ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ ИМПЕРАТОРА НИКОЛАЯ II»

¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾

 

Кафедра «Физика»

 

ФИЗИКА

 

ОПЫТНАЯ ПРОВЕРКА

ОСНОВНОГО ЗАКОНА ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА

МЕТОДОМ ИЗМЕНЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ

ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ 412

Под ред. проф. В.И. Марченко

 

 

Москва – 2016
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ ИМПЕРАТОРА НИКОЛАЯ II»

¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾

 

Кафедра «Физика»

 

 

ФИЗИКА

 

ОПЫТНАЯ ПРОВЕРКА

ОСНОВНОГО ЗАКОНА ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА

МЕТОДОМ ИЗМЕНЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ

ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ 412

Под ред. проф. В.И. Марченко

Рекомендовано редакционно-издательским советом университета в качестве методических указаний для студентов специальностей и направлений ИПСС, ИТТСУ, ИУИТ, ИЭФ и вечернего факультета

 

Москва – 2016

УДК 53(075.8)

М-44

 

Марченко В.И. Андрианов Е.В. Физика. Опытная проверка основного закона внешнего фотоэффекта методом изменения интенсивности поляризованного света. Методические указания к лабораторной работе 412 / Под. ред. проф. В.И. Марченко. – М.: МГУПС (МИИТ), 2016. – 15 с.

 

В указаниях рассмотрен впервые применённый авторами метод проверки основного закона внешнего фотоэффекта с использованием поляризационного затвора, состоящего из двух поляроидов. Путём поворота плоскостей поляризации поляроидов под различными углами на катод фотоэлемента в соответствии с законом Малюса направляется поток поляризованного света различной интенсивности, что позволяет установить зависимость фототока насыщения от интенсивности светового потока, попадающего на катод фотоэлемента.

Указания соответствуют требованиям рабочих программ по дисциплине «Физика» (разделы «Оптика» и «Квантово-оптические явления») и предназначены для студентов 1 и 2 курсов институтов ИПСС, ИТТСУ, ИУИТ, ИЭФ, вечернего факультета.

 

© ФГБ ОУ ВО

«Московский государственный

университет путей сообщения»

Императора Николая II

 

Работа 412

 

ОПЫТНАЯ ПРОВЕРКА ОСНОВНОГО ЗАКОНА

ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА МЕТОДОМ ИЗМЕНЕНИЯ

ИНТЕНСИВНОСТИ ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА

 

Цель работы: Установить количественное соотношение между силой фототока насыщения и значениями интенсивности света проходящего в соответствии с законом Малюса через систему анализатор – поляризатор при различных углах между их плоскостями поляризации. По полученным данным проверить выполнение основного закона внешнего фотоэффекта.

Приборы и принадлежности: Фотоэлемент (Ф), источник света (Л), оптическая скамья, микроамперметр, вольтметр, источник постоянного тока с регулируемым напряжением, соединительные провода.

 

Введение

 

Внешним фотоэффектом называется явление испускания электронов с поверхности отрицательно заряженных металлов под действием видимого света или ультрафиолетового излучения. Впервые фотоэффект в 1887 г. наблюдал Г. Герц, который обнаружил, что искровой разряд между двумя разноименно заряженными металлическими шариками происходит значительно интенсивнее, если отрицательно заряженный шарик освещать ультрафиолетовыми лучами. Увеличение частоты искровых разрядов он объяснил попаданием в воздушный промежуток заряженных частиц, вырванных из поверхности металла под действием излучения, повышающих его электрическую проводимость. Последующие измерения удельного заряда вылетающих из металла под действием излучения частиц позволило установить, что частицы являются электронами.

Рис 1.

Хотя вырывание электронов под действием излучения наблюдается практически для всех веществ, фотоэффект обычно связывают с вырыванием из металлов свободных электронов, удерживаемых внутри металла энергетическим барьером вблизи его поверхности. Преодолевая этот барьер при вылете из металла, электрон совершает работу выхода, затрачивая на это часть своей кинетической энергии. Очевидно, что электроны с меньшей затратой энергии будут преодолевать потенциальный барьер, если металл подключить к отрицательному внешнему потенциалу. Работа выхода электронов из металлов измеряется в электрон-вольтах (1 эВ = 1,6·10^-19 Кл·1 В = 1,6·10^-19 Дж) и составляет несколько электрон-вольт от 1,1 эВ для цезия до 4,5 эВ для вольфрама.

Детальное экспериментальное исследование законов внешнего фотоэффекта для металлов было выполнено в 1888 г. А.Г. Столетовым на установке с фотоэлементом, схема которой приведена на рис. 1.

Рис.1 Схема опытов Столетова

 

Металлический катод K при освещении его через кварцевое окошко видимым светом или ультрафиолетовым излучением испускает электроны. Вылетевшие из катода фотоэлектроны, достигая анода А, обеспечивают протекание в цепи электрического тока.

Фотоэлемент в виде вакуумной двухэлектродной лампы имеет и электрического тока называемого фототоком. Сила фототока I измеряется гальванометром или микроамперметром. Схема подключения источника позволяет изменять полярность напряжения U, подаваемого на фотоэлемент. График функции I (U) называется вольтамперной характеристикой фотоэлемента. Качественный вид вольтамперных характеристик для двух значений освещённости катода Е ₁ и Е ₂ представлен на рис. 2.

I I нас1 E 1     I нас2 E 2   0 U

Рис. 2 Вольтамперные характеристики фотоэлемента

Положительное напряжение, подаваемое на анод, соответствует ускоряющему электрическому полю, в которое попадают вылетающие из катода электроны. В области положительных напряжений все испускаемые катодом электроны движутся от катода к аноду с ускорениями пропорциональными U, вследствие чего их скорость увеличивается, а число электронов, попадающих на анод за единицу времени быстро растёт, что сопровождается ростом фототока I.

При достижении некоторого, различного для разных фотоэлементов, напряжения U скорость электронов становится такой, что все электроны, испущенные с катода за единицу времени, успевают долететь до анода, и рост фототока прекратится. Предельное значение фототока называется фототоком насыщения I _нас. Небольшой спад фототока при малых положительных напряжениях, который наблюдается в опытах, связан с контактной разностью потенциалов между катодом и анодом. При отрицательном напряжении U < 0 испущенный катодом электрон попадает в тормозящее электрическое поле, преодолеть которое, он может, лишь имея определенный запас кинетической энергии.

Электрон с малой кинетической энергией, вылетев из катода, не может преодолеть тормозящее поле и попасть на анод. Такой электрон возвращается на катод, не давая вклада в фототок. Поэтому, плавный спад фототока в области отрицательных напряжений указывает на то, что вылетающие из катода фотоэлектроны имеют разные значения кинетической энергии.

При некотором отрицательном напряжении, величину которого U _З называют задерживающим напряжением (потенциалом), фототок становится равным нулю. Соответствующее тормозящее электрическое поле при этом задерживает все вылетающие из катода электроны, включая электроны с максимальной кинетической энергией W _m.

Ток, сила которого I _нас не изменяется при увеличении напряжения, называется фототоком насыщения. При изменении освещенности катода Е, сила фототока насыщения I _нас изменяется прямо пропорционально интенсивности света попадающего на катод.

I _нас = kI, (1)

где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от материала катода, его геометрических размеров, площади освещаемой поверхности, от расстояния между источником света и фотоэлементом, а также от угла, под которым свет попадает на катод.

Равенство (1) является математической записью основного закона внешнего фотоэффекта, установленного в опытах Столетова. В формулировке Н.Г. Столетова он записывается так:

«При постоянной частоте падающего на катод света число фотоэлектронов n, вырванных из катода за единицу времени, пропорционально интенсивности света то есть сила фототока насыщения пропорциональна энергетической освещённости катода».

В соответствии с основным законом фотометрии освещённость поверхности Е, на которую попадает свет, вычисляется по формуле

Е = [ J / r ²] cos θ,

где J – сила света источника, r – расстояние между источником света и катодом, θ – угол падения света на поверхность катода. Следовательно,

Е = I cos θ,

то есть при постоянных значениях r и θ освещённость катода Е пропорциональна интенсивности света I, что и отражено в равенстве (1).

Изменения интенсивности света обычно добиваются, варьируя яркость нити накаливания лампочки осветителя (путем увеличения или уменьшения величины питающего напряжения), или меняя расстояния от источника света до фотоэлемента.

В рамках данной работы (схема оригинальной установки представлена на рис. 3) это предлагается делать путем пропускания света через поляризатор, закрывающий окошко в кожухе 1 с источником света Л, и анализатор, закрывающий окошко в кожухе 4 с фотоэлементом Ф. В качестве поляризатора и анализатора использованы поляроиды, представляющие собой тонкие плёнки целлулоида достаточно высокой прозрачности в области видимого света с равномерно вкраплёнными кристалликами герапатита. Герапатит является веществом с сильно выраженным дихроизмом в видимом диапазоне длин волн, и поэтому уже при толщине плёнки около 0,1 мм прошедший через поляроид свет оказывается практически полностью поляризованным.

