 |
Обработка результатов измерений
|
|
|
|
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 58
ПРИМЕНЕНИЕ УРАВНЕНИЙ ЭЙНШТЕЙНА ДЛЯ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА
Цель работы: определить постоянную Планка, работу выхода и красную границу фотоэффекта для сурьмяно-цезиевого фотоэлемента.
Приборы и принадлежности: лабораторный стенд, содержащий блок питания, источник света, сурьмяно-цезиевый фотоэлемент, микроамперметр на
0,1 мкА, блок управления с вольтметром, ключами 
и 
и регулятором напряжения.
Методика эксперимента
В работе используется вакуумный сурьмяно-цезиевый фотоэлемент. Он выполнен в виде стеклянного баллона, в котором создан вакуум. На одну сторону внутренней поверхности баллона на подкладочный слой магния или серебра нанесен тонкий слой сурьмы, а затем тонкий слой цезия. Образующееся при этом соединение 
служит катодом. В центральной части баллона расположен металлический анод в форме кольца.
На рис. 1 представлена принципиальная электрическая схема установки.
При включении блока питания в сеть напряжением 220 В загораются лампы источника света и на шкале микроамперметра появляется световой зайчик. Внутри этого блока находится источник постоянного тока.
Свет от источника, распространяясь внутри световода, проходит через светофильтры и попадает на катод ФЭ, вырывая из него фотоэлектроны. При замкнутых ключах и в цепи появляется фототок, измеряемый микроамперметром (нормирующее значение тока будет равно 0,1 мкА., а цена деления шкалы 
). Напряжение между катодом и анодом изменяется при помощи регулятора R. Один из светофильтров пропускает излучение с длиной волны 
нм, другой – с длиной волны 
нм. Ключи и в положении «вниз» выключены, в положении «вверх» - включены.
|
|
|
Порядок выполнения работы.
1. Включите блок питания в сеть 220 В. Ключи и при этом должны быть выключены.
2. На пути световых лучей, идущих от источника света к ФЭ поставьте синий светофильтр ( нм). Источник света поставьте на расстоянии 
см от ФЭ.
3. Включите ключи и .
4. Устанавливая при помощи регулятора R напряжение на ФЭ, равное 0; 0,1; 0,2; и т.д. (см. табл. 1) записывайте значения фототока.
Последнее измерение – самое ответственное – наблюдая за световым зайчиком, медленно, плавно поворачивая регулятор, установите световой зайчик точно на нуль.
5. Запишите в таблицу 1 величину задерживающего напряжения 
.
Таблица 1
| № | нм
|  нм
| |||||||
 =
|  =
| =
| =
| ||||||
| U, B | I, мкА | U, B | I, мкА | U, B | I, мкА | U, B | I, мкА | ||
| 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 | 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 | 00,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 | 0,10 0,15 0,20 0,25 0, 0,35 | ||||||
| =
|  =
|  =
|  =
|
6. Не изменяя светофильтра, поставьте источник света на расстоянии = 25 см от ФЭ и произведите те же действия, что были указаны в пункте 4). В таблицу запишите величину задерживающего потенциала .
7. Замените синий светофильтр на желтый ( нм). Источник света поставьте на расстоянии = 18 см от ФЭ. Устанавливая напряжение на ФЭ 0,1; 0,2; 0,3; и 0,35 В, измеряйте силу фототока. Последнее измерение выполняйте также точно, как это делалось при работе с первым фильтром. Запишите величину задерживающего напряжения .
8. Поставьте источник света на расстоянии = 25 см от ФЭ и произведите те же действия, что были указаны в предыдущем пункте. Определите величину задерживающего напряжения .
9. Выключите ключи и , выключите блок питания из сети.
Обработка результатов измерений
1. Постройте вольтамперные характеристики фотоэлемента (рис.2) для излучений с длинами волн 
и 
для двух значений интенсивности света 
( = 18 см) и 
( = 25 см).
2. Получите формулу для определения постоянной Планка. Для этого в уравнение Эйнштейна:
|
|
|
, (1)
подставьте 
, где 
- скорость света в вакууме, и 
, e – заряд электрона, равный 
.
Тогда уравнение (1) примет вид:
, (2)
Записав его дважды для излучений с длинами волн и , получите выражение для постоянной Планка:
(3)
3. Рассчитайте величину постоянной Планка, подставив в формулу (3) величины е, C, и , и найденные значения задерживающего напряжения и .
4. Из (2) следует
, (4)
используя выражение (4) и найденное экспериментально значение h, определите работу выхода электронов из сурьмяно-цезиевого катода для двух полученных значений задерживающего напряжения и ; вычислите среднее значение работы выхода. Выразите найденное среднее значение в электрон-вольтах (1 эВ = 
Дж).
5. Определите красную границу фотоэффекта для данного катода по формулам:
и 
, (5)
Сравните полученные значения постоянной Планка, работы выхода и красной границы с табличными эначениями:
Дж×с; 
эВ; 
нм.
Контрольные вопросы.
1. Какое явление называется внешним фотоэффектом?
2. Изобразите вольтамперную характеристику фотоэлемента.
3. Какова связь между фототоком насыщения и числом электронов, покинувшим катод за единицу времени?
4. Почему уменьшается фототок при увеличении отрицательного напряжения между катодом и анодом?
5. Какое напряжение называется задерживающим? Какова связь между максимальной кинетической энергией фотоэлектронов и задерживающим напряжением?
6. Сформулируйте законы внешнего фотоэффекта.
7. Что представляет собой свет с точки зрения квантовой теории?
8. Каков механизм внешнего фотоэффекта?
9. Запишите уравнение Эйнштейна. Выражением, какого закона оно является?
10. Объясните законы внешнего фотоэффекта на основе квантовой теории.
11. Будет ли наблюдаться фотоэффект, если на сурьмяно-цезиевый катод направить свет длиной волны: а) 
нм б) 
нм.
Библиографический список
1. Детлаф А. А., Яворский Б. М. Курс физики: Учеб. пособие для втузов. – М.: Высшая школа, 2000. – 608 с.
2. Савельев И. В. Курс общей физики: Учеб. пособие для втузов: 2т. - М.: Наука, 1988.- 496 с.
3. Трофимова Т. И. Курс физики: Учеб. пособие для инженер.-техн. специальностей вузов. – 6-е изд., – М.: Высш. шк., 2000. – 541 с.
|
|
|
