Главная | Случайная
Обратная связь

ТОР 5 статей:

Методические подходы к анализу финансового состояния предприятия

Проблема периодизации русской литературы ХХ века. Краткая характеристика второй половины ХХ века

Ценовые и неценовые факторы

Характеристика шлифовальных кругов и ее маркировка

Служебные части речи. Предлог. Союз. Частицы

КАТЕГОРИИ:






ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ




 

Внешний фотоэффект – это явление испускания электронов телами под действием света. Экспериментальное исследование фотоэффекта впервые провел А. Г. Столетов. Вакуумный фотоэлемент (стеклянный баллон с электродами) включался в цепь источника постоянного тока. Катод из исследуемого металла освещался монохроматическим светом. Исследовалась зависимость силы фототока от напряжения (вольтамперная характеристика), от частоты монохроматического излучения, от освещенности.

 
 

Рассмотрим вольтамперную характеристику (рис. 1). При отсутствии напряжения сила фототока не равна нулю, так как электроны, вылетая из катода при его освещении, образуют электронное облако, из которого они из-за теплового движения могут попадать на анод и перемещаться по внешней цепи обратно на катод. С ростом прямого напряжения все большая часть электронов под действием электрического поля попадает на анод и сила фототока быстро возрастает.

Когда все испускаемые катодом электроны попадают на анод, сила фототока достигает насыщения. Сила тока насыщения равна заряду электронов, испускаемых катодом и попадающих на анод в единицу времени, J = e n. При смене полярности с ростом напряжения сила фототока падает, так как запирающее электрическое поле препятствует попаданию на анод сначала медленных электронов, а затем самых быстрых. Напряжение, при котором сила фототока падает до нуля, называется запирающим. Его величина определяется из закона сохранения энергии: кинетическая энергия самых быстрых электронов расходуется на совершение работы против сил поля

 

. (1)

 

При изучении зависимости силы фототока от частоты монохроматического света (спектральная характеристика фотоэлемента) обнаружено, что фотоэффект возможен только в диапазоне частот выше так называемой красной границы (рис. 2).

На основании экспериментов Столетов установил законы фотоэффекта. 1. Сила фототока насыщения при освещении катода монохроматическим светом прямо пропорциональна световому потоку. 2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от освещенности, а линейно зависит от частоты. 3. Для каждого металла существует так называемая красная граница фотоэффекта, то есть граничная частота, ниже которой фотоэффект не происходит.

Волновая теория света не смогла объяснить законы фотоэффекта. По этой теории электроны в металле раскачиваются в электрическом поле световой волны любой частоты и, набрав за некоторое время достаточно энергии, вылетают из металла. На самом деле фотоэффект практически безинерционен и существует граничная частота. По волновой теории кинетическая энергия должна быть пропорциональна амплитуде напряженности поля, то есть освещенности. На самом деле энергия фотоэлектронов от освещенности не зависит.

Закономерности фотоэффекта объяснила квантовая теория света. По этой теории свет – это поток фотонов, излученных атомами и молекулами вещества. Энергия фотона определяется по формуле Планка, e = h n, где h = 6,63 10 –34 Дж∙с – постоянная Планка, n – частота излучения. При фотоэффекте фотоны, попадая в металл, взаимодействуют с электронами. Это процесс неупругого взаимодействия, после которого фотон, отдав энергию электрону, перестает существовать. Если электрон, получив избыточную энергию, движется к поверхности, то он имеет шанс вылететь за пределы металла. Закон сохранения энергии для фотоэффекта, называемый уравнением Эйнштейна, имеет вид

. (2)

 

Энергия, полученная электроном от фотона, расходуется им на совершение работы выхода из металла А и на приобретение кинетической энергии.

Работа выхода электрона обусловлена преодолением двойного тормозящего электрического слоя, образованного свободными электронами над поверхностью металла, и взаимодействием с зарядившимся положительно металлом. Не все электроны вылетают с максимальной скоростью, согласно уравнению (2). Некоторые теряют часть энергии, взаимодействуя с атомами внутри металла, и вылетают с меньшей скоростью.

Уравнение Эйнштейна объясняет закономерности фотоэффекта. Во-первых, сила фототока насыщения пропорциональна световому потоку, так как пропорционально растет число фотонов. Во-вторых, максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов, согласно уравнению Эйнштейна, зависит только от частоты по линейному закону. В-третьих, с уменьшением частоты света, при некоторой так называемой граничной частоте, даже самому быстрому электрону хватает энергии только на то, чтобы выйти за пределы металла. Если частота будет меньше граничной, то энергия электрона будет недостаточна для совершения работы выхода и фотоэффекта не будет:

 

hnгр = А. (3)

 

Лабораторное изучение явления внешнего фотоэффекта производится с вакуумным фотоэлементом СЦВ (рис. 3). Катод из сурьмяно-цезиевого сплава напылен на часть стенки стеклянного баллона. Анодом является кольцо в центре баллона. Фотоэлемент освещается светом лампы накаливания, проходящим через один из светофильтров. Фотоэлемент подключен к электронному блоку, в котором собрана электрическая цепь с индикаторами силы фототока и напряжения. Полярность устанавливается тумблером «ускоряющее − запирающее» (+ −). Напряжение регулируется ручками «грубо − точно»

 
 

на передней панели электронного блока.

