Уравнение эйнштейна для фотоэффекта лабораторная работа

Экспериментальная проверка уравнения Эйнштейна для фотоэффекта

Страницы работы

Содержание работы

Министерство образования Республики Беларусь

«Гомельский государственный университет имени Ф.Скорины»

Отчет по лабораторной работе

Проверка уравнения Эйнштейна для фотоэффекта

Студент группы Ф-32

Проверка уравнения Эйнштейна для фотоэффекта

Цель работы: Экспериментальная проверка уравнения Эйнштейна для Фотоэффекта, опытное определение постоянной Планка.

Приборы и принадлежности: монохроматор УМ-2, Экспериментальная установка (см. схему опыта), вакуумный фотоэлектрический прибор (фотоэлемент или фотоэлектронный умножитель), источник излучения.

Схема установки для проверки уравнения Эйнштейна

1 — стабилизированный источник напряжения;

2 – вакуумный фотоэлемент;

Вольтамперная характеристика Зависимость запирающего потенциала

вакуумного фотоэлемента вакуумного фотоэлемента от частоты излучения

— постоянная Планка;

— запирающие потенциалы;

— частота (длина) волны светофильтра;

— среднее значение постоянной Планка;

— абсолютная погрешность постоянной Планка;

— относительная погрешность постоянной Планка(%).

Экспериментальная проверка уравнения Эйнштейна для фотоэффекта и определение постоянной планка

Ф-О-Лр-73 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА УРАВНЕНИЯ

ЭЙНШТЕЙНА ДЛЯ ФОТОЭФФЕКТА

И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ ПЛАНКА

Цель работы изучение явления фотоэффекта, а также графических методов обработки результатов измерений.

Приборы и принадлежности: источник света, фотоэлемент, набор светофильтров, вольтметр, гальванометр, источник постоянного напряжения, реостат.

При выполнении данной лабораторной работы необходимо знать основные понятия 35.1. Внешний фотоэлектрический эффект (фотоэффект),35.2. Внутренний фотоэффект, 35.3. Вентильный фотоэффект, 35.4. Фототок насыщения, 35.5. Задерживающее напряжение, 35.6. Первый закон фотоэффекта, 35.7. Второй закон фотоэффекта, 35.8. Третий закон фотоэффекта, 35.9. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта, 35.10. Красная граница фотоэффекта, 35.11. Масса фотона, 35.12. Импульс фотона, 35.13. Давление света, 35.14. Эффект Комптона, 35.15. Фотоэлементы

Фотоэффект — ярко выраженное квантовое явление, проявляющееся в макроскопических условиях, причем простые измерения позволяют по­лучить значения постоянной Планка.

Фотоэффектом называется явление вылета электронов из фотокато­да, освещаемого светом. и другими исследователя­ми в конце XIX в. были выявлены следующие основные закономерности фотоэффекта:

1)наибольшее действие оказывают ультрафиолетовые лучи;

2)сила тока возрастает с увеличением освещенности пластины;

3)испускаемые под действием света заряды имеют отрицательный знак.

Впоследствии были обнаружены другие особенности фотоэффекта. Установлено наличие так называемой красной границы nкр: при частотах падающего света меньших, чем nкр фототок отсутствует.

В этом случае энергия кванта света равна работе выхода электронов A. Работой выхода называется наименьшая энергия, которую необходимо сообщить электрону для того, чтобы удалить его из твердого или жидкого тела в вакууме. Для возникновения фотоэффекта необходимо выполнение условия . Кроме того, оказалось, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности света, всецело определяясь частотой.

Простое объяснение этих закономерностей дал в 1905 г. А. Эйнштейн на основе созданной им квантовой теории фотоэффекта.

В основе этой теории лежит представление о свете как наборе квантов – фотонов, обладающих энергией и импульсом , где h – постоянная Планка; – частота света; c – скорость света.

Квантовая теория фотоэффекта основана на следующих физических представлениях. При столкновении фотона с электроном фотокатода энергия фотона полностью передается электрону, фотон прекращает свое существование. В результате такого взаимодействия электрон приобретает избыточную энергию . Если этой энергии достаточно для совершения работы выхода электрона A из металла, то электрон вылетает из фотокатода с некоторой кинетической энергией.

Таким образом, энергетический баланс процесса взаимодействия фотонов с вылетающими электронами описывается уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта

,

Где Emax – максимальная кинетическая энергия; фотоэлектронов Известно, что работой выхода электрона A из металла, называется энергия, необходимая для того, чтобы удалить из кристалла электрон, который имеет энергию, равную энергии Ферми, и движется к поверхности. Если энергия фотона оказывается больше A, то избыток энергии Emax остаётся у электрона, находившегося на уровне Ферми и вылетающего перпендикулярно к поверхности. Все другие электроны, выбиваемые светом из кристалла, имеют меньшую энергию, потому что их энергия была меньше энергии Ферми, а также потому, что они двигались не по перпендикуляру к поверхности.

Из уравнения (1) вытекают все основные закономерности фотоэффекта. Действительно, т. к. освещенность фотокатода пропорциональна числу фотонов, то фототок, будучи пропорциональным, числу выбитых электронов, оказывается пропорциональным освещенности. Непосредственно из (1) видно, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов для данного вещества (т. е. при фиксированной работе выхода A) линейно растет с частотой света, а при n Uз) все фотоэлектроны, выбитые из катода, попадают на анод. Поэтому ток насыщения в этом режиме не изменяется при увеличении ускоряющего потенциала. При задерживающих потенциалах (Uз

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

Обращаем Ваше внимание, что в соответствии с Федеральным законом N 273-ФЗ «Об образовании в Российской Федерации» в организациях, осуществляющих образовательную деятельность, организовывается обучение и воспитание обучающихся с ОВЗ как совместно с другими обучающимися, так и в отдельных классах или группах.

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 = mV 2 _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.

Электроды 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.

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

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).

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

На 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.

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 .