Экспериментальная проверка законов внешнего фотоэффекта, определение постоянной Планка

Цель работы.

Целью работы является экспериментальная проверка  законов внешнего фотоэффекта, определение постоянной Планка.

Теоретическая часть.

Внешний фотоэффект наблюдается при освещении металлов и сопровождается выходом фотоэлектронов в вакуум. Согласно зонной теории для металлов электроны в металле находятся в прямоугольной потенциальной яме конечной высоты и занимающими разные потенциальные уровни этой ямы. Покинуть потенциальную яму и уйти за ее пределы могут только те электроны, которые обладают достаточной энергией для того, чтобы преодолеть потенциальный порог высоты E_M.

Чтобы электрон покинул потенциальную яму, необходимо сообщить ему энергию: либо нагреть, либо облучить светом.

Основные закономерности внешнего фотоэффекта проявляются при исследовании зависимостей количества испускаемых фотоэлектронов и их энергий от интенсивностей и частоты падающего монохроматического света.

Законы фотоэффекта:

1. Опр. Величина фототока прямо пропорциональна интенсивности падающего монохроматического света.
2. Опр.  Для каждого материала существует минимальная граничная частота, ниже которой фотоэффект не может иметь места.
3. Опр.  При изменении интенсивности света кинетическая энергия выбиваемых светом электронов не изменяется, т.е. кинетическая энергия электронов не зависит от интенсивности падающего света.
4. Опр. Величина задерживающего потенциала , а следовательно, и величина максимальной кинетической энергии выбитых фотоэлектронов прямо пропорциональна частоте облучающего света.

Спектральная характеристика:

Опр.  Спектральная характеристика - диапазон длин волн частот, к которому данный фотоэффект чувствителен.

Подтвердить квантовые свойства излучения можно, проверив справедливость уравнения Эйнштейна для фотоэффекта и вычислив с помощью этого уравнения постоянную Планка, используя значения n и U₀, определяемые экспериментально.

Для определения h нужно найти тангенс угла наклона прямой U_o(n) к оси частот.

Описание лабораторной установки:

1. лампа накаливания
2. фокусирующая линза
3. модулятор света
4. формирователь опорного сигнала
5. универсальный монохроматор (УМ-2)
6. фотоэлемент
7. блок переключений
8. узкополосный усилитель (У2-6)
9. синхронный детектор (К3-2)

Порядок выполнения работы:

1. Приготовить установку к работе.
2. Снять спектральную характеристику фотоэлемента, при напряжении на нем, равном 15 В.
3. Снять световые характеристики фотоэлемента при частоте падающего света, соответствующей максимуму спектральной характеристики фотоэлемента при трех значениях «прямого» напряжения. Расстояние от входной щели монохроматора до фотоэлемента изменять через 5 см.
4. Снять ВАХ фотоэлемента при трех расстояниях от входной щели монохроматора до фотоэлемента при частоте света, соответствующей максимуму спектральной характеристики.
5. Снять ВАХ фотоэлемента при минимальном расстоянии от щели монохроматора при трех значениях частоты.
6. Снять зависимость напряжения запирания от частоты падающего на фотоэлемент света U₀(n).

Результаты измерений занесены в соответствующие таблицы и отражены на соответствующих графиках:

Таблица 1. Спектральная характеристика фотоэлемента при U=14,3 B.

Таблица 2. Световые характеристики фотоэлемента при l=9180 Å, n=3,27×10¹⁴ Гц.

Таблица 3. Прямая ветвь ВАХ фотоэлемента при разных интенсивностях при l=9180 Å, n=3,27×10¹⁴ Гц.

Таблица 4. Прямая ветвь ВАХ фотоэлемента при разных частотах при r=0 см.

Таблица 5. Обратная ветвь ВАХ фотоэлемента при разных частотах и обратном напряжении при r=0 см.

Продолжая график, получаем: U_обр.=-0,39 В

Продолжая график, получаем: U_обр.=-0,44 В

Продолжая график, получаем: U_обр.=-0,62 В

Полученную зависимость U_обр.=f(n) занесем в таблицу и отобразим графически.

Таблица 4. Экспериментальная зависимость U_обр.=f(n).

По графику определим значение постоянной b из формулы y=ax-b:

Для вычисления постоянной Планка используем метод наименьших квадратов исходя из графика ВАХ фотоэлемента при трех значениях частоты и обратном напряжении:

, где , , ,

Представляем y=ax+b как:

Вывод.

В данной лабораторной работе мы познакомились с внешним фотоэффектом и экспериментально подтвердили его основные законы. На графиках световых характеристик имеем не совсем линейный характер, поскольку мы строили графики из расчета, что J~1/r², что на самом деле действительно только при больших r. Мы же производили измерения при малых r. В целом основные экспериментальные данные подтверждают теоретические. Также мы нашли работу выхода: P=0,6592*10^-19 Дж. Определили значение постоянной Планка методом графической интерполяции и методом наименьших квадратов. Получили значение, равное h=3,624*10^-34 Дж*с. Практическое значение отличается от теоретического по нескольким причинам:

§  Некоторые значения были получены методом продолжения графиков, что вносит большое отклонение результатов от истинных;

§  В процессе выполнения работы происходила самопроизвольная разкалибровка прибора;

§  Каждый измерительный прибор обладал собственной погрешностью.

Спектральная характеристика показывает, что чувствительность фотоэлемента при прямом напряжении и обратном соответствует разным длинам волн (частотам). Поскольку уравнение Эйнштейна выполняется, это говорит о том, что излучение обладает квантовыми свойствами, т.е. энергия излучается не непрерывно, а порциями, энергия которых равна Е=hn. Классическая же теория не в силах объяснить некоторые явления, в чём и заключается их противоречие.