2.1. Мета роботи
Практичне ознайомлення з закономірностями зовнішнього фотоефекту; експериментальне визначення роботи виходу для сурьмяно-цезієвого фотокатода, а також постійної Планка.
Вивчення закономірностей фотоефекту призвело фізичну науку до поняття світлових квантів і зіграло видатну роль в становленні сучасних уявлень про природу.
2.2.2. вакуумний фотоелемент
Це один з найпоширеніших приладів, які використовують зовнішній фотоефект. Він являє собою відкочений скляний балон, частина внутрішньої поверхні якого покрита металом і є катодом К. Металеве кільце А служить анодом (див. Рис. 2. 1).
Електричне коло на рис. 2. 1 розімкнути; ток в ній з'явиться, тільки якщо з катода будуть вирвані (наприклад, світлом) електрони, які потім досягнутий анода. Сила фотоструму залежить від числа що вилітають з катода електронів, від їх початкової швидкості, а також від різниці потенціалів між катодом і анодом. Залежність сили фотоструму від анодної напруги (при постійній освітленості катода) називається вольтамперной характеристикою (ВАХ) фотоелемента (див. Рис. 2. 2).
2.2.3. закономірності фотоефекту
Навіть при нульовому анодній напрузі U деякі з фотоелектронів долітають до анода, тому I ≠ 0 при U = 0. Зі збільшенням U анода досягають все більше число електронів, і сила фотоструму поступово зростає. Нарешті, при певній напрузі (званим напругою насичення UН) все фотоелектрони долітають до анода, і в подальшому збільшення напруги не призводить до збільшення сили струму. Досягнуте значення сили фотоструму називається струмом насичення IН. За значенням сили струму насичення можна судити про кількість електронів n. випускаються катодом за одиницю часу:
Якщо анодна напруга негативно, то воно буде гальмувати фотоелектрони, і сила струму зменшиться.
При деякому значенні напруги U = UЗ <0 (которое называется запирающим) даже самые быстрые фотоэлектроны не в силах достигнуть анода, и ток прекращается. При этом вся начальная кинетическая энергия электронов расходуется на совершение работы против сил задерживающего электрического поля:
(Ekmax - початкова кінетична енергія найшвидших фотоелектронів, які покидають катод при даних умовах).
На рис. 2. 2 наведено кілька ВАХ одного і того ж фотоелемента, отримані при опроміненні катода монохроматичним світлом однієї і тієї ж частоти ω, але різної інтенсивності (а) або однієї і тієї ж інтенсивності I, але різних частот (б).
Експериментально встановлено такі закономірності фотоефекту [1].
1. При фіксованій частоті світла сила фотоструму насичення (і число фотоелектронів вириваються з катода за одиницю часу) прямо пропорційно інтенсивності світла).
2. Величина замикаючої напруги (і максимальна швидкість фотоелектронів) визначається частотою світла і не залежить від його інтенсивності.
3. Для кожної речовини існує червона межа фотоефекту, тобто мінімальна частота світла ω0, при якій фотоефект ще можливий.
2.2.4. Недостатність класичних уявлень
До моменту відкриття фотоефекту була загальновизнана хвильова теорія світла, що бере початок з дослідів Френеля, Юнга і Араго по дифракції та інтерференції світла. З рівнянь Максвелла слід існування електромагнітних хвиль, властивості яких (експериментально вивчених Герцем) виявилися тотожні властивостям світла, а також інфрачервоного і ультрафіолетового випромінювань. Були виміряні довжини світлових хвиль (0,4 - 0,7 мкм).
За допомогою уявлень про світло як про електромагнітні хвилі успішно пояснені (не тільки якісно, але і кількісно) закономірності відображення, заломлення, поляризації світла. Природним було прагнення пояснити з тих же позицій і фотоефект.
Метали відрізняються від інших речовин наявністю великого числа "вільних" електронів (не пов'язаних з будь-яким атомом) провідності. Резонно припустити, що саме ці електрони і будуть вириватися електричним полем світловий (електромагнітної) хвилі. Тоді перший із зазначених в п.2.2.3 законів фотоефекту пояснюється елементарно: чим більше амплітуда світлової хвилі, тим більшу кількість електронів може вона вирвати з поверхні металу.
Знайдемо далі залежність швидкості і кінетичної енергії, що купується електроном, від параметрів світлової хвилі. Для цього проинтегрируем рівняння руху "вільного" електрона провідності в змінному електричному полі хвилі:
де Е - амплітуда, ω = 2πν - циклічна частота світла. отримаємо
Оскільки інтенсивність світла визначається квадратом амплітуди електричного вектора Е, то можна сказати, що максимальна початкова кінетична енергія фотоелектронів: по-перше, прямо пропорційна інтенсивності світла; по-друге, обернено пропорційна квадрату частоти світла.
