МУ - К-68 (1003922)
Текст из файла
Московский государственный технический университет им. Н.Э. БауманаА.В. Семиколенов, И.Н. ФетисовФотоэффект и определение постоянной Планка(на установке с интерференционными фильтрами)Методические указания к выполнениюлабораторной работы К-68по курсу общей физикиМоскваМГТУ им. Н.Э. Баумана20142ВВЕДЕНИЕГенрих Герц, изучая искровой разряд между двумя металлическими шарами, обнаружил,что разряд происходит при меньшем напряжении, если отрицательно заряженный шар освещать ультрафиолетовым (УФ) излучением. Из этого наблюдения Г. Герц в 1887 г. сделал правильный вывод: металл при освещении испускает электроны.
Это явление называют внешнимфотоэффектом (фотоэффектом, фотоэлектронной эмиссией).Фотоэффектом в широком смысле называют различные процессы с поглощением фотонаквантовой системой.Кроме внешнего фотоэффекта существует внутренний фотоэффект в полупроводниках.Например, в случае беспримесного полупроводника энергия поглощенного фотона затрачивается на образование пары электрон – дырка, в результате чего возрастают концентрация носителей тока и электропроводность полупроводника.К фотоэффекту относят также процесс ионизации атома при поглощении фотона (фотоионизация).
Например, атом водорода могут ионизовать фотоны УФ-излучения с энергиейбольше 13,6 эВ. Фотоны очень большой энергии (рентгеновского и гамма-излучения) вырывают электроны из внутренних оболочек тяжелых атомов. Это основной процесс поглощениярентгеновских лучей в свинце.Фотоэффект сыграл огромную роль в становлении квантовой физики и нашел широкоепрактическое применение.Цель работы – ознакомиться с законами фотоэффекта и квантовой природой света; исследовать зависимость энергии фотоэлектронов от частоты света, получить численное значение постоянной Планка.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ1.
Законы фотоэффектаФотоэффект изучали Столетов, Ленард и др. Для этого они использовали фотоэлемент ипростую электрическую схему (рис. 1). Фотоэлемент содержит два металлических электродавнутри стеклянного баллона, из которого откачан воздух.ФКАмкАVIРис. 1. Принципиальная электрическая схема для исследованиявольт-амперной характеристики (ВАХ) фотоэлементаФотокатод (ФК) при освещении испускает электроны, анод (А) служит коллектором испущенных электронов. Между электродами создают электрическое поле, подключив к ним источникнапряжения. Напряжение измеряют вольтметром V, а протекающий по цепи фототок I – мик-3роамперметром мкА. Информацию о фотоэффекте получают из вольт-амперной характеристики (ВАХ) фотоэлемента – зависимости тока I от напряжения U между электродами (рис. 2).II0UЗАП0UРис.
2. ВАХ фотоэлементаПравая часть графика на рис. 2 (при U >0) получена при положительной (прямой) полярности напряжения на аноде. При этом в электрическом поле на электроны действует сила, направленная в сторону анода. Если напряжение достаточно велико (десятки вольт), то практически все электроны попадают на анод; при этом ток достигает максимальной величины Io,называемой током насыщения. При малых напряжениях ток меньше тока насыщения, так какчасть электронов возвращается на катод в результате отталкивающего действия отрицательного заряда облака электронов в пространстве между электродами.Ток насыщения Io, А, и количество испущенных за 1 секунду электронов n, с-1, связанысоотношением:Io = e n,(1)где e = 1,6 .
10 – 19 Кл – модуль заряда электрона.Энергию света характеризуют следующими величинами:W – энергия излучения, Дж;Ф = dW/dt – поток излучения (мощность), Вт, где dW – энергия излучения за время dt;S = dW/(dt dA) – плотность потока, Вт/м2, где dA – площадь площадки, перпендикулярнойнаправлению распространения света, через которую проходит энергия dW за время dt.Поток и плотность потока называют интенсивностью излучения.Ф2 > Ф1IФ1UЗАП0UРис.
3. ВАХ для различной интенсивности света (Φ2 > Φ1)Измеряя ток насыщения при различном потоке, но неизменном спектральном составе излучения (рис. 3), был установлен первый закон фотоэффекта, который формулируется следующим образом:Количество испускаемых за единицу времени электронов пропорционально потоку излучения, падающего на фотокатод.Очень важные закономерности были получены из левой части графиков, изображенныхна рис. 2 и 3, при отрицательной (обратной) полярности анода. В этом случае на электроныдействует сила в направлении фотокатода, которая замедляет электроны и может возвратитьих обратно на катод. Поскольку начальные скорости электронов различны по величине и направлению, то с ростом напряжения ток постепенно уменьшается. При некотором напряже-4нии, называемом напряжением запирания Uзап, ток обращается в нуль (см.
рис. 2 и 3). В этомслучае наиболее быстрые электроны останавливаются перед самым анодом, пройдя разностьпотенциалов Uзап, и возвращаются обратно. Следовательно, максимальная кинетическая энергия испущенных электронов Tmax равна модулю работы сил поля:2mumaxTmax == e Uзап.(2)2Такой метод измерения энергии заряженных микрочастиц называется методом запирающего (задерживающего) напряжения.Опыты показали, что при одинаковой частоте запирающее напряжение не зависит от интенсивности излучения (см.