 

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

 

Выполняются оба задания.

 

Задание 1. Изучение вольтамперной характеристики вакуумного фотоэлемента (зависимости силы фототока от напряжения).

1. Включить электронный блок в сеть 220 В. Установить средний ток накала лампы. Поставить на пути пучка света один из светофильтров (кроме красного). Убедиться, что свет попадает на фотоэлемент. Тумблером «ускоряющее» включить напряжение, установить наибольшее напряжение на фотоэлементе, контролируя его по вольтметру. Убедиться в наличии тока через фотоэлемент по индикатору микроамперметра.

2. Измерить ускоряющее напряжение и соответствующие значения силы фототока. Опыт провести не менее шести раз, уменьшая напряжение до нуля через примерно равные интервалы. Результаты измерений записать в табл. 1.

 

Ускоряющее напряжение Таблица 1

Напряжение U, В                  
Фототок J, мкА                  

 

3. Установить переключатель напряжения в положение «запирающее». Увеличивая напряжение в интервале от нуля до некоторого запирающего напряжения, при котором сила фототока обращается в нуль, измерить силу обратного фототока. Опыт провести не менее трех раз. Результаты измерений записать в табл. 2. Обратить внимание на то, что при отсутствии напряжения (U = 0) сила фототока одинакова в обоих режимах.

Запирающее напряжение Таблица 2

Напряжение U        
Фототок J, мкА        

Выключить электронный блок.

4. Построить единый график вольтамперной характеристики фотоэлемента по результатам обеих режимов измерения. Размер графика не менее половины страницы. На оси координат нанести равномерный масштаб. Для обратных напряжений выбрать отрицательную ветвь оси напряжений, как на рис. 1. Экспериментальную линию провести около точек плавно, так, чтобы отклонения точек от линии были минимальны.

5. Оценить количество электронов, выбиваемых светом за одну секунду при наибольшей силе прямого фототока: n = Imax / e, где заряд электрона е = 1,6 ∙10 -19 Кл.

6. Определить по графику запирающее напряжение, при котором сила фототока достигает нуля. Оценить максимальную скорость фотоэлектронов по формуле (1). Масса электрона m = 9,1 10 –31 кг.

Сделать выводы.

Задание 2. Изучение спектральной характеристики фотоэлемента (зависимости силы фототока насыщения от частоты света).

1. Включить электронный блок в сеть 220 В. Включить режим ускоряющего напряжения. Включить лампу осветителя на средний накал.

2. Установить поворотом обоймы на пути пучка света синий светофильтр. Измерить силу фототока. Записать в табл. 3 частоту излучения, проходящего через светофильтр, и силу фототока.

Таблица 3

Цвет светофильтра            
Частота ν, 1014 Гц            
Сила фототока Jф, мкА            

 

Повторить измерения со всеми светофильтрами. Результаты измерений записать в табл. 3.

Выключить установку.

3. Построить график зависимости фототока от частоты света для разных светофильтров. Размер графика не менее половины страницы. На осях координат указать равномерный масштаб. Провести около точек плавную линию. Экстраполировать линию в диапазоне малых частот волн (красный светофильтр) до пересечения с осью частот. Принять точку пересечения за красную границу фотоэффекта νкр.

4. Определить работу выхода электрона из цезиевого катода по частоте красной границы , где h = 6,62 10-34 Дж∙с. Перевести величину работы выхода из джоулей в электронвольты по соотношению: 1 эВ = 1,6 10-19 Дж. Сравнить с табличным значением для цезия: А =1,9 эВ.

Сделать выводы.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. Дайте определение явления внешнего фотоэффекта.

2. Изобразите вольтамперную характеристику вакуумного фотоэлемента. Объясните причины такой зависимости фототока от напряжения.

3. Сформулируйте законы фотоэффекта, установленные Столетовым. Почему они противоречат волновой теории света?

4. Запишите уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Объясните существование работы выхода электрона из металла. Каким образом можно определить работу выхода?

5. Объясните с точки зрения квантовой теории явление фотоэффекта; законы Столетова.

6. Запишите формулу для определения количества фотоэлектронов, испускаемых катодом за одну секунду, и формулу максимальной скорости фотоэлектронов.

 


Работа 36




Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском:

vikidalka.ru - 2015-2018 год. Все права принадлежат их авторам! Нарушение авторских прав | Нарушение персональных данных