Файл: Лабораторная работа 15 изучение явления внешнего фотоэффекта. Определение постоянной планка. Цель работы.doc
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 12.12.2023
Просмотров: 98
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
ИК области обычно используется кислородно-цезиевый фотокатод. Вакуумные фотоэлементы практически безынерционны и для них наблюдается строгая пропорциональность фототока интенсивности излучения.
Д
ля увеличения чувствительности баллон фотоэлемента может быть заполнен разреженным инертным газом (аргоном или неоном). В этом элементе фототок усиливается вследствие ударной ионизации молекул газа фотоэлектронами. Такие фотоэлементы называются газонаполненными. Они обладают гораздо большей чувствительностью по сравнению с вакуумными, но имеют большую инерционность, что ограничивает область их применения.
Для получения достаточного фототока при малых интенсивностях падающего излучения применяются фотоэлектронные умножители (ФЭУ), в которых наряду с фотоэффектом используется явление вторичной электронной эмиссии.Фотоэлектронный умножитель представляет собой (Рис. 6) вакуумную трубку с фотокатодом К и анодом А, между которыми расположено несколько электродов – эмиттеров. вторичной электронной эмиссии. Фотоэлектроны, эмитированные под действием излучения катодом, пройдя ускоряющую разность потенциалов между К и Э1, попадают на эмиттер Э1. За счет вторичной электронной эмиссии (испускание электронов поверхностью вещества при бомбардировке ее пучком электронов) количество электронов после Э1 будет большим, чем при падении на Э1. Эти электроны направляются, ускоряясь, на Э2. Процесс повторяется на всех последующих эмиттерах. В результате ток анода будет значительно больше, чем исходный фототок. Коэффициент усиления ФЭУ может достигать 107 , что позволяет применять их в случае очень малых потоков излучения, например, в астрономии.
В
нешний фотоэффект используется также в электронно-оптических преобразователях ЭОП – устройствах, предназначенных для усиления яркости светового изображения и преобразования невидимого глазом изображения объекта (например, в ИК или УФ лучах) в видимое. Схема простейшего ЭОП приведена на Рис.7. Изображение предмета
А с помощью оптической линзы 1 проецируется на фотокатод 2, что вызывает с поверхности фотокатода фотоэлектронную эмиссию, пропорциональную распределению интенсивности спроецированного изображения. Фотоэлектроны, ускоренные электрическим полем электрода 3, фокусируются электронной линзой 4 на экран 5, где электронное изображение преобразуется в световое. Электронная часть преобразователя находится в вакуумном сосуде 6.
4. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ
ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА
В
данной работе для исследования внешнего фотоэффекта используется фотоэлемент, т.е. простейшее устройство, которое основано на использовании внешнего фотоэффекта. Фотоэлемент (Рис.8) состоит из анода и катода, на который падает световой поток.
Вся система заключена в стеклянный баллон, из которого откачан воздух. Фотокатод представляет собой тонкий фоточувствительный слой, нанесённый на внутреннюю часть поверхности баллона. В результате чего, свет, падая на фотокатод выбивает из него электроны, которые далее собираются анодом.
Рис.9. Монохроматор
Рис.10. Схема лабораторной установки:
1–диспергирующая призма, 2–подвижный объектив фокусировки,
3–входная щель, 4–световод, 5–источник света, 6–заслонка,
7, 12–микрометрические винты (расположены снизу), 8–выходная щель,
9–поворотный механизм призмы, 10–указатель барабана, 11–барабан,
13–фотокатод, 14–фотоэлемент; позволяет измерять величину светового потока, падающего на его фотокатод, 15–светонепроницаемый экран фотоэлемента.
Схема лабораторной установки приведена на Рис.10. Свет от источника 5 (лампа накаливания в кожухе) с помощью гибкого оптоволоконного световода 4 направляется на входную щель 3 призменного монохроматора типа УМ-2. Монохроматор выделяет узкий спектральный интервал излучения лампы (благодаря диспергирующей призме 1) и через выходную щель 8 это излучение падает на фотокатод фотоэлемента 14.
Ширина щелей монохроматора регулируется микрометрическими винтами
7 и 12. Это
Поток света, проходящий через монохроматор, можно перекрыть внутренней заслонкой 6. Для этого надо перевести флажок заслонки в положение " Закрыто ". Длина волны излучения, падающего на фотоэлемент, зависит от положения призмы и устанавливается по делениям барабана 11 согласно таблицам 1 и 2.
Рис.11.Упрощенная схема установки
Для создания разности потенциалов между анодом и катодом фотоэлемента используется регулируемый источник питания +9В. Величина напряжения источника питания ступенчато регулируется кнопками "больше" и "меньше" на Блоке управления и отображается на индикаторе "U анод-катод", а также на вольтметре В7-26
Для определение потенциала запирания фотоэлемента имеется регулируемый источник питания –2В.
Ток, возникающий в фотоэлементе, очень мал и не может быть измерен непосредственно. Для его измерения используется электрометрический усилитель У5-6.
В основу работы усилителя положен принцип измерения слабых токов по величине падения напряжения на известном сопротивлении (переключатель "Входное сопротивление- Ω").
Ток через электрометрический усилитель равен
I = Uвых / Rbx
где: Uвых – выходное напряжение усилителя, значение которого снимается по шкале прибора У5-6.
rbx – входное сопротивление усилителя, значение которого устанавливается на передней панели прибора переключателем "Входное сопротивление - Ω".
5. ЗАДАНИЕ
5.1.1. Снять зависимость фототока I от напряжения анод-катод Uа-к для нескольких выбранных линий спектра излучения лампы накаливания.
5.1.2. Построить график зависимости I=f (Uа-к) для этих линий.
5.1.3. Определить величину потенциала запирания Uo для каждой из этих линий.
5.1.4. Построить график зависимости потенциала запирания от частоты света U0=f (ν). (Частота – ν =С/λ).
5.1.5. По графику U0=f (ν) определить красную границу фотоэффекта и, используя формулу (8), величину постоянной Планка.
6.1. Перед включением усилителя У5-6 удостоверьтесь, что тумблера и переключатели на его передней панели соответствуют следующим положениям:
"ВИД ИЗМЕРЕНИЯ" в положение " I ",
"ПОЛЯРНОСТЬ" в положение "–",
"ВХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ–Ω" в положение "1010".
Включите усилитель тумблером "СЕТЬ".
6.2. На передней панели вольтметра В7-26 установите переключатель рода работ в положение "+U ".
"ШКАЛА ПРИБОРА–V" (пределы измерения)–в положение " 10 "
Пояснение. При установке переключателя "ШКАЛА ПРИБОРА-V" в положение "10" предел измерения прибора оказывается равным 10В. Это означает, что при максимальном отклонении стрелки вправо (деление 100 по верхней шкале) на прибор поступает 10В.
В положениях переключателя, кратных трем (3В и 0.3В) отсчет удобнее делать по нижней шкале.
Включите вольтметр тумблером " СЕТЬ ".
6.3. Включите блок питания лампы ЭПС-111.
6.4. Включите БЛОК УПРАВЛЕНИЯ кнопочным переключателем "СЕТЬ ВКЛ". На блоке управления установите:
- кнопками "U анод-катод" разность потенциалов равной 9 В (значение напряжения отображается на цифровом индикаторе блока, а также на вольтметре В7-26).
- потенциометр "Установка Uвх" в крайнее положение по часовой стрелке.
Убедитесь, что показания цифрового индикатора блока и вольтметра В7-26 соответствуют 9 В.
6.6. На усилителе У5-6 переключатель "ШКАЛА ПРИБОРАV" поставьте в положение"10 ".
6.7. Вращая барабан 11 монохроматора, установите его на деление 3000 (напротив индекса отсчетного указателя 10, Рис. 9).
6.8. На блоке питания ЭПС-111 тумблерами ”СЕТЬ” и “ЛАМПА К-12” включите источник света.
Стрелка прибора усилителя У5-6 отклонится вправо.
6.9. Микрометрическим винтом 12 выставьте показание прибора У5-6 равным 10 В (деление 100 по верхней шкале).
7. ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ
7.1.1. Уменьшая напряжение на фотоэлементе от 9 до 0 В кнопками "Uанод-катод" блока управления, снимите зависимость фототока от разности потенциалов между анодом и катодом. Величину напряжения контролируйте по цифровому индикатору. Показания прибора У5-6 записывайте в таблицу 1 (барабан 11 монохроматора установлен на деление 3000).
