Министерство образования и науки РФ Федеральное агентство по образованию

Российский государственный университет нефти и газа

им. И.М. Губкина

Кафедра физики http://physics.gubkin.ru

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 300 ИЗУЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ

ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

Москва

Лабораторная работа № 300

ИЗУЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА

1).Цель и содержание работы Целью работы является ознакомление с явлением внешнего фотоэффекта. Содержание

работы состоит в получении вольт-амперной и световой характеристик фотоэлемента и определение его чувствительности.

2). Краткая теория работы

1. См.ч.1, гл.2. 2. Вывод расчетной формулы для чувствительности фотоэлемента. Чувствительность фотоэлемента (см. 4.I-I9) определяется по формуле :

Фi Н=γ (1)

При использовании установки, изображенной на рис. I, фотоэлемент освещается точечным источником, сила света которого I, и находится он на расстоянии r от фотоэлемента. Освещенность, которую он создает на поверхности фотоэлемента (ее площадь S достаточно мала), равна:

2rIE =

Зная освещенность, можно найти световой поток, падающий на площадку:

Sr

IESФ 2== (2)

Объединив формулы (1) и (2), получим:

Sr

Ii Н

2

=γ (3)

В этой работе iH и r определяются из опыта, а I и S даются как постоянные величины.

3) .Приборы и принадлежности для выполнения работы

В работе используется вакуумный сурьмяно-цезиевый фотоэлемент СЦВ-4. Фотоэлемент представляет собой стеклянный баллон, из которого откачан воздух до давления примерно 1 0 - 6 м м рт.ст. На половину внутренней поверхности баллона нанесен светочувствительный слой, в состав которого входит сурьма и цезий. Этот слой играет роль катода, с поверхности которого вырываются под действием света фотоэлектроны. Анод выполнен в виде металлической полусферы, помещенной в центре баллона.

Фотоэлемент освещается лампой с нитью накала в виде короткой спирали небольших размеров. Такой источник света с достаточной степенью точности можно считать точечным. Лампа питается от сети через понижающий трансформатор.

Общий вид установки показан на рис. 1. Фотоэлемент помещен в светонепроницаемый кожух 1 с отверстием, через которое свет поступает на фотоэлемент. Отверстие закрывается крышкой 2.

Внимание! Крышка, закрывающая фотоэлемент, должна открываться только на время проведения измерений, так как при длительном освещении фотоэлемента его чувствительность уменьшается, и фотоэлемент может выйти из строя.

Подсветка с фотоэлементом и осветитель 3 с лампой установлены на оптической скамье 4, на которой имеется миллиметровая шкала для отсчета расстояний от фотоэлемента до лампы. Напряжение, подаваемое на фотоэлемент, снимается с выходных клемм выпрямителя 5. Потенциометр для регулировки напряжения смонтирован внутри выпрямителя.

Рис.1.

4). Порядок выполнения работы

а). Получение вольт-амперной характеристики фотоэлемента. 1. Обратиться к лаборанту с просьбой включить лампу. 2. Открыть фотоэлемент. Подать на него напряжение 240 В. Установить фотоэлемент на

таком расстоянии от лампы, при котором сила тока будет равна 100 мкА. Измерить это расстояние. При отсчете расстояния r к величине x, отсчитанной по линейке от краев подставок, следует прибавить расстояние а от края подставки до нити лампы и расстояние b от края подставки до плоскости фотокатода, которые указаны на приборах (рис.1.).

3. Уменьшить напряжение на фотоэлементе до 10В и произвести отсчет фототока по шкале микроамперметра. Увеличить напряжение до 20 В и вновь измерить фототок. Увеличивая постепенно напряжение до 240 В,через каждые 20 В производить отсчеты фототока. Полученные денные занести в табл.1.

4. Уменьшить напряжение на фотоэлементе до нуля и закрыть фотоэлемент крышкой, выключить лампу.

б). Получение световой характеристики фотоэлемента. 1. Поставить фотоэлемент и лампу на противоположных концах скамьи. Подать на

фотоэлемент напряжение 240 В. Включить лампу. 2. Открыть крышку, закрывающую фотоэлемент. Медленно приближать фотоэлемент к

лампе до тех пор, пока стрелка микроамперметра не покажет 100 мкА. Измерить расстояние от фотоэлемента до лампы и данные занести в табл.2. Отодвинуть фотоэлемент от лампы на такое расстояние, чтобы сила тока уменьшилась до 90 мкА, измерить расстояние. Отодвигая каждый раз фотоэлемент так, чтобы сила тока уменьшалась на 10 мкА, измерять расстояние. Получить таким образом 10 значений тока и, соответственно, расстояний. Данные занести в табл.2.

3. Закрыть фотоэлемент, выключить лампу, уменьшить напряжение до 0. Обратиться к лаборанту с просьбой выключить выпрямитель.

5. Обработка результатов измерений.

1. Построить вольт-амперную характеристику фотоэлемента, пользуясь данными

табл.1. 2. Вычислить по формуле (2) световой поток, падающий на фотоэлемент при

различных его расстояниях от источника света. Сила света лампы и величина площади фотокатода указаны на приборах. Данные занести

в табл.2. По полученным данным достроить график зависимости фототока от светового потока.

