ИЗУЧЕНИЕ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА И
СНЯТИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ФОТОЭЛЕМЕНТА
Цель работы: Изучение явления внешнего фотоэффекта.
Задачи работы:
1)Построить вольтамперную характеристику (I= 
(U)) фотоэлемента при облучении его монохроматическим светом с длиной волны λ=
407.10-9м (сфетофитьтр №1);
435.10-9м; (сфетофитьтр №2);
546.10-9м (сфетофитьтр №3);
578.10-9м (сфетофитьтр №4)
2)По результатам первого задания вычислить максимальную скорость фотоэлектронов и построить график зависимости этой скорости от длины волны.
3) Оределить постоянную Планка (h).
Приборы и принадлежности:
 |
Теория метода
Фотоэффект – это испускание электронов веществом при его освещении. Фотоэффект был открыт в 1887 г. немецким физиком Г. Герцем. Фотоэффект принадлежит к числу явлений, в которых обнаруживаются корпускулярные свойства света.
Согласно квантовой теории свет – это поток фотонов (квантов). Энергия фотона 
равна:
, (1)
где:
h – постоянная Планка;
- частота света.
Различают внешний и внутренний фотоэффект. При внешнем фотоэффекте электроны покидают поверхность освещенного тела; при внутреннем фотоэффекте, наблюдаемом в диэлектриках и полупроводниках, электроны перераспределяются по энергетическим уровням, что проявляется в увеличении электропроводности вещества.
Первые фундаментальные исследования внешнего фотоэффекта были выполнены А. Г. Столетовым (1888 г.). Он установил следующие основные законы:
1. Величина фототока насыщения пропорциональна световому потоку при неизменном его спектральном составе.
2. Максимальная скорость фотоэлектронов зависит для данного вещества лишь от частоты падающего света и не зависит от светового потока.
3. Для каждого вещества существует минимальная частота света, ниже которой фотоэффект не происходит. Эта частота называется красной границей (порогом) фотоэффекта.
4. Фотоэффект практически безинерционен.
Первое теоретическое объяснение законов фотоэффекта дал А. Эйнштейн (1905 г.). Эйнштейн показал, что все закономерности фотоэффекта легко объясняются, если предположить, что свет поглощается такими же порциями 
(квантами), какими он, по предположению Планка, испускается. По мысли Эйнштейна, энергия, полученная электроном, доставляется ему в виде кванта 
, который усваивается им целиком. Часть этой энергии, равная работе А выхода, затрачивается на то, чтобы электрон мог покинуть тело. Остаток энергии образует кинетическую энергию (
) электрона, покинувшего вещество.
Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта (2), представляющее собой закон сохранения энергии, читается и записывается так:
Энергия фотона () идет на работу (А) по вырыванию электрона из металла и на сообщение электрону кинетической энергии (
).
=А+ , (2)
где:
- максимальная скорость вылета электрона;
m – масса электрона.
Приборы, в основе действия которых лежит явление фотоэффекта, получили название фотоэлементов. Фотоэлементы очень разнообразны по своей конструкции и типу и находят широкое применение в технике. Фотоэлементы с внешним фотоэффектом бывают вакуумные и газонаполненные.
Простейший фотоэлемент представляет собой стеклянный баллон, одна половина которого покрыта изнутри металлом, играющим роль фотокатода К. Анод А обычно выполняется в виде кольца (шарика).
Между катодом и анодом с помощью источника постоянного тока создается разность потенциалов.
Рис. №1
При неосвещенном катоде ток в цепи фотоэлемента отсутствует. Если катод осветить, то кванты света будут вырывать из катода электроны, которые под действием ускоряющего электрического поля устремятся к аноду. В цепи фотоэлемента появится электрический ток (фототок). Величина фототока зависит от светового потока, а также растет с увеличением напряжения. Но при определенном напряжении (у вакуумного фотоэлемента) достигает насыщения и дальнейшее увеличение напряжения не приводит к увеличению тока.
Зависимость фототока от анодного напряжения (при постоянном световом потоке) называется вольтамперной характеристикой фотоэлемента (см. рис.2)
.