Однак обидва ці передбачення ніяк не підтверджуються спостереженнями!
Навіть якщо припустити, що світло вириває з металу не електрони провідності, а електрони, пов'язані з атомами квазіпружної силами, то рішення рівняння руху такого електрона дало б резонансну залежність Еkmax від ω (гострий пік при ω = ω0 - частота власних коливань електронів в атомах) і як і раніше пропорційність меду інтенсивністю світла і Еkmax.
Отже, класичні уявлення явно не способи пояснити всіх спостережуваних закономірностей фотоефекту!
2.2.5. Квантове тлумачення законів фотоефекту
У 1905 р Ейнштейн показав, що закономірності випромінювання і поглинання світла легко можуть бути пояснені в припущенні, що енергія світла випромінюється і поглинається дискретними порціями (квантами); при цьому величина кванта енергії світла прямо пропорційна його частоті: ε = hν (коефіцієнт h називається постійної Планка).
Відповідно до квантової теорії (див. Наприклад [2], [3]) енергія електрона в твердому тілі також приймає дискретний ряд значень. Ці значення (енергетичні рівні) групуються в смуги, або дозволені зони розділені забороненими зонами.
Енергетична зона, заповнена електронами лише частково, називається зоною провідності; у зон, що лежать нижче неї, заповнені всі рівні.
Знаходяться в зоні провідності електрони легко можуть переходити на більш високі енергетичні рівні цієї зони, інакше кажучи - збільшувати свою кінетичну енергію (прискорюватися) за рахунок зовнішніх впливів. Найвищий з енергетичних рівнів, зайнятих електронами при Т = 0 К, називається рівнем Фермі.
При звичайних умовах всі електрони в металі мають негативні значення повної енергії; за нульовий рівень енергії приймається енергія покоїться електрона, що знаходиться поза металу. Найменша робота, необхідна для видалення електрона з металу у вакуум, називається роботою виходу А0. Фактично робота виходу - це енергія, яку потрібно затратити, щоб вирвати з металу (при Т = 0 К) електрон, що має енергію Фермі і рухається до поверхні (а не вглиб) металу. Для виривання будь-якого іншого електрона знадобиться велика енергія! Роботу виходу можна також трактувати як глибину потенційної ями, в якій знаходиться електрони металу. Вона визначається хімічною природою речовини і в меншій мірі - умовами, в яких воно знаходиться, наприклад, температурою.
Якщо енергія кожного кванта світла (фотона) менше роботи виходу, то електрони, яким передається їх енергія, не зможуть покинути метал. Мінімальна частота світла, яка ще може викликати фотоефект, визначається співвідношенням:
і називається червоною кордоном фотоефекту. (Тут "червона" є синонімом слів "довгохвильова" або "низькочастотна"; червона межа може лежати і в ультрафіолетовій області спектра!)
Отже, якщо поверхня металу освітлена світлом з частотою ν> ν0. то максимальна кінетична енергія, яку можуть мати фотоелектрони, визначається зі співвідношення
званого рівнянням Ейнштейна для фотоефекту.
Відповідно до рівняння Ейнштейна і формулою (2.2) замикає напруга має залежати від частоти лінійно:
Цей висновок (одне з передбачень квантової теорії) знаходиться в прекрасному відповідно до досвіду. Більш того, вимірявши значення замикаючої напруги для декількох частот світла, ми можемо за допомогою рівняння (2.8) знайти роботу виходу матеріалу фотокатода і постійну Планка.
2.3. Опис лабораторної установки
У лабораторній установці, показаній на рис. 2.3, в якості джерела світла використовується ртутна газорозрядна лампа ДРШ, що випромінює лінійчатий спектр. (Довжини хвиль спектральних ліній ртуті добре відомі і занесені в таблиці, що позбавляє від необхідності їх вимірювати.)
За допомогою монохроматора з випромінювання ртутної лампи виділяється вузькі пучки монохроматичного світла, які по черзі направляють на фотоелемент з сурьмяно-цезієвим катодом.
Електрична схема включення фотоелемента показана на рис. 2.4. За допомогою джерела постійного струму ІП, змонтованого в підставі монохроматора, і двополюсного перемикача S на аноді фотоелемента Ф можна створювати як позитивний (прискорює поле), так і негативний потенціал (гальмівне поле). Напруга між катодом і анодом регулюється потенціометром R; для вимірювання напруги служить вольтметр V. Сила струму в ланцюзі фотоелемента вимірюється амперметром А.
