Назва роботи: ДОСЛІДЖЕННЯ ЗОВНІШНЬОГО фотоелектричний ефект на фотоелемент
Предметна область: Фізика
Опис: Лабораторна робота №14 ДОСЛІДЖЕННЯ ЗОВНІШНЬОГО фотоелектричний ефект на фотоелемент Мета роботи: Побудова вольтамперних характеристик металів фотоелементів визначення постійної Планка визначення роботи виходу електронів з поверхні фотокатода.
Розмір файлу: 87.5 KB
Роботу скачали: 31 чол.
Лабораторна робота №14
ДОСЛІДЖЕННЯ ЗОВНІШНЬОГО фотоелектричний ефект на фотоелемент
Мета роботи: Побудова вольт-амперних характеристик металів фотоелементів, визначення постійної Планка, визначення роботи виходу електронів з поверхні фотокатода.
Обладнання: Установка для вивчення зовнішнього фотоефекту ФПК-10, фотоприемники Ф-8 і Ф-25.
Зовнішнім фотоелектричним ефектом (фотоефектом) називається випускання електронів речовиною під дією електромагнітного випромінювання (світла). Це явище, відкрите Герцем і досліджене Столєтова в кінці XIX в. має надзвичайно важливе як теоретичне значення, що призвело до уявлення про світлові кванти, так і практичне, що знайшло широке застосування в приладах, званих фотоелементами.
Сутність явища фотоефекту в сучасній фізиці пояснюється квантової теорії світла. Відповідно до цієї теорії світло частоти (, де з # 150; швидкість світла; - довжина хвилі) не тільки залишає атом у вигляді порції енергії h . де h # 150; постійна Планка, а й надалі поширюється у вигляді такої ж порції, локалізованої і переміщається в просторі як ціле зі швидкістю світла. Для таких елементарних світлових порцій прийнято назву # 150; фотон.
У металі є електрони, які вільно переміщаються, але вони не можуть його вільно покинути, так як утримуються позитивними іонами у поверхні. У цій поверхневої області виникає різниця потенціалів (близько 3-5 В), що перешкоджає виходу електронів з металу в навколишній вакуум. Отже, щоб електрон міг вийти з металу, він повинен подолати різницю потенціалів, тобто повинен здійснити роботу, яка називається роботою виходу електрона з металу. Вона визначається співвідношенням А = е U. де е # 150; заряд електрона, U # 150; різниця потенціалів (її називають також контактним потенціалом металу або висотою потенційного бар'єра).
З точки зору зонної теорії під роботою виходу А розуміють мінімальну енергію, яку необхідно надати електрону для його видалення з самих верхніх заповнених рівнянь потенційної ями за її межі (рис.1).
Падаючі на речовина кванти світла, енергія яких h поглинаються атомами речовини. При поглинанні металом фотона його енергія передається вільному електрону. Ця енергія світла набагато більше теплової енергії електронів. Електрон, отримавши енергію, може покинути метал. Для цього він повинен виконати роботу виходу А. Якщо електрон отримав енергію більше, ніж А, то надлишок енергії йде на повідомлення йому кінетичної енергії, за рахунок якої він рухається за межами металу.
Ейнштейн теоретично обгрунтував кількісну зв'язок між енергією, що отримується електроном при його звільненні світлом, і частотою цього світла. В результаті отримав рівняння, назване його ім'ям:
де h - енергія фотона; А # 150; робота виходу електрона з металу; - кінетична енергія електрона.
Якщо енергія фотона така, що її досить тільки для здійснення роботи виходу, тобто якщо. то вийшов електрон буде мати нульовий швидкістю. Частота 0 визначає ту найменшу частоту, при якій можливий фотоефект. Ця частота визначає «поріг» фотоефекту. Користуючись зв'язком частоти з довжиною хвилі. можна знайти довжину хвилі 0. відповідну порогу фотоефекту. Дана довжина хвилі називається «червоною кордоном» фотоефекту. Отже, випромінювання з довжиною хвилі 0 здатне викликати фотоефект, а з 0 фотоефекту не викликає, тому що в цьому випадку менше роботи виходу електрона.