рис. 3), но зависит от значения самой частоты (рис. 4).Iν2ν1ν2>ν10UЗАП,2UUЗАП,1Рис. 4. ВАХ для различной частоты света (ν2 >ν1)ТМАКС=eUЗАПЗависимость максимальной энергии Tmax от частоты ν показана на рис. 5 для двух различныхматериалов фотокатода (1 и 2), отличающихся работой выхода A электрона из металла (зачерненные кружки – меньшая работа выхода).
Особого внимания требует линейность зависимости Tmax (ν). Из этого следует второй закон фотоэффекта:Максимальная кинетическая энергия электронов линейно возрастает с частотой света ине зависит от его интенсивности.νРис. 5. Зависимость максимальной кинетической энергии фотоэлектронов от частоты для двухразличных материалов, различающихся работой выхода (светлые кружки - работа выходабольше)Кроме того, на основании зависимости Tmax (ν) (см. рис. 5) установлен также третий закон фотоэффекта, который гласит:Для каждого материала фотокатода существует минимальная частота νo или максимальная длина волны λo = c /νo (так называемая красная граница фотоэффекта), за которойфотоэлектронная эмиссия отсутствует.Для фотокатодов из чистых металлов наибольшее значение λo = 690 нм имеет цезий.Таким образом, для него фотоэлектронная эмиссия происходит на волнах короче 690 нм, т.е.5почти во всей видимой области спектра (400…760 нм), а также в ультрафиолетовой области(т.е.
короче 400 нм), в то время как для большинства металлов красная граница лежит в УФобласти спектра, и фотоэффект наблюдается только для УФ-излучения.2. Работа выхода электронов из металлаФотоэлектронная эмиссия происходит из различных твердых и жидких веществ. Мы будем рассматривать фотоэффект из металлов. В металле много почти свободных электронов,называемых электронами проводимости (рис. 6). Они находятся в состоянии быстрого хаотического движения, но практически не покидают металл, если он не освещен и не нагрет до высокой температуры. Причиной тому служат силы, действующие на электроны на поверхностиметалла.МеталлFВакуумxа)Энергия покоящегосяэлектрона вне металлаWp(x) – потенциальнаяэнергияЭнергия электронаAУровень ФермиEFб)xРис.
6. Электроны проводимости в металле: а – электроны в кристаллической решетке изионов; б – потенциальная яма для электроновКристаллическая решетка металлов состоит из положительно заряженных атомных остовов (ионов), между которыми хаотически движутся электроны проводимости. В типичной си-6туации на каждый атом металла приходится один электрон проводимости. На рис. 6, а. этопоказано схематически. Электроны вылетают недалеко за пределы кристаллической решетки ивозвращаются обратно. Поэтому объем, занимаемый электронным газом, несколько превышает объем решетки. В результате на поверхности тела образуется двойной электрический слой,состоящий из избыточного положительного заряда решетки и отрицательного заряда электронов за пределами решетки.
На поверхности металла на электроны действует возвращающаясила F (рис. 6, а).Вместо силы F удобнее рассматривать потенциальную энергию электрона внутри и внеметалла. Зависимость потенциальной энергии Wp (x) от координаты x изображена на рис. 6, б.Внутри металла потенциальная энергия меньше, чем снаружи, т.
е. электроны находятся в потенциальной яме.Хаотическое движение электронов проводимости резко отличается от движения молекулгаза, в частности, оно не прекращается даже при очень глубоком охлаждении. Электроны проводимости могут принимать только определенные значения энергии. Горизонтальными линиями на рис. 6, б схематически показаны энергетические уровни, занятые электронами приT = 0 К. Все уровни вплоть до наивысшего, называемого уровнем Ферми с энергией Ферми EF,заняты электронами, а более высокие уровни – пусты.
При комнатной температуре картинапрактически такая же.Как видно из рис. 6, б, для выхода электрона из металла (потенциальной ямы) ему необходимо сообщить дополнительную энергию. Она будет минимальна, если ее сообщить электрону, который имеет энергию Ферми и движется наружу в направлении нормали к поверхности. Эта дополнительная минимальная энергия называется работой выхода A электрона изметалла (см. рис.
6, б). Ее обычно указывают в электрон-вольтах. Электрон-вольт – энергия,приобретаемая электроном в электрическом поле при разности потенциалов 1 В:1 эВ = 1,6.10 – 19 Дж. Для разных чистых металлов работа выхода изменяется в интервале от1,8 эВ (цезий) до 5,3 эВ (платина).3. Теория фотоэффектаКлассическая теория электромагнитных волн Максвелла столкнулась с непреодолимымитрудностями при объяснении фотоэффекта. Согласно классической теории, интенсивностьволны Φ (Вт/м2) пропорциональна квадрату амплитуды напряженности E m электрическогополя волны (Н/Кл):Ф ~ E 2m.С классической точки зрения, в переменном электрическом поле волны на электроныпроводимости металла действует переменная сила.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
