Лабораторная работа №13
Фотоэффект
1. Цель работы:
а) проверить справедливость законов Столетова;
б) оценить работу выхода электронов из металла.
Содержание работы
Фотоэлектрический эффект (внешний) — явление вырывания электронов из металла падающим светом (возможен также внутренний фотоэффект в полупроводниках, когда под действием света электроны не выходят из вещества, а изменяют свою подвижность).
Внешний фотоэффект открыт Г. Герцем и исследован А. Г. Столетовым. Принципиальная схема установки:
Рис.1
Столетов установил: фототок наблюдается сразу, как только свет падает на металл (или не наблюдается вообще).
1) сила фототока насыщения пропорциональна освещенности;
2) кинетическая энергия фотоэлектронов прямо пропорциональна частоте света
3) ток в цепи возникает, если частота света превышает «красную границу» – наименьшую частоту, при которой в данном металле возникает фототок;
Классическая физика не могла объяснить существования красной границы, допускала возникновение фототока с задержкой. При получении вольт–амперной характеристики наличие задерживающего потенциала – слабого фототока при облучении анода, оставалось непонятным.
Рис. 2
Следует отметить, что в 1888 году электрон еще не был открыт, и поэтому современное определение фотоэффекта было сформулировано после 1897 года.
Объяснение фотоэффекта дал в 1905 г. Эйнштейн после введения гипотезы Планка: свет распространяется в виде отдельных порций энергии – фотонов (квантов).
Энергия одной порции Е = hn = hc / l
n – частота света; h – постоянная Планка.
Из закона сохранения энергии следовало уравнение Эйнштейна для фотоэффекта:
,
где А – работа выхода электронов;
– максимальная кинетическая энергия электронов.
Из этого уравнения видно, что hn кр = А, так как
Энергия электронов определяется частотой света и не зависит от интенсивности. Если освещается анод, то за счет закона кинетической энергии электроны могут двигаться против сил электрического поля и задерживающего потенциал, определяется равенством:
,
где m – масса электрона; e – заряд электрона.
Гипотеза Эйнштейна объяснила особенность фотоэффекта, но вступила в противоречие с волновой природой света. Пришлось ввести дуализм, предположить, что иногда свет ведет себя как волна, иногда как поток частиц – фотонов, которые всегда движутся со скоростью света, их масса покоя равна 0, масса динамическая
,
импульс
.
Это означало отказ от классической физики и расширение области применения квантовых понятий, впервые введенных М. Планком для объяснения особенностей излучения черного тела.
Описание установки
Рис. 3
На рис. 3 показано расположение приборов на оптической скамье в нашей установке, где
О - осветитель; Ф - фотоэлемент в корпусе с пазами для светофильтров для выделения монохроматического света;
mА – микроамперметр для измерения фототока;
V – вольтметр; ВУП – выпрямитель.
Установка для изучения фотоэффекта состоит из вакуумного фотоэлемента (стеклянной колбы, на внутренней поверхности которой нанесен слой чистого металла или сплава), осветителя, амперметра, вольтметра и выпрямителя, включенных как показано на рис. 1 и рис. 3 Фотоэлемент может перемещаться относительно осветителя, расстояние между ними
измеряется линейкой.
Порядок выполнения работы
1. Установить осветитель на расстоянии, указанном преподавателем относительно фотоэлемента.
2. Меняя напряжение от 20 В до 200 В, снять через каждые 10 В величину фототока.
3. Увеличить расстояние между осветителем и фотоэлементом на 10 – 15 см и повторить измерения 2.
4. Построить вольт – амперную характеристику для обоих случаев (на одном графике).
5. Учитывая, что интенсивность освещения ~1/ r 2 и сила тока насыщения пропорциональна освещенности (интенсивности), проверить справедливость равенства:
.
6. Используя набор светофильтров с известной длиной волны, убедиться в существовании красной границы.
Вычислить работу выхода в Дж и эВ:
1 эВ = 1,6 10-19 Дж.
.
7. По силе тока насыщения вычислить число фотонов, падающих на катод в 1 секунду и плотность фотонов, считая, что число вылетевших электронов равно числу падающих фотонов.
; e = 1,6·10-19 Кл;
; c = 1,6·10-19 м/с.
8. Для света с произвольной длиной волны (по указанию преподавателя) рассчитать Uз.
9. Рассчитать абсолютную и относительную погрешность в определении А – работы выхода электрона из металла.
Атеорет = 1,9 эВ.
10. Записать окончательный результат в виде
А = Аэкс ± DА
11. Для набора светофильтров, используемых в работе
lкр = 7800 Å; lж = 5790 Å; lз = 5460 Å; lг = 4916 Å; lф = 4046 Å.
12. Результаты измерений записать в таблицу:
Таблица
| № п/п | r 1 = 12*10-2 м | r 2 = 22*10-2 м | A вых | N | n | Uз (в) | ||
| … |
5. Контрольные вопросы
1. Определение фотоэффекта.
2. Законы Столетова.
3. Формула Эйнштейна.
4. Объяснение вольт – амперной характеристики.
5. В чем смысл корпускулярно-волнового дуализма?