№ 132 (1107956)
Текст из файла
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М. В. ЛомоносоваФизический факультеткафедра общей физики и физики конденсированного состоянияМетодическая разработкапо общему физическому практикумуЛаб. работа № 132ВНЕШНИЙ ФОТОЭФФЕКТОписание составил доцент Авксентьев Ю.И.Москва - 2012ИЗУЧЕНИЕ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТАВ данной работе проверяется выполнение закона фотоэффекта Столетова,определяется красная граница фотоэффекта и рассчитывается работа выходаэлектрона из покрытия фотокатода фотоэлектронного умножителя (ФЭУ).ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ1)Фотоэлектрический эффектДействие света на веществоДействие света на вещество состоит в сообщении светом веществу энергии,приносимой световой электромагнитной волной.
Эта энергия частичнопревращается в тепло, повышая температуру поглощающего свет тела, частичноже переходит в другие виды энергии, вызывая тем самым целый рядразнообразных явлений. Действие света на вещество может быть механическим– давление света на тело, химическим – возбуждение различных химическихреакций (примером может служить фотосинтез в листьях растений).
Оно можетприводить к рассеянию света и люминесценции – свечению тела,продолжающемуся спустя некоторое время после облучения тела светом.Наконец, под действием света в веществе могут возникать фотоэлектрическиеявления, суть которых состоит в том, что входящие в состав вещества электроны,получив энергию от электромагнитной волны,каким-либообразомизменяютсвоѐместоположение.Из фотоэлектрических явлений мы здесьподробно остановимся на фотоэлектрическомэффекте (фотоэффекте). Различают внешний ивнутреннийфотоэффекты.Внешнийфотоэффект (фотоэлектронная эмиссия)Рис. 1представляет собой испускание с поверхноститвѐрдых или жидких тел электронов под действиемсветовой волны. Обнаруживается и измеряетсявнешний фотоэффект по фототоку – токуэлектронов, выходящих из облучаемого светомвещества в другую среду (обычно в вакуум).Внешний фотоэффектИзучение внешнего фотоэффекта производится обычно при помощи схемы, ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1)Теоретическое введение к лабораторной работе написано Пустоваловым Г.Е.3изображѐнной на рис.
1. В запаянном стеклянном сосуде, в котором созданвысокий вакуум, находятся два электрода: катод (в этом случае называемый такжефотокатодом) и анод. Между катодом и анодом создаѐтся напряжение, величинукоторого можно изменять с помощью потенциометра и измерять вольтметром.Меняя местами полюса источника ЭДС, можно изменять знак напряжения междуанодом и катодом.
Свет падает на катод через кварцевое окно в сосуде.Вылетающие из катода электроны, попадая на анод, создают в цепи ток (этот токчасто называют фототоком. Сила тока i измеряется гальванометром. Типичнаязависимость силы тока i от напряжения U при неизменной интенсивностипадающего на катод света с данной длиной волны – вольтампернаяхарактеристика - изображена на рис. 2. Если анод имеет положительный знак, акатод отрицательный, то сила фототока растѐт от значения i0 (при U 0 ) донекоторой постоянной величины iH - тока насыщения. Наличие тока насыщенияобъясняется тем, что под действием света электроны вылетают с катода поразличным направлениям и при малых напряжениях между анодом и катодом всена анод не попадают. При достаточно большом положительном напряжении наанод попадают все электроны, вылетающие из катода, поэтому дальнейшееувеличение напряжения U к росту тока не приводит.
При создании междукатодом и анодом тормозящего поля (анод отрицательный, а катодположительный) сила фототока спадает до нуля, когда величина напряжениямежду катодом и анодом достигает некоторого значения U3 , при которомзадерживаются все электроны, вылетающие из катода. Величина U3 определяетсямаксимальной скоростью vм акс , которую могут иметь электроны, покидая катод.Согласно закону сохранения энергииeU 3mv м2 акс.2(1)Здесь е - заряд электрона, m - его масса.Приисследованиифотоэффектавзависимости от свойств света, падающего на катод,были установлены следующие закономерности(законы фотоэффекта).1.
Фотоэффект практически безинерционен:промежуток времени от начала освещения домоментавозникновениятокаопределяетсяРис. 2временем пролѐта электронов от катода к аноду(меньше 10 9 с ).2. Ток насыщения iH и, следовательно, число электронов, вылетающих изкатода в единицу времени, пропорциональны интенсивности падающего на катодсвета (закон Столетова).3. Величина задерживающего напряжения U3и, следовательно,максимальная кинетическая энергия покидающих катод электронов растут4линейно при возрастании частоты падающего на катод света, но не зависят отинтенсивности света I .4. Для каждого вещества существует так называемая красная границафотоэффекта – частота м ин (или длина волны м акс ) такая, что свет меньшейчастоты (или большей длины волны) вызвать фотоэффект не может.Волновая теория света не в состоянии объяснить законы фотоэффекта.