3. Вычислить по формуле (3) чувствительность фотоэлемента при различных условиях освещенности, данные занести в табл.2.

Таблица.1. № п/п Напряжение на фотоэлементе

U,B Фототок I,мкА;

r = … см 1 10 2 20 … …

Таблица.2.

№ п/п

Расстояние от элемента до лампы

r = x+a+b

Фототок

iH, мкА;

U=240B

Световой поток

Ф, люмен

Чувствительность фотоэлемента

γ , мкА/лм

6). Контрольные вопросы. 1.В чем состоит явление внешнего фотоэффекта? Внутреннего фотоэффекта?

фотоэффекта в запирающем слое? 2.Нарисуйте графики зависимости фототока от напряжения для двух значении светового

потока Ф1 и Ф2 одной и той же частоты, причем Ф1 > Ф2 . 3.Нарисуйте графики зависимости фототока от напряжения при:

а) Ф=const, крconst λλ <=

б) Ф=const, крconst λλ >=

4.Напишите и объясните смысл уравнения Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

5.Что называется задерживающим потенциалом? Как он зависит от частоты света, освещающего фотоэлемент?

6. Что такое красная граница фотоэффекта? 7. Как объяснить то, что скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего

света? 8. Какие закономерности фотоэффекта не смогла объяснить волновая теория света? 9. Как, используя явление фотоэффекта, можно определить постоянную Планка? 10. Каково устройство вакуумного фотоэлемента? 11. При каких условиях в данной работе можно пользоваться

формулой 2/ rIE = ? 12*. Как можно вычислить максимальную скорость фотоэлектронов при внешнем

фотоэффекте, если известно, что фототок прекращается при напряжении U ? 13.Красная граница фотоэффекта для некоторого металла равна 600 нм. Чему равна

работа выхода для этого металла? Выразите работу выхода, в эВ. 1эВ=1,6*10-19Дж, h =6,63*10-34Дж*с.

14.Как объясняется линейная зависимость фототока насыщения от светового потока для вакуумных фотоэлементов?

15.15. Красная граница фотоэффекта для некоторого металла равна I,2*I015 Гц. При какой длине волны света, освещающего металл, максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов будет равна 1,3 эВ? 1эВ=1,6*10-19Дж, h =6,63*10-34Дж*с.

16.16. На незаряженную металлическую пластинку направили пучок рентгеновских лучей. Когда пластинка зарядилась до потенциала 124 В, испускание электронов из нее прекратилось. Определить длину волны рентгеновских лучей. Работой выхода электрона из металла можно пренебречь е =1,6*10-19Кл, h =6,63*10-34Дж*с.

17.Нарисуйте график зависимости задерживающего потенциала от частоты падающего света при внешнем фотоэффекте и поясните, как с его помощью можно определить постоянную Планка, работу выхода электрона из вещества и красную границу фотоэффекта.

18.Красная граница фотоэффекта для платины равна 198 нм. Если платину прокалить при высокой температуре, то красная граница становится равной 220 нм. Насколько прокаливание уменьшает работу выхода (в эВ) электрона? 1эВ=1,6*10-19Дж, h =6,63*10-34Дж*с.

19.Найти частоту света, вырывающего с поверхности металла электроны, полностью задерживаются обратным потенциалом в 3 В. Фотоэффект у этого металла начинается при частоте падающего света 6*1014Гц. 1эВ=1,6*10-19Дж, h =6,63*10-34Дж*с.

20. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов оказалась в 2 раза больше работы выхода их из некоторого металла. Светом какой частоты освещался металл, если задерживающая разность потенциалов составила 2 В? 1эВ=1,6*10-19Дж, h =6,63*10-34Дж*с.

21. Красная граница фотоэффекта для рубидия равна 810 нм. Какую обратную разность потенциалов нужно приложить к фотоэлементу, чтобы задержать электроны, испускаемые рубидием под действием УФ лучей с длиной волны 100 нм? 1эВ=1,6*10-19Дж, h =6,63*10-34Дж*с.

22.Фотоэлектроны, вырываемые с поверхности некоторого металла светом с частотой 2,2*1015Гц, полностью задерживаются потенциалом 6,6 В, а вырываемые светом с частотой 4,6*1015 Гц - потенциалом 16,5 В. Найти по этим данным постоянную Планка (этот метод измерения постоянной Планка был предложен академиком Д. И Лукирским). 1эВ=1,6*10-19Дж,

h =6,63*10-34Дж*с. 23. На уединенный медный шарик падает монохроматический свет о длиной волны 0,165

мкм. До какого максимального потенциала может зарядиться шарик? Работа выхода электрона из меди 4,5 эВ. 1эВ=1,6*10-19Дж, h =6,63*10-34Дж*с.

24. Задерживающий потенциал при освещении металла светом с длиной волны 1λ оказался в 2 раза больше, чем при освещении светом с длиной волны 2λ . Как по этим данным можно найти работу выхода электрона из данного металла? Какие константы должны быть при этом известны?

25. Фотоэлемент освежается светом с длиной волны λ. Работа выхода электрона из катода равна А. Найти, какой импульс будет иметь электрон, вылетающий из катода. Электрон считать нерелятивистским.