7.1.2. Проделайте пункт 7.1.1 также для других участков спектра (деления барабана: 2800, 2600, 2400 и 2200).
Таблица 1.
7.1.2. Постройте график зависимости фототока от потенциала анод-катод для всех участков спектра I=f (Uа-к).
7.2.Определение потенциала запирания U0 для каждого участка спектра лампы накаливания.
7.2.1. Установите органы управления приборов в следующие исходные положения:
1. На усилителе УМ-5.
2. Вольтметр В7-26.
3. Прибор У5-6.
7.2.2. Вращая барабан монохроматора, установите его указатель (10 на Рис.9) на деление 3000.
7.2.3. Плавно вращая против часовой стрелки ручку потенциометра "УСТАНОВКАUвх" блока управления, добейтесь уменьшения фототока до нулевого значения по прибору У5-6.
При этом вольтметр В726 показывает потенциал запирания U0.
Значение U0 внесите в таблицу 2.
Повторите измерения для остальных участков спектра.
здесь частота ν = с/λ ,
с – скорость света.
7.2.4. Введите в компьютер величины потенциалов запирания и получите значение постоянной Планка.
Д
ля увеличения чувствительности баллон фотоэлемента может быть заполнен разреженным инертным газом (аргоном или неоном). В этом элементе фототок усиливается вследствие ударной ионизации молекул газа фотоэлектронами. Такие фотоэлементы называются газонаполненными. Они обладают гораздо большей чувствительностью по сравнению с вакуумными, но имеют большую инерционность, что ограничивает область их применения.Для получения достаточного фототока при малых интенсивностях падающего излучения применяются фотоэлектронные умножители (ФЭУ), в которых наряду с фотоэффектом используется явление вторичной электронной эмиссии.Фотоэлектронный умножитель представляет собой (Рис. 6) вакуумную трубку с фотокатодом К и анодом А, между которыми расположено несколько электродов – эмиттеров. вторичной электронной эмиссии. Фотоэлектроны, эмитированные под действием излучения катодом, пройдя ускоряющую разность потенциалов между К и Э1, попадают на эмиттер Э1. За счет вторичной электронной эмиссии (испускание электронов поверхностью вещества при бомбардировке ее пучком электронов) количество электронов после Э1 будет большим, чем при падении на Э1. Эти электроны направляются, ускоряясь, на Э2. Процесс повторяется на всех последующих эмиттерах. В результате ток анода будет значительно больше, чем исходный фототок. Коэффициент усиления ФЭУ может достигать 107 , что позволяет применять их в случае очень малых потоков излучения, например, в астрономии.
В
нешний фотоэффект используется также в электронно-оптических преобразователях ЭОП – устройствах, предназначенных для усиления яркости светового изображения и преобразования невидимого глазом изображения объекта (например, в ИК или УФ лучах) в видимое. Схема простейшего ЭОП приведена на Рис.7. Изображение предмета
А с помощью оптической линзы 1 проецируется на фотокатод 2, что вызывает с поверхности фотокатода фотоэлектронную эмиссию, пропорциональную распределению интенсивности спроецированного изображения. Фотоэлектроны, ускоренные электрическим полем электрода 3, фокусируются электронной линзой 4 на экран 5, где электронное изображение преобразуется в световое. Электронная часть преобразователя находится в вакуумном сосуде 6.
4. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ
ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА
В
данной работе для исследования внешнего фотоэффекта используется фотоэлемент, т.е. простейшее устройство, которое основано на использовании внешнего фотоэффекта. Фотоэлемент (Рис.8) состоит из анода и катода, на который падает световой поток.Вся система заключена в стеклянный баллон, из которого откачан воздух. Фотокатод представляет собой тонкий фоточувствительный слой, нанесённый на внутреннюю часть поверхности баллона. В результате чего, свет, падая на фотокатод выбивает из него электроны, которые далее собираются анодом.
