Краткая теория

Оборудование

Работа 65. Изучение внешнего фотоэффекта

Контрольные вопросы

1. Дайте определение теплового излучения.

2. Какие величины характеризуют тепловое излучение?

3. Что называется потоком энергии, энергетической светимостью, спектральной плотностью энергетической светимости (испускательной способностью)?

4. Как связаны между собой энергетическая светимость и спектральная плотность энергетической светимости?

5. Что называется абсолютно черным телом? Какова идеальная модель абсолютно черного тела?

6. Сформулируйте и запишите законы теплового излучения абсолютно черного тела:

- закон Стефана - Больцмана;

- законы Вина;

- закон Планка.

7. Объясните методику проверки закона Стефана – Больцмана.

Цель работы

Исследовать вольтамперные характеристики фотоэлементов; произвести численную оценку постоянной Планка.

Установка для изучения внешнего фотоэффекта ФПК- 10, фотоэлемент СЦВ-4.

Фотоэффект – это процесс взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, в результате которого энергия фотонов передаётся электронам вещества.

Виды фотоэффекта:

1) Внутренний. Он наблюдается в диэлектриках и полупроводниках. При этом происходит перераспределение электронов по энергетическим уровням без вылета их наружу.

2) Вентильный – возникновение Э. Д. С. вследствие внутреннего фотоэффекта.

3 ) Ядерный – расщепление ядер гамма излучением.

4) Внешний - это явление вырывания электронов из твёрдых и жидких веществ под действием света. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами.

Внешний фотоэффект был открыт в 1887 году Г. Герцем, а первые исследования выполнены Столетовым в 1888 – 90 годах.

Экспериментально были открыты три закона внешнего фотоэффекта.

I. Закон Столетова: при фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых из катода в единицу времени, пропорционально интенсивности света. (Сила фототока насыщения пропорциональна падающему световому потоку).

II. Максимальная начальная скорость (кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только частотой света n.

III. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота n ₀света, с которой начинается фотоэффект.

Схема опыта Столетова.(Рис.1.)Вольт-амперная характеристика фотоэффекта(зависимость фототока от напряжения) при различных освещенностях катода (Рис.2.)

Рис. 1. Рис 2.

Установка для исследования фотоэффекта представлена на рис. 1. В сосуде, в котором находятся катод и анод, создается вакуум. Свет падает на катод. Электроны поглощают энергию световой волны и выходят из катода. Под действием электрического поля между катодом и анодом электроны попадают на анод, замыкая цепь. В цепи идет электрический ток.

Объяснение первого закона фотоэффекта связано с вольтамперной характеристикой фотоэффекта, представленной на рис. 2. Световой поток численно равен энергии света, падающего на катод в единицу времени

.

Эта энергия света складывается из энергии N фотонов

,

здесь -энергия одного фотона.

Сила тока в цепи равна

,

где N -число электронов, попавших на анод.

Чем больше электронов попадает на анод, тем больше сила тока в цепи. Когда все электроны, вышедшие из катода, попадают на анод, ток становится максимальным. Он называется током насыщения. По графику (рис. 2), полученному экспериментально, видно: чем больше световой поток (Ф₁>Ф₂), тем больше будет фототок насыщения (I _1нас> I _2нас), т.е. выполняется первый закон фотоэффекта.

Чтобы ни один электрон не попал на анод, необходимо приложить отрицательную разность потенциалов. В этом случае электрическое поле должно задерживать самые быстрые электроны, тогда работа электрического поля будет равна кинетической энергии самых быстрых электронов.

,

здесь - задерживающее напряжение.

Второй и третий законы фотоэффекта нашли объяснение в квантовой теории фотоэффекта А. Эйнштейна (1905г.).

Эйнштейн, развивая квантовые идеи М. Планка, предположил, что свет не только излучается квантами (порциями), но и поглощается квантами.

При фотоэффекте энергия поглощенного кванта расходуется на работу выхода электрона из металла А_вых и на кинетическую энергию электрона

А_вых + . (1)

Формула (1) называется уравнением Эйнштейна для фотоэффекта. Из формулыследует, что максимальная скорость (кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только частотой света n. Уравнение Эйнштейна выражает закон сохранения энергии.При столкновении фотона с электроном фотокатода энергия фотона полностью передаётсяэлектрону и фотон прекращает своё существование.

Фотоэффект наблюдается, даже если кинетическая энергия электрона равна нулю, т.к. электрическое поле между катодом и анодом доведет электрон до анода. Из уравнения Эйнштейна получаем

А_вых; А_вых/ h. (2)

- красная граница (порог) фотоэффекта.

При частоте падающего на катод света больше красной границы фотоэффект наблюдается, а при фотоэффекта нет.

Подставляя выражение в формулу (2), получаем для красной границы выражение А _вых.

Фотоэффект наблюдается, если , фотоэффекта нет при .

Принцип действия установки основан на измерении тока через фотоэлемент при изменении полярности и величины приложенного к нему напряжения и изменения спектрального состава и величины освещенности катода фотоэлемента.

В процессе выполнения лабораторной работы снимаются зависимости тока через фотоэлемент от приложенного к нему напряжения. При этом меняется полярность напряжения. Характеристики снимаются при различных значениях освещенности и при изменении длины волны освещения фотоэлемента. По результатам измерений строятся семейства вольтамперных характеристик и, используя соответствующие методы расчета, численно оценивается значение постоянной Планка.

Дата добавления: 2014-12-24