Файл: Методические указания по выполнению лабораторной работы по дисциплине Физика для студентов направления 21. 05. 04 Горное дело.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.11.2023
Просмотров: 20
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Министерство образования и науки Российской Федерации
Филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования "Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева" в г. Белово
Кафедра технических наук
ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА
Методические указания по выполнению
лабораторной работы по дисциплине «Физика»
для студентов направления 21.05.04 «Горное дело»
Составитель: С.В. Белов
Утверждены на заседании кафедры
Протокол № 2 от 21.09.2017
Рекомендованы к печати
методическим советом филиала
КузГТУ в г. Белово
Протокол № 3 от 25.10.2107
Электронная копия находится в методическом кабинете филиала КузГТУ в г. Белово
Белово 2017
ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА
1. Цель работы: а) снятие вольт-амперной характеристики (ВАХ) вакуумного фотоэлемента; б) определение работы выхода электронов и красной границы фотоэффекта.
2. Подготовка к работе: ознакомиться с описанием лабораторной работы, изучить в [1], гл. 36; [2], §§ 202-207; [3], §9.
Для выполнения лабораторной работы студент должен знать: а) внешний и внутренний фотоэлектрический эффект; б) законы внешнего фотоэффекта; в) основные положения квантовой теории; г)уравнение Эйнштейна для фотоэффекта; д) методику обработки экспериментальных данных.
3. Выполнение работы
3.1. Описание лабораторного стенда
 | ФЭ – вакуумный фотоэлемент: k – катод; а – анод; Л – источник света; СФ – светофильтр; ИП – источник питания; П – переключатель; А – микроамперметр; V – вольтметр. |
| Рис.1. Схема установки | |
Для исследования явления внешнего фотоэффекта в данной установке используется вакуумный фотоэлемент
ФЭ. Фотоэлемент представляет собой откачанный стеклянный баллон, одна половина которого покрыта тонким слоем светочувствительного вещества k, служащего катодом. В центре баллона располагается анод а, выполненный
в виде кольца или шарика. Корпус фотоэлемента снабжен специальным карманом, в который помещается светофильтр СФ. Расходящийся пучок в света от источника (лампы Л, помещенной в специальный кожух с отверстием и закрепленной на штативе) проходит через светофильтр, благодаря которому на катод падает практически монохроматическое излучение длиной волны . Значение определяется цветом выбранного светофильтра. Величину светового потока , падающего на катод, можно регулировать, изменяя расстояние L между источником света и фотоэлементом.
Источник питания ИП предназначен для подачи постоянного напряжения U между катодом и анодом; величина U может быть измерена вольтметром V. При замыкании переключателя П в положение 1 на катод подается отрицательный потенциал, а на анод – положительный. В этом случае выбитые светом электроны (фотоэлектроны) устремляются к аноду, и по цепи течет ток (фототок) I, для измерения которого служит микроамперметр А.
3.2. Методика измерений и расчёта
Зависимость фототока I от напряжения U называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ) фотоэлемента. Проанализируем вид этой зависимости исходя из теории явления фотоэффекта. Согласно современным квантовым представлениям, монохроматическую электромагнитную (световую) волну можно рассматривать как поток особых частиц – фотонов, энергия каждого из которых ф зависит от частоты (или от длины волны ) излучения:
(1)где h – постоянная Планка; с – скорость света в вакууме.
Внутри металла, из которого изготовлен катод k фотоэлемента, имеется большое количество свободных электронов. При падении света на катод определенная часть фотонов взаимодействует с этими электронами, отдавая им свою энергию. Получив дополнительную энергию ф , электрон может совершить работу выхода Ав и покинуть катод. Величина работы выхода постоянна для данного металла, поэтому фотоэффект (выбивание электрона) возможен только при выполнении условия ф >
Aв . С учетом (1) это условие принимает вид
и позволяет найти максимальную длину волны кр , при которой еще возможен фотоэффект:
(2)(значение кр называют красной границей фотоэффекта).
Итак, при выполнении сформулированного выше условия электрон может покинуть металл. Разница между энергией фотона и энергией, затраченной на выход, сохраняется в виде кинетической энергии Wk . Максимальной кинетической энергией обладают те электроны, взаимодействие которых с фотонами произошло непосредственно у поверхности металла. Превращение энергии при фотоэффекте описывается известным уравнением Эйнштейна
(3)Множество покинувших катод электронов движутся во всевозможных направлениях, и некоторые из них попадают на анод. Поэтому даже при отсутствии напряжения между катодом и анодом (U = 0) в цепи течет малый по величине фототок I 0 (на рис. 2 показан примерный вид вольт-амперной характеристики – ВАХ фотоэлемента).
 |
| Рис.2. Вольт-амперная характеристика – ВАХ фотоэлемента |
Уменьшить фототок I 0 можно путем подачи обратного напряжения («–» на анод, « + » на катод), что осуществляется замыканием переключателя П в положение 2 (см. схему установки). Фототок будет полностью прекращен, если приложенное таким образом электрическое поле будет тормозить («загонять» обратно в катод) самые быстрые электроны. Соответствующее значение задерживающего (запирающего) напряжения Uз можно найти из условия, что работа сил электрического поля при этом полностью затрачивается на «погашение» максимальной кинетической энергии электронов:
(4)где e – элементарный электрический заряд.