Рис.9. Монохроматор
Рис.10. Схема лабораторной установки:
1–диспергирующая призма, 2–подвижный объектив фокусировки,
3–входная щель, 4–световод, 5–источник света, 6–заслонка,
7, 12–микрометрические винты (расположены снизу), 8–выходная щель,
9–поворотный механизм призмы, 10–указатель барабана, 11–барабан,
13–фотокатод, 14–фотоэлемент; позволяет измерять величину светового потока, падающего на его фотокатод, 15–светонепроницаемый экран фотоэлемента.
Схема лабораторной установки приведена на Рис.10. Свет от источника 5 (лампа накаливания в кожухе) с помощью гибкого оптоволоконного световода 4 направляется на входную щель 3 призменного монохроматора типа УМ-2. Монохроматор выделяет узкий спектральный интервал излучения лампы (благодаря диспергирующей призме 1) и через выходную щель 8 это излучение падает на фотокатод фотоэлемента 14.
Ширина щелей монохроматора регулируется микрометрическими винтами
7 и 12. Это
Поток света, проходящий через монохроматор, можно перекрыть внутренней заслонкой 6. Для этого надо перевести флажок заслонки в положение " Закрыто ". Длина волны излучения, падающего на фотоэлемент, зависит от положения призмы и устанавливается по делениям барабана 11 согласно таблицам 1 и 2.
Рис.11.Упрощенная схема установки
Для создания разности потенциалов между анодом и катодом фотоэлемента используется регулируемый источник питания +9В. Величина напряжения источника питания ступенчато регулируется кнопками "больше" и "меньше" на Блоке управления и отображается на индикаторе "U анод-катод", а также на вольтметре В7-26
Для определение потенциала запирания фотоэлемента имеется регулируемый источник питания –2В.
Ток, возникающий в фотоэлементе, очень мал и не может быть измерен непосредственно. Для его измерения используется электрометрический усилитель У5-6.
В основу работы усилителя положен принцип измерения слабых токов по величине падения напряжения на известном сопротивлении (переключатель "Входное сопротивление- Ω").
Ток через электрометрический усилитель равен
I = Uвых / Rbx
где: Uвых – выходное напряжение усилителя, значение которого снимается по шкале прибора У5-6.
rbx – входное сопротивление усилителя, значение которого устанавливается на передней панели прибора переключателем "Входное сопротивление - Ω".
5. ЗАДАНИЕ
5.1.1. Снять зависимость фототока I от напряжения анод-катод Uа-к для нескольких выбранных линий спектра излучения лампы накаливания.
5.1.2. Построить график зависимости I=f (Uа-к) для этих линий.
5.1.3. Определить величину потенциала запирания Uo для каждой из этих линий.
5.1.4. Построить график зависимости потенциала запирания от частоты света U0=f (ν). (Частота – ν =С/λ).
5.1.5. По графику U0=f (ν) определить красную границу фотоэффекта и, используя формулу (8), величину постоянной Планка.
6. ПОДГОТОВКА ПРИБОРОВ К РАБОТЕ
6.1. Перед включением усилителя У5-6 удостоверьтесь, что тумблера и переключатели на его передней панели соответствуют следующим положениям:
"ПОСТ. ВРЕМЕНИ" в положение "БОЛЬШЕ",
"ВИД ИЗМЕРЕНИЯ" в положение " I ",
"ПОЛЯРНОСТЬ" в положение "–",
"ШКАЛА ПРИБОРА-V" в положение "ВЫКЛ",
"ВХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ–Ω" в положение "1010".
Включите усилитель тумблером "СЕТЬ".
6.2. На передней панели вольтметра В7-26 установите переключатель рода работ в положение "+U ".
"ШКАЛА ПРИБОРА–V" (пределы измерения)–в положение " 10 "
Пояснение. При установке переключателя "ШКАЛА ПРИБОРА-V" в положение "10" предел измерения прибора оказывается равным 10В. Это означает, что при максимальном отклонении стрелки вправо (деление 100 по верхней шкале) на прибор поступает 10В.
В положениях переключателя, кратных трем (3В и 0.3В) отсчет удобнее делать по нижней шкале.
Включите вольтметр тумблером " СЕТЬ ".
6.3. Включите блок питания лампы ЭПС-111.