2.4. Методика проведення експерименту і обробка результатів
2.4.1. Методика експерименту
2.4.1.1. Вимірювані і обчислювані величини
Для визначення червоною кордону фотоефекту і постійної Планка вимірюються значення замикаючої напруги для декількох найбільш яскравих спектральних ліній, рухаючись від фіолетового до жовто-зеленої області спектра. Для цих же ліній знімаються вольт-амперні характеристики в інтервалі напруги від 0 до 3 В.
Після закінчення вимірювань будується графік залежності UЗ (ν); за графіком визначаються значення h і ν0. Обчислюються значення λ0 (нм), а також А0 (Дж, еВ).
2.4.1.2. Темновий струм фотоелемента і точність вимірювань
У реальному фотоелементі навіть при нульовій освітленості катода тече деякий (дуже невеликий) темновой ток IТ. обумовлений частково термоелектронної емісією з катода, почасти різницею робіт виходу для катода і анода, почасти просто витоком струму між висновками фотоелемента.
При різниці потенціалів між катодом і анодом, близькою до UЗ. сила струму в ланцюзі анода того ж порядку, що і темнової струм. Однак величина темнового струму залежить від безлічі параметрів і в принципі може змінюватися в ході експерименту.
Зі сказаного ясно, що спосіб експериментального визначення UЗ як напруги, при якому струм на виході фотоелемента дорівнює нулю (або навіть попередньо виміряного значенням IТ) не цілком надійний. Для отримання більш достовірного значення UЗ слід збільшувати (по модулю) негативне анодна напруга до тих пір, поки не припинить зменшуватися анодний струм фотоелемента.
При позитивних значеннях анодної напруги темновой ток становить незначну частину повного струму. Тому при знятті вольт-амперної характеристики в області U> 0 облік темнового струму не потрібно.
2.4.2. Порядок виконання роботи
2.4.2.1. Підготовка до роботи
- Підготуйте амперметр до роботи відповідно до інструкції.
- Увімкніть ртутну лампу 1 натисканням тумблера "ВКЛ" і "ЛАМПА ДРШ" на блоці живлення (якщо лампа не загоряється, натисніть чорну кнопку)
- При правильному налаштуванні світло ртутної лампи повинен бути сфокусований в центрі кришечки 2, що закриває об'єктив монохроматора. Якщо це не так, наведіть світлову пляму на центр кришки 2, повертаючи гвинт 8 конденсорною лінзи.
- Зніміть кришку 2 з об'єктива монохроматора. Рукоятка затвора 4 повинна стояти в положенні "відкрив".
- Мікровінотом 3 встановіть ширину вхідної щілини 0,15 мм.
2.4.2.2. Вимірювання замикаючої напруги
- Дивлячись в окуляр монохроматора, поворотом барабана 5 вирівняйте яскраву фіолетову лінію (λ = 404,7 нм) з покажчиком (темна стрілка на тлі спектра). При необхідності регулюйте різкість обертанням окулярного кільця.
- Замініть окулярну головку 7 на головку з фотоелементом 6.
- Мікрогвинти 3 встановіть ширину вхідної щілини 2 мм.
- Ручкою "ВСТАНОВЛЕННЯ 0" амперметра виведіть його стрілку на середину шкали.
- Перемикач полярності блоку живлення фотоелемента поставте в положення "-".
- Обертаючи ручку потенціометра R, збільшуйте анодна напруга до тих пір, поки стрілка амперметра не зупиниться.
- Запишіть значення напруги, при якому стрілка зупинилася (замикає напруга) в таблицю 2.2.
- Виконайте вимірювання по пунктам 9-12 ще два рази.
- Ручкою "ВСТАНОВЛЕННЯ 0" виставте стрілку амперметра на нульову поділку.
2.4.2.3. Зняття вольт-амперних характеристик
- Перемикач полярності блоку живлення поставте в положення "+".
- Потенціометром R встановіть анодна напруга рівне 0.
- Виміряйте силу фотоструму для значень прискорювальної напруги від 0 до 3 В через 0,6 В. Запишіть її в таблицю 2.3.
Увага! Вимірювання по пункті 3 необхідно виконати також для синьої (λ = 435,6 нм) і блакитний (481,6 нм) ліній спектра ртуті.
Лише один раз вимірювані величини:
Шкода, що у нас цей предмет закінчився.
Зробіть вже для неї нормальну фізику!)))) Щоб Андрєєва була по 4 пари в день!))))
Але тільки для неї!