kirill994

25.06.2022 19:01 •  Физика

Урок № 86, тема урока Физический практикум «Изучение зависимости фототока от освещённости»

Цели обучения

Изучить основные свойства внешнего фотоэффекта на основе исследований вольтамперных характеристик вакуумных фотоэлементов.
Понятие фотоэффекта

Внешним фотоэффектом (или фотоэлектронной эмиссией) называют явление вырывания электронов с поверхности твёрдых или жидких веществ под действием электромагнитного излучения.

К внутреннему фотоэффекту относятся: изменение электропроводности (фотопроводимость), возникновение электродвижущей силы, изменение диэлектрической проницаемости (фотодиэлектрический эффект).

Впервые внешний фотоэффект обнаружил Г. Герц в 1887 г. В 1888-1890 гг. его тщательно исследовал профессор московского Университете А. Г. Столетов, а в 1905 г. теоретически объяснил А. Эйнштейн.

Теория фотоэффекта

Фотоны, падая на поверхность металла, поникают на очень короткое расстояние в металл и поглощаются нацело отдельными его электронами проводимости. Они сразу же увеличивают свою энергию до значения, достаточного, чтобы преодолеть потенциальный барьер вблизи поверхности металла, и вылетают наружу.

Закон сохранения энергии позволяет написать соотношение, связывающее скорость фотоэлектронов с частотой поглощаемого света.

Энергия фотона после поглощения его, с одной стороны, расходуется на преодоление потенциального барьера (эта часть энергии называется работой выхода электрона из металла), а с другой стороны, частично сохраняется у электрона вне металла в виде кинетической энергии. Таким образом, соотношение для энергии таково:

(1)

где - работа выхода электрона, и - его масса и скорость соответственно, - частота излучения, - постоянная Планка ( ).

Уравнение (1) называется соотношением Эйнштейна. Оно в частности показывает, что энергия фотоэлектронов, действительно, никак не зависит от интенсивности света, а линейно зависит от частоты света. При достаточно низкой частоте света фотоэффект не наблюдается: энергии фотона не хватает на преодоление потенциального баpьеpа. Та критическая частота, при которой пpекpащается фотоэффект, называется красной границей фотоэффекта. Красная граница фотоэффекта определяется работой выхода:

(2)

У различных металлов красная граница фотоэффекта различна.

Величина фототока становится равной нулю при отрицательном напряжении на аноде, называемом задерживающим напряжением . По величине можно определить максимальную энергию фотоэлектронов , (2)

где и = – 1.6.10-19 Кл - масса и заряд электрона соответственно.

Используя соотношение (2) и уравнение Эйнштейна для фотоэффекта (1), получаем, что зависимость задерживающего напряжения от частоты определяется равенством . (3)

где – частота света; и – работа и потенциал выхода электрона из вещества (фотокатода) соответственно; – постоянная Планка. Как видно из выражения (4.3), зависимость является линейной (рис 4.3). Это позволяет, построив экспериментальную прямую = для исследуемого диапазона частот, экстраполировать ее для другой области, чтобы получить дополнительную информацию. Так, экстраполяция прямой до пересечения с осью ординат на рис.4.3 позволяет определить потенциал выхода , точка пересечения прямой с осью абсцисс дает граничную частоту , т.е. красную границу фотоэффекта.

Величина численно равна тангенсу угла наклона прямой , - координате точки пересечения прямой и оси , a - координате точки пересечения прямой и оси (рис.3).

Экспериментальная установка

Имитация эксперимента в виртуальном варианте представлена в программе «Открытая физика» в разделе «Квантовая физика. Фотоэффект».

На рис.4 изображена блок-схема виртуальной установки, представленной на экране дисплея, которая может быть использована для проведения измерений вольтамперных характеристик фотоэлемента. Катод фотоэлемента освещается светом, длина волн которого подбирается при движка П.
Проведение измерений

1. Установите с движка П (рис. 4) длину волны 380нм.

2. Подберите для данной длины волны с движка (рис.4) максимальное задерживающее напряжение , при котором фототок еще не регистрируется.

3. Занесите в таблицу значения длины волны и модуля задерживающего напряжения .
Таблица 1

№ λ, нм ν·1015,Гц |Uз|,В

1

2

3

4

5

6

7

Красная

граница

4. Проведите измерения модуля для разных значений (п. 1-3), используя шаг изменения длины волны , равный 20 нм, пока фототок не станет равным нулю при любых значениях напряжения на фотоэлементе. Измерьте значение λкр, при котором это произойдет. Результаты всех измерений занести в таблицу.

Обработка результатов

1.Используя формулу для частоты света = с/ , где с=3.108 м/с – скорость света в вакууме, вычислите значения частоты для всех значений . Полученные данные занести в таблицу 1.

2.Построить график зависимости | | от .