Виртуальная лабораторная работа на тему 'Изучение внешнего фотоэффекта' (11 класс)

Лабораторная работа
ИЗУЧЕНИЕ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА

Цель работы: Изучить основные свойства внешнего фотоэффекта на основе исследований вольтамперных характеристик вакуумных фотоэлементов.

Приборы и принадлежности. Компьютер и программа «Открытая физика», 1 миллиметровая бумага формата А4.

Теоретическое введение и метод измерения

Внешним фотоэффектом называют явление испускания электронов веществом под действием светового потока. Это явление объясняется квантовой природой света и законом сохранения энергии, представленными в виде уравнения Эйнштейна

, (4.1)

где - энергия фотона, подающего на поверхность тела, h постоянная Планка, - частота света, А - работа выхода электрона из вещества и E_max=mV²_max/ 2 - максимальная кинетическая энергия вылетевшего электрона.

Блок-схема виртуальной установки для исследования фотоэффекта с помощью фотоэлемента представлена на рис.4.1. Фотоэлемент (ФЭ) состоит из стеклянной колбы, внутри которой имеется два электрода - фотокатод (К) и собирающий анод (А). При освещении осветителем ОС фотокатода с его поверхности испускаются электроны (фотоэлектроны), которые при движении в электрическом поле между катодом К и анодом А создают фототок.

Рис. 4.1Электроды А и К подключены к источнику ИН так, что величину и знак напряжения между ними можно изменить с помощью потенциометра П. Вольтметр V и миллиамперметр А служат для измерения напряжения и фототока между электродами А и К. Это позволяет измерять вольтамперные характеристики (ВАХ) фотоэлемента. Типичный вид такой зависимости приведен на рис. 4.2, где I_н обозначен фототок насыщения. Величина фототока становится равной нулю при отрицательном напряжении на аноде, называемом задерживающим напряжением . По величине можно определить максимальную энергию фотоэлектронов

, (4.2)

где и = - 1.6^.10^-19 Кл - масса и заряд электрона соответственно.

U

U_з

I_н

I

Рис. 4.2

Используя соотношение (4.2) и уравнение Эйнштейна для фотоэффекта (4.1), получаем, что зависимость задерживающего напряжения от частоты определяется равенством . (4.3)

U_з

α

ν

ν_кр

0

где - частота света; и - работа и потенциал выхода электрона из вещества (фотокатода) соответственно; - постоянная Планка. Как видно из выражения (4.3), зависимость является линейной (рис 4.3). Это позволяет, построив экспериментальную прямую = для исследуемого диапазона частот, экстраполировать ее для другой области, чтобы получить дополнительную информацию. Так, экстраполяция прямой до пересечения с осью ординат на рис.4.3 позволяет определить потенциал выхода , точка пересечения прямой с осью абсцисс дает граничную частоту , т.е. красную границу фотоэффекта.

Величина численно равна тангенсу угла наклона прямой , - координате точки пересечения прямой и оси , a - координате точки пересечения прямой и оси (рис.4.3).

Экспериментальная установка

Имитация эксперимента в виртуальном варианте представлена в программе «Открытая физика» в разделе «Квантовая физика. Фотоэффект».

Рис. 4.3На рис.4.4 изображена блок-схема виртуальной установки, представленной на экране дисплея, которая может быть использована для проведения измерений вольтамперных характеристик фотоэлемента. Катод фотоэлемента освещается светом, длина волн которого подбирается при помощи движка П.

Проведение измерений

1. Установите с помощью движка П (рис.4.4) длину волны 380нм.

2. Подберите для данной длины волны с помощью движка (рис.4.4) максимальное задерживающее напряжение , при котором фототок еще не регистрируется.

3. Занесите в табл. 4.1 значения длины волны и модуля задерживающего напряжения .

Таблица 4.1

4. Проведите измерения модуля для разных значений (п. 1-3), используя шаг изменения длины волны , равный 20 нм, пока фототок не станет равным нулю при любых значениях напряжения на фотоэлементе. Измерьте значение λ_кр, при котором это произойдет. Результаты всех измерений занести в табл. 4.1.

Обработка результатов

1.Используя формулу для частоты света = с/, где с=3^.10⁸ м/с - скорость света в вакууме, вычислите значения частоты для всех значений . Полученные данные занести в таблицу 4.1.

2.Построить график зависимости || от . Полученный график должен соответствовать уравнению (4.3), имеющий вид , где а=h/e, b=A/e. Из графика найдите значения коэффициентов a и b. Результаты занести в табл. 4.2. При построении графика на компьютере в системе EXCEL следует определить линию тренда вида y=ax+b. Для этого нужно щёлкнуть правой клавишей мыши по линии графика, затем выбрать в меню линейную аппроксимацию. Высветившееся уравнение соответствует функции (4.3). Значения коэффициентов a и b занести в табл.4.1.

3.Используя формулы h=a^.e и A=b^.e вычислите значения постоянной Планка и работу выхода. Полученные результаты занести в таблицу 4.2.

Рис. 4.44.Используя формулы =A/h и λ _кр=c/ вычислите частоту и длину волны красной границы фотоэффекта. Результаты занести в таблицу 4.2 и сравнивать с экспериментальными данными.

Таблица 4.2

Выводы:

_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Контрольные вопросы

1. Что такое фотоэффект? Основные законы внешнего фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна. Работа выхода электрона из металла, красная граница фотоэффекта.

2. Устройство установки для исследования фотоэффекта.

3. Как определить кинетическую энергию электрона, вылетающего при фотоэффекте из металла?

4. Что такое вольтамперная характеристика вакуумного фотоэлемента? Нарисуйте ВАХ для различных частот света для двух случаев: при одинаковой энергетической освещенности катода и при одинаковом потоке фотонов, падающем на катод (принять, что квантовый выход не зависит от частоты).

5. Объясните появление фототока насыщения. Какую закономерность фотоэффекта можно установить, используя это понятие?

6. Нарисуйте график зависимости задерживающего напряжения от частоты света. Какие физические величины можно определить с помощью этого графика?

7. Найти частоту υ света, вырывающего из металла электроны, которые полностью задерживаются разностью потенциалов 3В. Фотоэффект начинается при частоте света υ₀ = 6·10¹⁴Гц. Определить работу выхода электронов из металла.