Рис.2
Пологий ход кривой указывает на то, что электроны вылетают из катода с различными скоростчями. Доля электронов, отвечающая силе тока при U=0, обладает скоростями, достаточными для того, чтобы долететь до анода «самостоятельно», без помощи ускоряющего поля. Для обращения силы тока в нуль нужно приложить задерживающее напряжение Uз . При таком напряжении ни одному из электронов, даже обладающему при вылете из катода наибольшим значением скорости , не удается преодолеть задерживающее поле анода, Поэтому:
.(3)
Таким образом, измерив задерживающее напряжение Uз можно определить максимальное значение скорости фотоэлектронов.
. (4)
Зная максимальные значения скорости фотоэлектронов Vmax1 и Vmax2, вылетающих из поверхности металла при облучении ее светом с частотой ν1 и ν2 , можно определить постоянную планка h.
Запишем уравнение Энштейна для фотоэффектов в этих случаях:
(5)
(6)
Вычтем из уравнения (5) уравнение (6) и найдем h.
.
С учетом того, что 
получим: 
. (7)
Порядок выполнения работы
1. Подклюсить сетевые шнуры измерительного устройства и объекта исследования к сети и включить измерительное устройство выключателем С Е Т Ь на его задней панели. При этом должен загореться индикатор
«О Б Р А Т Н А Я», «В» и «мкА» устройства измерительного. На индикаторе «В» должны установиться нули. После 5 минутного прогрева ручками «УСТАНОВКА НОЛЯ» на объекте исследования установить нулевое значение на индекаторе «мкА» устройства измерительного.
2. Включить объект исследований выключателем С Е Т Ь на его передней павнели. При этом должен загореться индикатор «СЕТЬ» объекта исследования.
3. Дать лампе осветителя прогреться 3 мин.
4. С помощью кнопки ПРЯМАЯ-ОБРАТНАЯ установить режим ПРЯМАЯ.
5. Установить на объекте исследования с фотоприемниками
светофильтр №1.
6. Изменяя значение напряжения на индикаторе «В» с помощью кнопок «+» и «-» считываем значение фототока на индикаторе «мкА». Значения величины напряжения U и соответствующее ему значение фототока I заносим в таблицу 1.
7. С помощью кнопок «+» и «-» установливаем на индикаторе «В» нули.
8.помощью кнопки ПРЯМАЯ-ОБРАТНАЯ установить режим ОБРАТНАЯ. На индикаторе «мкА» должно высвечиваться некоторое значение фототока.
9. С помощью кнопок «+» и «-» установливаем на индикаторе «В» такое минимальное значение запирающего напряжения Uз при котором показания фототока на индикаторе «мкА» станут равными нулю.
10. Значение этого запирающего напряжения Uз занести в таблицу 2.
11. Установить светофильтры №2, №3, №4 проделывая операции согласно пунктам 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 для каждого из них.
12. По формуле 4 назодим значение vmaх для опытов с различными светофильтрами. Результаты заносим в таблицу 2.
13. Построить график зависимости I=f(U).
14. По формуле 7 определить постоянную Планка.
15. Построить график зависимости vmax=f(λ).
Таблица 1
| № | λ= 407.10-9м | λ= 407.10-9м | λ= 407.10-9м | λ= 407.10-9м | ||||
| U | I | U | I | U | I | U | I | |
Таблица 2
| λ.10-9м | vmax1 | Uз | vmax2 | Uз | vmax3 | Uз | vmax4 | Uз |
| 407 | ||||||||
| 435 | ||||||||
| 546 | ||||||||
| 578 |
Контрольные вопросы
1. В чем заключается явление фотоэффекта? Виды фотоэффекта.
2. В чем суть квантовой теории света?
3. Записать и пояснить уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.
4. Сформулировать законы Столетова и объяснить их на основе квантовой теории света.
5. Фотоэлементы, их виды, устройство и применение.
Литература
1. И.В. Савельев Курс общей физики т. 3.
2. Б.М. Яворский, А.А. Детлаф Курс физики, т. 3.
3. А.С. Шубин Курс общей физики.
4. Р.А. Грабовский Курс физики.