6.4. Включите БЛОК УПРАВЛЕНИЯ кнопочным переключателем "СЕТЬ ВКЛ". На блоке управления установите:
- кнопками "U анод-катод" разность потенциалов равной 9 В (значение напряжения отображается на цифровом индикаторе блока, а также на вольтметре В7-26).
- потенциометр "Установка Uвх" в крайнее положение по часовой стрелке.
Убедитесь, что показания цифрового индикатора блока и вольтметра В7-26 соответствуют 9 В.
6.6. На усилителе У5-6 переключатель "ШКАЛА ПРИБОРАV" поставьте в положение"10 ".
6.7. Вращая барабан 11 монохроматора, установите его на деление 3000 (напротив индекса отсчетного указателя 10, Рис. 9).
6.8. На блоке питания ЭПС-111 тумблерами ”СЕТЬ” и “ЛАМПА К-12” включите источник света.
Стрелка прибора усилителя У5-6 отклонится вправо.
6.9. Микрометрическим винтом 12 выставьте показание прибора У5-6 равным 10 В (деление 100 по верхней шкале).
7. ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ
-
Исследование зависимости фототока от потенциала анод-катод фотоэлемента.
7.1.1. Уменьшая напряжение на фотоэлементе от 9 до 0 В кнопками "Uанод-катод" блока управления, снимите зависимость фототока от разности потенциалов между анодом и катодом. Величину напряжения контролируйте по цифровому индикатору. Показания прибора У5-6 записывайте в таблицу 1 (барабан 11 монохроматора установлен на деление 3000).
7.1.2. Проделайте пункт 7.1.1 также для других участков спектра (деления барабана: 2800, 2600, 2400 и 2200).
| Uа-к, В | 3000 делений барабана | 2800 делений барабана | 2600 делений барабана | 2400 делений барабана | 2200 делений барабана | |||||
| λ=596,0 нм | λ=558,6 нм | λ=527,7 нм | λ=502,2 нм | λ=481,2 нм | ||||||
| показанияУ5-6, В | I, 10-10 A | показанияУ5-6, В | I, 10-10 A | показания У5-6, В | I, 10-10 A | показания У5-6, В | I, 10-10 A | показания У5-6, В | I, 10-10 A | |
| 9 | | | | | | | | | | |
| 8 | | | | | | | | | | |
| 7 | | | | | | | | | | |
| 6 | | | | | | | | | | |
| 5 | | | | | | | | | | |
| 4 | | | | | | | | | | |
| 3 | | | | | | | | | | |
| 2 | | | | | | | | | | |
| 1 | | | | | | | | | | |
| 0 | | | | | | | | | | |
Таблица 1.
I=U/Rвх , где U показания прибора У5-6,
Rвх=1010 Ом.
7.1.2. Постройте график зависимости фототока от потенциала анод-катод для всех участков спектра I=f (Uа-к).
7.2.Определение потенциала запирания U0 для каждого участка спектра лампы накаливания.
7.2.1. Установите органы управления приборов в следующие исходные положения:
1. На усилителе УМ-5.
-
кнопками "Uанод-катод" выставьте напряжение равное 0 В. -
ручка "УСТАНОВКАUвх" должна находиться (согласно пункту 6.6) в крайнем положение по часовой стрелке,
2. Вольтметр В7-26.
-
переключатель режимов работы установите в положение "U". -
переключатель пределов измерений В7-26 – в положение " 1 В",
3. Прибор У5-6.
-
переключатель "ШКАЛА ПРИБОРAV" в положение "1" ( 1В ).
7.2.2. Вращая барабан монохроматора, установите его указатель (10 на Рис.9) на деление 3000.
7.2.3. Плавно вращая против часовой стрелки ручку потенциометра "УСТАНОВКАUвх" блока управления, добейтесь уменьшения фототока до нулевого значения по прибору У5-6.
При этом вольтметр В726 показывает потенциал запирания U0.
Значение U0 внесите в таблицу 2.
Повторите измерения для остальных участков спектра.
Таблица 2.
-
λ,нм
деления барабана
UO,B
ν,Гц
596,0
3000
558,6
2800
527.7
2600
502.2
2400
481.2
2200
здесь частота ν = с/λ ,
с – скорость света.
7.2.4. Введите в компьютер величины потенциалов запирания и получите значение постоянной Планка.