минимальная частота ЭМИ, при которой еще наблюдается фотоэффект, т.е. для которой энергия фотона равна работе выхода h_КР= А_ВЫХ.

Запирающим (задерживающим) напряжением называется минимальное тормозящее напряжение между анодом вакуумной лампы (фотоэлемента) и фотокатодом, при котором отсутствует ток в цепи этой лампы, т.е. фотоэлектроны не долетают до анода. При таком напряжении кинетическая энергия электронов у катода равна потенциальной энергии электронов у анода, откуда следует выражение:

U_ЗАП = ,

где е - заряд электрона.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3_2