Лабораторная работа № 3-3
«Определение длины волны красной границы фотоэффекта и работы выхода электронов из металла»
Цель работы: Ознакомление с явлением внешнего фотоэффекта, проведение виртуального эксперимента по определению задерживающей разности потенциалов для разных длин волн света, и вычисление длины волны красной границы фотоэффекта и работы выхода электронов для двух материалов фотокатода.
(Работа выполняется на персональном компьютере)
Краткая теория
Явление внешнего фотоэффекта заключается в вырывании электронов с поверхности ме-талла под действием света. (Фотоэффект был открыт Г.Герцем в 1887 г. и систематически ис-следован А.Г.Столетовым в 1888-1889 гг.)
Принципиальная схема установки приведена на рис. 3-3.1.
Свет освещает фотокатод К вакуумного фотоэлемента, изготовленный из исследуемого материала. Электроны, испущенные катодом, под действием электрического поля перемещаются к аноду А. В цепи возникает фототок I, измеряемый гальванометром Г. Напряжение между катодом и анодом U измеряется вольтметром В и может изменяться с помощью потенциометра П.
При исследовании внешнего фотоэффекта были установлены следующие закономерности:
1. При неизменном спектральном составе света фототок насыщения IН пропорционален световому потоку (закон Столетова) см. рис.3-3.1.
2. Существует задерживающее напряжение UЗ –отрицательное напряжение между катодом и анодом при котором фототок обращается в нуль (рис.3-3.1).
3. Величина задерживающего напряжения UЗ зависит от частоты света (длины волны) и материала фотокатода и не зависит от интенсивности света (рис.3-3.3).
4. Существует красная граница фотоэффекта, т.е. максимальная длина волны света К (или минимальная частота К ) при которой фотоэффект еще наблюдается. Фо-тоэффект отсутствует при условии К или К.
5. Фотоэффект практически безинерционен.
Отмеченные закономерности не могут быть объяснены в рамках классической электроди-намики. Правильная теория внешнего фотоэффекта была разработана А. Эйнштейном в 1905 г. на основе квантовых представлений о природе света. По гипотезе Эйнштейна свет представляет собой поток особых частиц – фотонов и внешний фотоэффект есть результат единичных актов взаимодействия фотонов с электронами катода, при которых фотон поглощается электроном и его энергия переходит к электрону. Применяя закон сохранения энергии можно записать:
,
где -энергия фотона, h=6,б2610-34 Джс –постоянная Планка; (Ee=-A)-энергия электрона внутри металла, численно равная работе выхода А; -максимальная кинетическая энергия вылетающего электрона. Максимальная кинетическая энергия электрона определяет величину задерживающего напряжения . Тогда уравнение Эйнштейна для фотоэффекта примет вид:
.
Методика эксперимента
Из уравнения Эйнштейна следует линейная зависимость между величиной U3 и величиной, обратной длине волны света 1/. Если освещать фотокатод монохроматическим светом разных длин волн и измерять в каждом случае величину задерживающего напряжения, тот можно определить длину волны красной границы фотоэффекта, когда задерживающее напряжение обращается в нуль. Работа выхода может быть определена по найденной К, как
(3.1)
Порядок выполнения лабораторной работы
1. активировать исполняемый файл работы (2 щелчка левой кнопкой «мыши»),
2. выбрать материал фотокатода (рекомендуемые пары материалов фотокатодов «литий -серебро», «цинк-золото»),
3. задать минимальную длину волны света,
4. изменяя положение движка потенциометра, найти значение задерживающего напряже-ния (сила фототока обращается в нуль, движок останавливается) и записать значения длины волны и задерживающего напряжения в таблицу 1 (измерения U3 проводятся 3 раза, для этого достаточно переключиться на другую длину волны, а потом вернуться к прежней),
5. изменяя длину волны света повторить п.4 для всех длин волн,
6. выбрать второй материал фотокатода и повторить п.п.4,5
7. закрыть файл работы.
Таблица 1.
Материал фотокатода 1 литий Материал фотокатода 2 серебро
, нм U3, В <U3>, В К, нм К, нм A, эВ A, эВ , нм U3, В <U3>, В К, нм К, нм A, эВ A, эВ
100 10,17
10,00
100 8,08
8,25
9,69 8,3
10,16 8,39
150 5,95
5,93
150 4,18
4,02
5,88 3,91
5,97 3,97
200 3,41
3,67
200 1,89
1,86
3,69 1,75
3,92 1,95
250 2,49
2,45
250 0,61
0,62
2,26 0,58
2,59 0,68
300 1,75
1,78
300 0
0
1,77 0
1,82 0
350 1,15
1,11
350 0
0
1,09 0
1,1 0
400 0,71
0,68
400 0
0
0,61 0
0,74 0
Обработка экспериментальных результатов
1. вычисляются средние значения задерживающего напряжения для каждой длины волны <U3>,
2. строится график зависимости . Диапазон U3 от 0 В до 11 В; диапазон (1/) от 0,0025 нм-1 до 0,01 нм-1,
3. наносятся экспериментальные значения <U3> и (1/),
4. для двух произвольных значений величины (1/) рассчитывается U3 по табличным зна-чениям: постоянной Планка, скорости света, заряда электрона и строится прямая 1-2 (рис.3-3.4),
5. параллельно построенной прямой через крайние точки (a и b) разброса экспериментальных значений для каждого материала фотокатода проводятся прямые и определяются (1/1) и (1/2),
6. находится среднее значение , (3.2)
7. находится погрешность
, (3.3)
8. находится <K> и погрешность К как погрешность при косвенных измерениях из вы-ражения
, (3.4)
погрешность записывается в таблицу 1 с точностью до одной значащей цифры,
9. находится работа выхода по формуле (3.1) и определяется погрешность, как погреш-ность при косвенных измерениях, результаты записываются в таблицу 1, погрешность записывается с точностью до одной значащей цифры.
10. Записывается окончательный результат в виде
К=<K>K, нм
A=<A>A, эВ
Литература
1.Савельев И.В. Курс общей физики. Т.3. Квантовая физика. Атомная физика. и т.д.
2. Трофимова Т. И. Курс физики.
Контрольные вопросы
1.Явление внешнего фотоэффекта.
2. Теория Эйнштейна для фотоэффекта.
3. Закономерности внешнего фотоэффекта.
4. Цель работы.
5. Красная граница фотоэффекта и методика ее определения.
6. Работа выхода электрона из металла и ее определение в работе. |