Поляроиды жёстко закреплены в круговых лимбах с проградуированными в угловых единицах шкалами. Будучи установленными на оптической скамье (рис. 3) в позициях 2 и 3 они выполняют функции поляризатора и анализатора.

Рис. 3 Схема экспериментальной установки

 

Поворачивая лимбы относительно оси, совпадающей с направлением распространения света, можно устанавливать различные углы j между плоскостями поляризации (РР) и (АА) поляризатора и анализатора от 0° до 90°. Интенсивность света I, падающего на катод фотоэлемента Ф, в этом случае будет меняться в зависимости от величины этого угла.

Рис. 4 Векторная диаграмма

На рис. 4 изображена векторная диаграмма, соответствующая данному случаю. Направление РР лежит в одной плоскости с плоскостью изменения вектора напряженности электрического поля электромагнитной световой волны, прошедшей через поляризатор, а направление АА – в одной плоскости с плоскостью изменения вектора напряжённости электрического поля световой волны , прошедшей через анализатор. Согласно электромагнитной теории света интенсивность света пропорциональна квадрату вектора напряжённости электрического поля электромагнитной волны.

I ~ E ² (2)

Как видно из рис. 4, между направлениями АА и РР в общем случае образуется некоторый угол φ, при этом для вектора справедливо соотношение:

½ ½ = ½ ½ cos j.

Возводя это равенство в квадрат и воспользовавшись соотношением (2) получим связь между интенсивностью I света, прошедшего через анализатор, и интенсивностью I ₀ света, прошедшего через поляризатор:

I = I ₀ cos ²j, (3)

где I ₀ – интенсивность света, прошедшего через поляризатор, I – интенсивность света, прошедшего через анализатор, j – угол между плоскостями поляризации поляризатора и анализатора. Равенство (3) является математическим выражением закона Э. Малюса об изменении интенсивности света, проходящего через оптическую систему поляризатор-анализатор при различных углах между их плоскостями поляризации. Такая оптическая система служит своего рода оптическим затвором: вращая анализатор относительно оси, совпадающей с направлением света, который падает на катод фотоэлемента, можно добиться изменения интенсивности света I от максимального значения (ему соответствует угол j = 0°), до минимального (при j = 90°).

I I нас1 E 1 I нас2 E 2 I нас3 E 3 I нас4 E 4 I нас5 E 5     0 U

Рис. 5 Вольтамперные характеристики фотоэлемента для пяти значений освещённости фотокатода

Используя подобный поляризационный оптический затвор, можно снять серию вольт-амперных характеристик фотоэлемента при разных значениях освещённости катода и получить при этом целый набор значений фототока насыщения: I _нас1, I _нас2, I _нас3 и так далее (рис. 5).

Запишем ряд соотношений левых и правых частей равенства (1), выражающего закон Столетова, с учётом равенства (3), выражающего закон Малюса:

…

С учётом неизменности коэффициента пропорциональности k в математическом выражении закона Столетова и постоянства интенсивности I ₀ света, прошедшего через поляроид, по тому, насколько совпадают левые и правые части этих равенств, можно сделать вывод о справедливости основного закона фотоэффекта (закона Столетова). В настоящей работе для большей наглядности подтверждения справедливости закона использовано графическое представление получаемых экспериментальных данных.

 

Порядок выполнения работы

 

1. Установите рейтер с осветителем на оптическую скамью и зафиксируйте его положение винтом.

2. Установите рейтер с фотоэлементом на оптическую скамью на расстоянии 20 см. от осветителя и прочно закрепите его.

3. Таким же образом установите на оптическую скамью рейтеры с поляризатором и анализатором, размещая их между первыми двумя рейтерами.

4. Подключите амперметр последовательно с фотоэлементом, а вольтметр – параллельно фотоэлементу.

5. Подключите осветитель к источнику питания и убедитесь в его исправности.

6. Подключите фотоэлемент к источнику постоянного тока и включите его в электрическую цепь. Проследите, чтобы катод фотоэлемента был соединён с клеммой «минус».

7. Установите на угловом лимбе рукоятку поворота поляризатора в положение j = 0° и не изменяйте его до конца опыта.

8. Меняя напряжение в пределах, указанных в таблице 1, измерьте значения силы фототока I и запишите их в третью колонку таблицы.

9. Повторите измерения пунктов 7 и 8 для других значений углов j, указанных в таблице.

Примечание: При дефиците времени значения тока насыщения I _нас можно брать непосредственно из первой колонки для соответствующего угла j как среднюю величину из трёх последних практически не изменяющихся значений. Вольтамперные характеристики, образцы которых приведены на рис. 5, достаточно построить для максимального, минимального и одного промежуточного значений угла j.