Сточки зрения волновой теории энергия, приобретаемая электроном прифотоэффекте, должна определяться интенсивностью света. Интенсивность жепропорциональна квадрату амплитуды световой волны и никак не связана с еѐчастотой. Поэтому волновая теория не может объяснить зависимостьзадерживающего напряжения от частоты и независимость его от интенсивностисвета.
Чтобы покинуть поверхность какого-либо тела, электрон должен получитьнекоторое количество энергии, превышающее так называемую работу выходаАв ых . Можно подсчитать поток энергии, который приходится на один электронповерхностного слоя тела, когда на это тело падает световая волна с минимальнойинтенсивностью, при которой фотоэффект наблюдается на опыте. Оказывается,что в этом случае волна может сообщить электрону энергию, равную Ав ых , лишь завремя порядка десятков минут. Следовательно, ток при фотоэффекте должен бы,вопреки опытным данным, достигать предельной величины не сразу после началаосвещения, а с большим запаздыванием, зависящим от интенсивности света.
Ненаходит объяснения также и наличие красной границы фотоэффекта.Объяснение всех законов фотоэффекта оказалось возможным лишь врамках квантовой теории. Эйнштейн дополнил гипотезу Планка о том, что светиспускается квантами, предположив, что испущенный источником света квантраспространяется со скоростью света как нечто целое и поглощается такжецеликом. Квант света получил название фотон. Его энергия(2)Е ,34где 1,0546 10 Дж с - постоянная Планка,- круговая частотаэлектромагнитного излучения. При поглощении кванта электрон может получитьпорцию энергии, равную , - ни больше, ни меньше.
Из закона сохраненияэнергии следует, что поглощѐнная электроном энергия расходуется насовершение работы выхода и на приобретение электроном кинетической энергии:mv м2 акс2Ав ых .(3)Сюда входит максимальная кинетическая энергия вылетевших из поверхностикатода электронов, поскольку свет может высвобождать электроны не только ссамой поверхности, но и из более глубоких слоѐв катода. Последние могутрастратить часть своей энергии на столкновение с частицами вещества при своѐмдвижении к поверхности. Уравнение (3) называется уравнением Эйнштейна дляфотоэффекта.С точки зрения квантовой теории легко объяснить все законы фотоэффекта.С помощью формулы (1) уравнению (3) можно придать вид5mv м2 акс2eU 3Ав ых ,(4)т.е.
величина задерживающего напряжения U3 действительно является линейнойфункцией частоты света. Ясно также, что при Ав ых энергии квантанедостаточно для совершения работы выхода (кинетическая энергия не можетбыть отрицательной). Поэтому, если частота падающего света меньше величиным инАв ых, а длина волны его больше2 см акс, то фотоэффекта не возникает.м инОпыт хорошо подтверждает связь между работой выхода и красной границейфотоэффекта.
Закон Столетова объясняется следующим образом. Согласнопредставлению о квантах, интенсивность света равна I n0 , где n0 - числоквантов, проходящих в единицу времени через единичную площадку,перпендикулярную направлению распространения света. Число же вылетевших споверхности катода электронов, определяющее силу тока насыщения,пропорционально числу падающих на катод квантов. Объясняется ибезинерционность: как только появляются кванты с необходимой энергией, сразуже появляются и выбитые ими электроны.Применения внешнего фотоэффектаФотоэлементы.
На практике находят широкоеприменениефотоэлементы, действие которых основано на внешнем фотоэффекте.Фотоэлементыбываютвакуумныеигазонаполненные. Фотоэлемент представляет собойстеклянный баллон с окошком, через которое на катодКФ,падаетсветовойпотоквызывающийфотоэлектронную эмиссию (рис. 3). Для увеличениячисла электронов, выходящих из поверхности катода, иуменьшения работы их выхода катод проходитспециальную обработку (в частности, его покрываютРис.
3тонкимслоемщѐлочноземельногометалла).Фотоэлемент включается в цепь, состоящую из источника ЭДС и сопротивлениянагрузки RH . Источник подключается к катоду отрицательным полюсом.Вылетевшие из катода электроны попадают на анод и создают в цепи фототок.Фотоэлементы работают в режиме насыщения. Сила фототока iФпропорциональна величине светового потока, падающего на катод, и не зависитот сопротивления нагрузки. На нагрузке возникает разность потенциаловU iФ RН . При больших сопротивлениях RH можно получить величинуU,достаточную для регистрации фототока.
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}