С учетом (4) и (1) уравнение (3) принимает вид
откуда можно найти работу выхода электронов из металла
Ав по известным значениям длины волны излучения и задерживающего напряжения Uз :
. (5)Длина волны излучения , как уже отмечалось, определяется цветом используемого светофильтра СФ. Для измерения задерживающего напряжения Uз необходимо замкнуть переключатель П в положение 2 и увеличивать подаваемое обратное напряжение до тех пор, пока показания микроамперметра А не обратятся в нуль; соответствующее показание вольтметра V и будет представлять собой величину Uз .
Продолжим анализ характера зависимости I(U). Подача напряжения в прямом направлении (« + » на анод, « – » на катод) путем установки переключателя П в положение 1 заставляет фотоэлектроны двигаться к аноду. Увеличение напряжения вовлекает в этот процесс все больше выбитых электронов, вследствие чего ток I возрастает (см. рис. 2). При некотором значении U = Uн все фотоэлектроны попадают на анод, и дальнейшее повышение напряжения не приводит к увеличению фототока (наступает насыщение ВАХ). Величина фототока насыщения Iн прямо пропорциональна общему числу выбитых электронов, а следовательно, количеству падающих на катод фотонов. Количество фотонов, в свою очередь, определяется величиной светового потока . Таким образом, квантовая теория объясняет один из экспериментально открытых А.Г.Столетовым законов фотоэффекта: фототок насыщения прямо пропорционален освещенности катода. Для проверки справедливости этого закона в данной работе предусмотрено снятие ВАХ при двух значениях светового потока и (уменьшение освещенности катода осуществляется путем увеличения расстояния L между источником света и фотоэлементом).
3.3. Порядок выполнения работы
3.3.1. Снятие ВАХ фотоэлемента
1. Ознакомьтесь с экспериментальной установкой;
2. Перемещая вдоль оптической скамьи расположенные на ней источник света Л и фотоэлемент ФЭ, установите их на заданном (согласно рекомендациям к работе) расстоянии L друг от друга. Значение L запишите в левую часть табл. 1.
Таблица 1
Результаты измерения силы тока и напряжения
для построения ВАХ фотоэлемента
| L = см | L = см | ||
| U, В | I, мкА | U, В | I, мкА |
| 0 | | 0 | |
| … | … | … | … |
3. Замкните переключатель П в положение 1. Источник питания ИП установите на нуль снимаемого напряжения.
4. Поместите в карман на корпусе фотоэлемента светофильтр СФ в соответствии с рекомедациями.
5. Включите в сеть источник питания ИП, цифровой вольтметр V и осветитель Л.
6. Увеличивая согласно рекомендациям подаваемое на фотоэлемент напряжение, заносите показания вольтметра (U) и микроамперметра (I) в таблицу до тех пор, пока не будет достигнуто насыщение (при дальнейшем повышении напряжения фототок практически не будет изменяться).
7. Измените в соответствии с рекомендациями расстояние L и запишите его значение в правую часть табл. 1. Установите источник питания на нуль.
8. Повторите п. 6.
9. По результатам проделанных измерений постройте на одном графике обе вольтамперные характеристики. Сделайте соответствующие выводы.
3.3.2. Определение работы выхода электронов
1. Установите источник питания на нуль снимаемого напряжения. Замкните переключатель в положение 2. Поставьте первый из перечисленных в табл. 2 светофильтров.
2. Увеличивайте подаваемое на фотоэлемент напряжение до тех пор, пока показания микроамперметра не обратятся в нуль. Занесите в таблицу значение задерживающего напряжения Uз . Уменьшите показания вольтметра до нуля.
Таблица 2
Результаты измерения задерживающего напряжения Uз и расчета работы выхода электрона Ав
| Номер опыта | Светофильтр | , мкм | Uз , В | Ав , эВ | Ав , эВ | (Ав )2, эВ2 |
| 1 | Синий 1 | 0,43 | | | | |
| 2 | Синий 2 | 0,46 | | | | |
| 3 | Зеленый | 0,50 | | | | |
| 4 | Желтый | 0,51 | | | | |
| 5 | Оранжевый | 0,52 | | | | |
| 6 | Красный | 0,57 | | | | |