Для більшої частини речовини «червона межа» знаходиться в ультрафіолетовій частині спектру. Але у ряду металів, особливо лужних, вона лежить у видимій та інфрачервоній частинах спектра.
У всіх випадках явище, коли електрон під дією світла залишає межі речовини, зветься зовнішнього фотоефекту.
Особливу групу складають речовини (наприклад, селен), які під дією світла можуть змінити свою електропровідність (явище виникнення фотопровідності). Електрон, поглинаючи квант світла, не покидає його, а завдяки придбаній енергії, переходить в незаповнену зону, обумовлюючи тим самим електропровідність речовини. Це явище називається внутрішнім фотоефектом.
Прилади, в яких здійснюється технічне застосування фотоефекту, називаються фотоелементами.
У даній роботі вивчається вакуумний фотоелемент із зовнішнім фотоефектом. Такий фотоелемент являє собою пустотний скляний балон, з якого викачане повітря. На одну половину внутрішньої поверхні нанесено шар сурми, цезію, калію і натрію (SbKaNaCs). Утворюється при цьому з'єднання і служить фотокатодом, що володіє малою роботою виходу електронів. Він підключається до мінуса зовнішнього джерела струму. Анодом служить тонка металева петелька або сітка, вміщена в центрі балона. Анод підключається до плюса зовнішнього джерела струму.
Принципова схема включення фотоелемента в електричний ланцюг наведена на p Іс.2.
Якщо на катод К направити пучок світла і прикласти між анодом і катодом напругу U. то електрони, вирвані світлом з освітленого катода і прискорені електричним полем, полетять на анод.
Таким чином в ланцюзі з'явиться струм, званий фотострумом, який можна виміряти миллиамперметром m А. Величина фотоструму пропорційна світловому потоку, що падає на катод.
Фотострум зростає зі збільшенням напруги. Залежність струму від анодної напруги при постійному світловому потоці називається вольт-амперної характеристикою фотоелемента. Величина струму, віднесена до одного люмен світлового потоку, називається чутливістю фотоелемента.
У вакуумних фотоелементів, починаючи з деякого значення анодної напруги, припиняється подальше зростання струму. Настає стан насичення фотоелемента. Вона зумовлена тим, що всі вилетіли з катода електрони повністю потрапляють на анод.
Однак фототок з'являється в ланцюзі і при відсутності електричного поля між анодом і катодом, якщо фотоелемент освітлювати світлом. Електрони, що вилітають з катода під дією світла, мають певну кінетичну енергію. Отже, щоб загальмувати їх рух, необхідно докласти до електродів затримує різниця потенціалів (негативна напруга), тобто на катод подати позитивний потенціал, а на анод # 150; негативний. Чим більше буде затримує різниця потенціалів між анодом і катодом, тим менше електронів буде досягати анода, тим менше міліамперметр покаже струм.
При деякому значенні різниці потенціалів навіть найшвидші електрони не досягають анода, струм в ланцюзі відсутній. Умова цього
Величина U З називається затримує різницею потенціалів.
Таким чином, Столетов, вивчаючи закони фотоефекту на установці (рис.2), прийшов до висновку:
- Максимальна початкова швидкість фотоелектронів не залежить від інтенсивності падаючого світла а визначається тільки його частотою (лінійно зростає зі збільшенням частоти).
- Фотострум насичення пропорційний світловому потоку.
- Для кожної речовини існує мінімальна частота, нижче якої фотоефект не спостерігається.
Рівняння Ейнштейна (1) показує, що затримує різниця потенціалів залежить від частоти світла, що падає на фотоелемент, тобто
Затримують різниці потенціалів для різних частот світла 1 і 2 будуть відповідно:
Віднімаючи з (4) (5), отримаємо
Таким чином, знаючи що затримують потенціали для частот 1 і 2. можна розрахувати постійну Планка h.
Далі, знаючи постійну Планка і частоту падаючого світла, можна обчислити роботу виходу електрона з металу:
де U з # 150; затримує потенціал, що відноситься до відповідної частоті .
Всі вимірювання проводяться на установці ФПК-10, що складається з двох блоків, з'єднаних між собою кабелем: вимірювального пристрою та об'єкта дослідження.
Об'єкт дослідження включає в себе освітлювач (спектральну ртутну лампу) з джерелом живлення, блок інтерференційних світлофільтрів 1-4 і пристрій регулювання освітленості. До корпусу прикріплений підсилювач фотоструму, на верхню кришку якого встановлюються змінні фотоприемники Ф-8 і Ф-25. При установці фотоприймачів їх приймальне вікно поєднується з вихідним вікном освітлювача. На бічній кришці підсилювача розташовані регулятори балансу підсилювача «грубо» і «точно».
Вимірювальний пристрій дозволяє проводити вимірювання струму фотоелемента, встановленого в об'єкті дослідження, встановлювати і вимірювати живлять напруги на фотоелементі, а також здійснювати функції управління установкою (в тому числі установка режимів прямого або зворотного вимірювання). У прямому режимі межі вимірювання напруги від 0 до 40 В, в зворотному від 0 до -2,5 В, Кнопки «+», «-» і «скидання» призначені для регулювання напруги на фотоелементі і його скидання на нуль. Індикатори У і мкА призначені для індикації значень величин напруги на фотоелементі і фотоструму в процесі роботи.
Таким чином, принцип дії установки заснований на вимірюванні струму через фотоелемент при зміні полярності і величини прикладеної до нього напруги і зміни спектрального складу і величини освітленості катода фотоелемента.
Порядок виконання роботи.
- Встановити на об'єкт дослідження фотоприймач з фотоелементом Ф-8. Включити вимірювальний пристрій. Після 5-ти хвилинного прогріву ручками «установка нуля» на об'єкті дослідження встановити нульове значення на індикаторі мкА вимірювального пристрою. При цьому на барабані світлофільтрів має стояти положення «0». При цьому положенні світлофільтри відсутні.
- Включити об'єкт дослідження і дати лампі освітлювача прогрітися протягом 15 хвилин.
- За допомогою кнопки «пряма-зворотна» вибрати прямий режим вимірювання напруги.
- Ввести світлофільтр №1.
- Змінюючи значення напруги від 0 до 40 В за допомогою кнопок «+» або «-» прочитувати свідчення фотоструму з індикатора «мкА». Результати вимірювань занести в таблицу1.
- Закінчивши вимірювання в прямому режимі, натиснути кнопку «скидання». При цьому напруга скидається до нульового значення. Далі, кнопкою «пряма-зворотна» вибрати зворотний режим вимірювання. У зворотному режимі інтервал зміни напруги від 0 до -2,5 В. Зняти показання фотоструму до тих пір, поки фототок не прийме нульове значення. При цьому напруга буде замикаючим U з. Проводити вимірювання нижче U з не рекомендується.
- За вказівкою викладача встановити новий фотоелемент і відповідні світлофільтри. Виконати вимірювання згідно п.3-6. Результати занести в таблицу1.
- За формулою (6) розрахувати постійну Планка h.
- За формулою (7) розрахувати величину роботи виходу А (в електрон-вольтах) для різних довжин хвиль.
1. У чому полягає явище зовнішнього і внутрішнього фотоефекту?
2. Сформулювати закони Столєтова і пояснити їх з точки зору квантової теорії світла.
3. Записати рівняння Ейнштейна і пояснити його фізичний зміст для зовнішнього фотоефекту.
4. Що таке «червона межа фотоефекту»?
5. Пояснити природу затримує потенціалу та його залежність від довжини хвилі випромінювання.
6. Яка залежність фотоструму від освітленості катода? Пояснити її з позиції квантового уявлення про світло.
7. Практичне застосування фотоелементів.
до лабораторної роботи № 14