Лабораторная работа №2. Изучение законов фотоэффекта и определение постоянной Планка

Изучение законов фотоэффекта и определение постоянной Планка.

Цель работы: Изучение законов фотоэффекта и определение постоянной Планка. Приборы и принадлежности: Установка для изучения внешнего фотоэффекта ФПК-10А

Миллиметровая бумага ‚калькулятор ‚транспортир

Устройства и принцип работы:

1.3 Установка состоит из объекта исследования 1 блока управления 3 (см.рис.1), выполненных в виде конструктивно законченных изделий устанавливаемых на лабораторном столе и соединенных между собой кабелем.

1.4 Объект исследования выполнение в виде сборного корпуса , в котором установлены осветитель и светофильтры . К корпусу прикреплен блок фотоэлементов с усилителем фототока 5, на боковую панель которого помещена кнопка 8 , установка «0» с регуляторами „грубо -точно” балансировки усилителя фототока , переключатель коэффициента усилителя фототока с множителями 10-20, выбор коэффициента усиления усилителя фототока зависит от величины сигнала фотоэлемента

Примечание: Коэффициент 20 выбирают при низких значения фототока, при коэффициенте 10 усилитель работает стабильней .В установке использованы вакуумные фотоэлементы Ф-2 и Ф-25

При установке блоков фотоприемников их приемное окно соединяется с выходным окном осветителя . Для смены фотоприемника необходимо вытащить блок из широкого разъема повернуть на 180º вокруг оси, снова вставить. На передней панели блока исследования находится сетевой выключатель , на задней стороне клемма заземления ,держатели предохранителей и сетевой шнур с вилкой ..

На боковой поверхности установки фототока расположены соединительный шнур для подключения к объекту исследования и регуляторы баланса усилителя (к объекту исследования) „грубо -точно”.

На боковой стенке расположены выходное окно осветителя и устройства для смены интерференционных светофильтры и регуляторы осветителя. Объект исследования подключается в сеть 220В , 50Гц с помощью сетевого шнура.

Блок управления выполнен в виде конструктивного изделия в нем применены 2 АЦП с цифровыми индикаторами тока и напряжения на фотоэлементе . На передней стороне –ручки регулировки напряжения ( Грубо 6 или точно 7) индикаторы В4 и МКА5 для индикации величин напряжения и фототоков.

На задней панели блока управления расположены выключатель сети ,клемма заземления держатели предохранителя, разъем для подключения объекта исследования . Подключается к сети 220В,50Гц

4 Принцип действия установки основан на измерении токов фотоэлемента при изменении полярности и изменения спектрального состава и величины приложенного к нему напряжения и величины освещения .

2 Теоретическая часть

Возникновение квантовых представлений физики связано с теоретическим анализом законов теплового излучения . Моделируя изучающее тела набором гармонических осцилляторов . Планк выдвинул гипотезу, согласно, которой осциллятор обладает только дискретном набором энергии:

Е=nhv (n=0.1.2…) и в процессе взаимодействия с полем излучения может менять энергию только порциями hv

h- физическая постоянная h-6.62*10^-34 Дж*С.

Оказалось, что не только энергия, но и механические моменты атомов ,молекул, ядер элементарных частиц выражаются в единицах „h” .

Квантовая природа электромагнитного излучения четко проявлятся при вырывании электронов из вещества под действием света , это явление было названо фотоэффектом.

В 1887 году Герц заметил ,что при освещении разрядного промежутка между двумя электродами ультрафиолетовым светом напряжение значительно уменьшается . Столетов разработал методику исследования этого явления при низких напряжениях и установил ряд важных закономерностей явления фотоэлементов .Известно что под действием света . С поверхности металла удаляются отрицательные заряды. Позднее было , доказано ,что его носителем являются электроны . Основные законы фотоэффекта в их современной трактовке

1. Сила фототока насыщения при освещения катода монохроматическом светом прямо пропорционально интенсивности падающего (на фотокатод), излучения (закон Столетова)

2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света (опыты Ленарда), но являеются линейной функцией его частоты (закон Эйнштейна).

3. Для каждого вещества существует граничная частота , при которой фотоэффект еще νₒ наблюдается, но ниже которой фототок исчезает при любых интенсивностях падающего света (красная граница фотоэффекта).

Рис.2. Схема опыта для изучения явления фотоэффекта

В 1905 году А. Энштейн первый объяснил эти результаты , предложив ,что свет представляет собой поток фотонов с энергией h v. Исходя из этого преставления можно дать следующее объяснение явлению фотоэлектрического эффекта.

Поглощенный металлом фотон отдает свою энергии электрону, если его достаточно, то электрон покидает металл , так как вероятность поглощения электроном одновременно двух квантов ничтожно мала, то каждый электрон заимствует энергию одного электрона.

Поэтому число освобожденных в секунду электронов (фототок) должно быть пропорционально числу поглощенных фотонов , то есть интенсивности света.

Для элементарного акта взаимодействия фотона с электроном металла можно записать закон сохранения энергии (уравнения Эйнштейна):

(3) hv =P+mv²/2

то есть при фотоэффекте энергия фотона hv расходует на вырывание электрона из металла (работа выхода P) и придания ему дополнительный кинетической энергии. Так как работа выхода электронов из металла P величина постоянная для данного вещества, то из формулы (1) непосредственно следует второй закон фотоэффекта .

Если hv≥P , то электрон способен покинуть металл преодолев силы связи , если же hv≤P то фотоэффект отсутствует . Таким образом для каждого металла существует некоторая частота при которой еще наблюдается фотоэффект. Это частота определяется из формулы (1) при условии Vmax=0

(4) ν₀=P/h

и носит название красной граница фотоэффекта:

(3) λ₀=сh/ρ граничная длина волны .

Постоянная Планка может быть определена из уравнения Энштейна (1) при исследовании вольтамперной характеристики фотоэлемента . Указанный метод носит название метода Милликена и Лукицкого .Если записать уравнение (1) для двух различных частот ,а затем по членно вычесть ,то можно выразить постоянную Планка через кинетическую энергию фото электронов и частоты ν₁ и ν₂

h=(m(v₁² /2)- m(v₂² /2)) / (v_1- v₂) (4)

Для измерения кинетич энерги фотоэлектронов часть используют метод задерживающего потенциала состоящий в том ,что фотоэлектроны заставлят проходить отрицательную разность потенциалов

eV_зад=mv_max² / 2

Подставив (5) в (4) имеем для постоянной Планка:

h = e (V_{1 зад}- V_{2 зад}) / (ν₁ - ν₂)

Длины волн пропускания светофильтров нм.

1. 407

2. 435

3. 546

4. 570

5. 580

Выполнение задания

Студент обязан снять вольтамперную характеристику для одного фотоэлемента с одним светофильтром.

10. Установить на объекте исследования фотоприемник с исследуемым фотоэлементом.

11. Подключить сетевые шнуры блок управления и объекта исследования сети.

12. Соединить блок и объект исследования кабелем.

13. Включить блок управления выключателем сеть на его панели, и дать нагреться в течении 3-4 минут.

14. Включить объект исследования выключателем „ сеть ” на его передней панели ,при этом должен загореться индикатор „ сеть ” объекта исследования

15. Установить необходимый светофильтр и дать лампе осветителя прогреться в течении 3-4 мин.

16. При нажатии кнопки „Установка 0 ” ручками „ГРУБО - ТОЧНО” на блоке фотоприемника , установить на индикаторе тока показание 0,000, после чего кнопку отпустить

17. С помощью ручек „ГРУБО - ТОЧНО” на блоке управления установить показание индикатора катодного напряжения на аноде фотоэлемента 0,000. Записать значение фототока при нулевом напряжении.

18. Определить задерживающий потенциал для одного фотоэлемент для двух светофильтров.

19. По данной формуле вычислить постоянную Планка.

20. Изменение светофильтр или фотоэлемент повторить пункт 9-10.

21. Выключить.

с=3*10⁸м/с

е=1,6*10^-19Кл

Таблица

№	U1	V1	U2	V2	λ	h

Контрольные вопросы.

1. Формула А .Эйнштейна.

2. Законы фотоэффекта.

3. Ток насыщения.

4. Задерживающий потенциал.

Литература.

3. Савельев И.В. курс общей физики, т.3

4. Сивухин Д.В. общий курс физики, т.4,5