Изучение основных законов внешнего фотоэлектрического эффекта и определение постоянной Планка (Лабораторная работа № 12ол)

Лабораторная работа №12ол

ИЗУЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЗАКОНОВ ВНЕШНЕГО

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ

ПОСТОЯННОЙ ПЛАНКА

Физические основы внешнего фотоэффекта

Экспериментально обнаружено изменение тока в электричес­кой цепи I и изменении светового потока, поданного на один из её элементов. Это явление было названо фотоэлектрическим эф­фектом. Различает фотоэффект внешний, внутренний, вентильный, в газообразной среде.

Внешний фотоэффект заключается в том, что тела, подвергнутые облучению светом, испускают электроны. Принципиальная схема для исследования внешнего фотоэффекта приведена на рис I.

Рис.1. Электрическая схема для исследования фотоэффекта

Поток монохроматического света направляется на исследуемую  металлическую платину (фотокатод), помещенную в сосуд, из ко­торого откачен воздух. Электроды А и К подключается к источнику так, что на них можно изменять не только значения, но и знак по­даваемого на них напряжения. Напряжение между А и К измеряется вольтметром V , фототок – гальванометром G.

Согласно квантовым представлениям свет рассматривается как поток дискретных световых квантов движущихся со скоростью света С и имеющих энергию Е=hν каждый. Тогда величина свето­вого потока монохроматического света определяется членом кван­тов света, падающих на поверхность в единицу времени.

                     Ф=N₀·hν.                                       (1)

Будем считать, что каждый квант, взаимодействуя с телом, отдает электрону все свою энергию. Эта энергия расходуется на работу выхода электрона с поверхности тела А и на сообщение вылетевшему электрону кинетической энергии. На основании зако­на сохранения энергии можно записать уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта:

                            (2)

где h - постоянная Планка; υ_max - максимальная скорость фотоэлектрона.

Из уравнения (I) следует, что максимальная кинетическая энергия е_к фотоэлектрона линейно возрастает с увеличением частоты падающего свата к не зависит от величины его потока. С уменьшением частоты падающего света кинетическая энергия фотоэлектрона уменьшается (для данного тела А=const) и при некоторой частоте ν₀ обращается в ноль (). Фотоэффект прекратится. Минимальная частота, при которой фотоэффект  еще есть, называется "красной границей" для данного тела и определяется условием.

                                               ν₀ = А/h                                       (3)

Она зависит от работы выхода электрона, определяемой наи­меньшей энергией, которую необходимо сообщить электрону для то­го, чтобы удалить его из тела в вакуум, т.е.  работа выхода эле­ктрона зависит от природы вещества, состояния его поверхности и является характеристикой материала фотокатода К.

При частоте ν > ν₀  ипостоянном падающем потоке света Ф на фотокатод число электронов, достигающих анода, будет зави­сеть от величины тормозящего поля (отрицательная разность по­тенциалов анод – катод U<0 ). При некоторой разности потен­циалов U₃ фототок прекратится. В этом случае ни одному   из электронов, даже обладавшему при валете из катода К наибольшей скорость  υ _max , не удаётся преодолеть задерживающее поле и достигать анода.

Следовательно,

                                        (4)  

где U₃  - работа по торможению электрона, a  e - заряд элект­рона. Учитывая (4), выражение (2) принимает вид:

                        hν =A+eU₃                                                     (5)      

откуда можно определить постоянную Планка h,

Учитывая, что   ν =с/ λ ,     ,      

где с - скорость света, а  λ  - длина волны падающего излуче­ния. Таким образом, появляется возможность определить постоянную Планка.

Если при постоянном световом потоке увеличивать напряжение между электродами, то число электронов, достигающих анода, будет возрастать. Поэтому график  I=f(U) - возрастающая кривая. При U=0 чаcть электронов достигает анода за счет энергии, полученной при облучений светом катода, и фототок отличен от 0. При увеличения U между катодом и анодом тoк растет, так как все большее число электронов достигает анода. Тогда, когда ток перестанет зависеть от напряжения (фототок насыщения) все фотоэлектроны достигают анода. Фототок. насыщения оптеделяется по формуле:

где n - плотность электронов; υ_max  - скорость электронов ; S - площадь катода.

Тогда число электронов, вылетевших из катода за единицу времени равно

                                             (7)

В состоянии насыщения N_e=Nν , поэтому

                                                                            (8)

Согласно приведенному анализу зависимость фототока (при        Ф_ν =const и ν =const ) от напряжения U имеет следующий вид (рис.2).

 

Рис.2. Зависимость фототока ( i) напряжения (U_a) при Ф_ν =const.

Таким образом, из теории следует:

I) существование порога фотоэффекта («красной границы»);

2} прямопропорциональная зависимость фототока насыщения от величины падающего потока монохроматического света;

3) прямо пропорциональная зависимость максимальной кинети­ческой энергии от частота падающего монохроматического света.

Правила техники безопасности

1.  Включать устанодку с разрешения преподавателя.

2.  Не оставлять включенную установку без надзора.

3.  После окончания работы отключить установку от источника питания.

Экспериментальная часть

Постановка задачи

Исходя из теории внешнего фотоэффекта исследуется зависи­мости i=i(U)  иi_н=i_н(Ф_ν) . По полученным данным: