Файл: Лабораторная работа 3 по учебному курсу Физика 3.docx

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Тольяттинский государственный университет»

Тольяттинский государственный университет

(наименование института полностью)

Техносферная безопасность

(Наименование учебного структурного подразделения)

Безопасность технологических процессов и производств

(код и наименование направления подготовки / специальности)

(направленность (профиль) / специализация)

Лабораторная работа №3
по учебному курсу « Физика 3» ^{(наименование учебного курса)}
Вариант __3__ (при наличии)

Обучающегося	В.А.Леонтьевой
	(И.О. Фамилия)
Группа	ТБбп-1902б
Преподаватель	Ясников Игорь Станиславович
	(И.О. Фамилия)

Тольятти 2023

Лабораторная работа

Внешний фотоэффект (бригада 3)

Цель работы: знакомство с квантовой моделью внешнего фотоэффекта. Экспериментальное подтверждение закономерностей внешнего фотоэффекта. Экспериментальное определение красной границы фотоэффекта, работы выхода фотокатода и постоянной Планка.

---

Теоретическая часть

Модели электромагнитного излучения (ЭМИ):

• 
  Луч – линия распространения ЭМИ (геометрическая оптика).
  
• 
  Волна – гармоническая волна, имеющая амплитуду и определенную длину волны или частоту (волновая оптика),
  
• 
  Поток частиц (фотонов) используется для объяснения многих эффектов, на которых основана квантовая теория строения вещества.
  

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

Энергия фотона:



- частота излучения, - постоянная Планка,

Энергия часто измеряется во внесистемной единице «Электрон-вольт=эВ».

Масса фотона связана с его энергией соотношением Эйнштейна:



Импульс фотона: где - длина волны ЭМИ.

Внешний фотоэффект есть явление вылета электронов из вещества (металла) при его облучении ЭМИ, например светом. Вылетевшие электроны называются фотоэлектронами (фотоэффектом).

Кинетическая энергия электрона внутри вещества увеличивается на , но при вылете фотоэлектрона из вещества им совершается 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):



Это отношение называют формулой (законом) Эйнштейна для фотоэффекта.

Красная граница фотоэффекта есть минимальная частота ЭМИ, при которой еще наблюдается фотоэффект, то есть для которой энергия фотона равна работе выхода

---

.

Фотоэлементом называют устройство, в котором используется внешний фотоэффект. Это устройство, как правило, включает в себя два металлических электрода, впаянных в стеклянную колбу. Один из электродов называют анодом, а второй – фотокатодом, и на нем наблюдается фотоэффект.

Анод обеспечивает поглощение фотоэлектронов и протекание тока во всей цепи.

Колба вакуумируется (из нее откачивается воздух до очень низких давлений, порядка ), с тем, чтобы фотоэлектроны могли без столкновений двигаться от катода до анода.

Запирающим (задерживающим) напряжением называется минимальное тормозящее напряжение между анодом и фотокатодом, при котором прекращается ток в цепи этой лампы, то есть фотоэлектроны не долетают до анода. При таком напряжении кинетическая энергия электронов у катода равна потенциальной энергии электронов у анода:


Экспериментальная часть

Выполним эксперименты на виртуальной установке рис.1.



Рис.1. Модель эксперимента по исследованию фотоэффекта

Эксперимент 1

1. 
   Установим нулевое напряжение между анодом и фотокатодом.
   
2. 
   Зацепив мышью, переместим метку на спектре, постепенно увеличивая длину волны облучения фотокатода. Добьемся полного отсутствия фотокатода.
   
3. 
   Зафиксируем самую большую длину волны , при которой фототок еще присутствует.
   
4. 
   Запишем значение длины волны красной границы фотоэффекта.
   

Красная граница фотоэффекта для ртути:


Эксперимент 2

1. 
   Установим тип вещества и значение запирающего напряжения в соответствии с номером бригады.
   
2. 
   Перемещая мышью метку на спектре, установим такое максимальное значение длины волны, при котором прекращается фототок. При этом напряжение между анодом и фотокатодом равно напряжению запирания .
   
3. 
   Значения занесем в таблицу 1. Повторим измерения при других значениях напряжения запирания.
   

---

Таблица 1.Результаты измерений (вещество ртуть)

Номер измерения	1	2	3	4
, В	-0,4	-1,6	-3,0	-4,5
, нм	248	200	174	138
, 106м-1	4,032	5,0	5,747	7,246

4. 
   Вычислим и запишем в таблицу 1 обратные длины волн.
   

5. 
   Построим график зависимости напряжения запирания от обратной длины волны .
   

6. 
   Определим постоянную Планка, используя график и формулу:
   

Расчетная формула:



,

Среднее значение постоянной Планка по графику:

Линейная регрессия где средняя ошибка аппроксимации .

7. 
   Произведем расчеты абсолютной погрешности измерения постоянной Планка по формулам:
   

где

---

и соответственно максимальное и минимальное значения напряжения запирания в эксперименте 2, и соответственно максимальное и минимальное значения длины волны излучения в эксперименте 2, - абсолютные погрешности измерения напряжения, - абсолютные погрешности измерения длины волны.





Абсолютная погрешность измерения постоянной Планка:



Постоянная Планка с учетом абсолютной погрешности измерения:

8. 
   По точке пересечения графика с вертикальной осью (когда ) определим значение работы выхода материала фотокатода.
   

Значение работы выхода материала фотокатода по графику:





По табличным данным работа выхода материала фотокатода, с учетом небольших погрешностей соответствует материалу – ртуть.

По графику зависимости напряжения запирания от обратной длины волны , видно, что с увеличением длины волны абсолютная величина задерживающей разности потенциалов уменьшается, а это подтверждает закономерности внешнего фотоэффекта.
Вывод: в ходе выполнения лабораторной работы произведено ознакомление с квантовой моделью внешнего фотоэффекта. Экспериментально подтверждены закономерности внешнего фотоэффекта, отображенные на графике зависимости напряжения запирания от обратной длины волны . Экспериментально определена красная граница фотоэффекта для ртути равная

---