Физический практикум для инженерного класса, практическая работа № 4 "Изучение законов фотоэффекта и определение постоянной Планка"

Практическая работа № 4

Тема: Изучение законов фотоэффекта и определение постоянной Планка

Цель: прочитайте теоретические сведения, ход работы, сформулируйте цель.

Оборудование: программа фотоэффект

Теоретические сведения

Внешним фотоэффектом (или фотоэлектронной эмиссией) называют явление вырывания электронов с поверхности твёрдых или жидких веществ под действием электромагнитного излучения.

К внутреннему фотоэффекту относятся: изменение электропроводности (фотопроводимость), возникновение электродвижущей силы, изменение диэлектрической проницаемости (фотодиэлектрический эффект).

Фотоны, падая на поверхность металла, проникают на очень малую глубину в металл и поглощаются отдельными его электронами проводимости. При этом их энергия практически моментально возрастает до значения, достаточного, чтобы преодолеть потенциальный барьер вблизи поверхности металла, и они вылетают наружу.

Энергия фотона после поглощения его, с одной стороны, расходуется на преодоление потенциального барьера (эта часть энергии называется работой выхода электрона из металла), а с другой стороны, частично сохраняется у электрона вне металла в виде кинетической энергии. Таким образом, баланс энергий выглядит следующим образом:

С оотношение (1) называется уравнением Эйнштейна для фотоэффекта. Оно в частности показывает, что энергия фотоэлектронов, действительно, никак не зависит от интенсивности света, а линейно зависит от частоты света. При достаточно низкой частоте света фотоэффект не наблюдается: энергии фотона не хватает на преодоление потенциального баpьеpа. Та критическая частота, при которой пpекpащается фотоэффект, называется красной границей фотоэффекта. Красная граница фотоэффекта определяется работой выхода: hν_кр = А_вых.

Вольт-амперная характеристика.

Д опустим, что фотоэлемент включен в цепь. При U=0 через элемент проходит небольшой ток (см рис). Под действием света из катода вырываются электроны, и он заряжается положительно. Вырванные электроны вблизи катода создают отрицательно заряженное облако, из которого большая часть электронов попадает обратно на катод (катод при U=0 притягивает электроны), а часть электронов из облака попадает на анод. Они и создают небольшой ток. Для прекращения фототока необходимо приложить обратное по знаку напряжение U_з , которое называют задерживающим напряжением. Если увеличивать напряжение, то по мере роста все большее число электронов за секунду попадает на анод. Облако из электронов вблизи катода редеет, а ток через фотоэлемент растет. При достаточно сильном поле облако из электронов вблизи катода полностью исчезнет. Все электроны, вышедшие из катода, будут попадать на анод - наступит насыщение: дальнейшее усиление поля в баллоне фотоэлемента не приведет к увеличению тока. Ток насыщения I_нас определяется тем количеством электронов, которые вырываются в секунду из металла. Фототок насыщения зависит от падающего на фотоэлемент светового потока Ф. Он будет тем больше, чем больше число фотонов в секунду падает на катод. Очевидно, что зависимость I_нас(Ф) должна быть линейной. По этой причине вакуумные фотоэлементы могут служить точными фотометрами, позволяющими измерять световые потоки. Следует отметить, что при достаточно больших световых потоках ток насыщения перестаёт увеличиваться пропорционально световому потоку – наступает насыщение фотоэлемента по световому потоку.

Определение постоянной Планка.

С помощью уравнения Эйнштейна (1) для фотоэффекта, можно экспериментально получить значение постоянной Планка. Для этого необходимо измерить величину запирающего напряжения при различных частотах падающего на фотоэлемент света. В этом случае работа внешнего поля над электронами равна кинетической энергии электрона при вылете из катода: С учётом формулы (4) уравнение (1) можно переписать в виде: или

Из последнего уравнения видно, что если строить по точкам график экспериментальной зависимости U_з (ν/е), то должна получиться прямая. Тангенс угла наклона этой прямой к оси x численно равен h.

Выполнение работы

1. Запустите программу фотоэффект.

2. Прочитайте теоретические сведения и перейдите к пункту «эксперимент».

3. Нажмите на кнопку «Ход работы», следуйте указаниям.

4. Данные заносите в таблицу

   № п/п	Длина волны, λ, м	Частота, ν, Гц	Задерживающее напряжение U, В
   1	400‧10-9
   2	450‧10-9
   …
   5	600‧10-9

5. Определите задерживающее напряжение для длин волн 400, 450, 500, 550, 600 нм.

6. Постройте график зависимости U_з (ν). (ν = с/λ) (зависимость должна быть линейная)

7. Определите тангенс угла наклона получившейся зависимости (tg φ)

8. Определите значение постоянной Планка как h = е · tg φ.

9. Вычислите абсолютную и относительную погрешность определения постоянной Планка.

10. Сделайте выводы.

Контрольные вопросы

1. В чём состоит явление внешнего фотоэффекта? Когда и кем оно было открыто, исследовано?

2. Объясните наличие на вольт-амперной характеристике фотоэлемента тока насыщения, т.е. горизонтального участка на кривой I(U), соответствующего независимости силы фототока от приложенного к фотоэлементу напряжения.

3. Что понимают под термином "красная граница" и почему эта граница красная (а не зелёная, например)?

4. Объясните природу работы выхода А фотоэлектронов, т.е. против какой силы (сил) свободный электрон должен "поработать", чтобы выйти за пределы металлического предмета?