Обработка полученных результатов

 

1. По данным таблицы №1 (№2) постройте графики , соответствующие вольтамперной характеристике лампы.

2. Наиболее хорошим режимом работы лампы (I_н, U_у), является вольтамперная характеристика, показанная на рис. 4.

Рис. 4. Вольт-амперная характеристика.

3. Первый («резонансный») потенциал возбуждения атомов газа, заполняющего лампу, определяется как разность ускоряющих напряжений U₂ и U₁, соответствующих второму и первому спаду анодного тока. Потенциал наиболее быстрого падения тока определяется по среднему току, значение которого находится посередине, между токами максимума и минимума:

Тогда .

4. Определите значение резонансного потенциала для второй лампы аналогичным методом.

5. Данные занести в таблицу 3.

Таблица 3

№ лампы	Iн, А	Uз, В	Imax1, мкА	Imin1, мкА	I1, мкА	U1, В	Imax2, мкА	Imin2, мкА	I2, мкА	U2, В	, В
Л1, He
Л2, Ne

 

6. Оценить погрешность измерений и сравнить , полученную в задании 1 и 2, с заданием 3.

7. Сравнить полученные данные резонансного потенциала с табличными: гелий В, неон  В.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ ДОПУСКА К РАБОТЕ

 

1. Как устроен модуль работы? Какие приборы применяются в работе?

2. Какова цель данной работы? Какой метод используется в данной работе?

3. Какие данные вводятся и являются постоянными?

4. Какие измерения необходимо проверить в данной работе?

5. Как наблюдать вольт-амперную характеристику на экране осциллографа?

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ СДАЧИ РАБОТЫ

 

1. Какова роль сетки в трехэлектронной лампе?

2. В чем заключается метод Франка и Герца?

3. Нарисовать и дать объяснение полученным вольтамперным характеристикам.

4. Что такое резонансный потенциал атома He и Ne?

5. Сформулируйте постулаты Бора. Почему опыты Франка-Герца подтвердили постулаты Бора?

6. Каковы выводы из результатов опытов Франка-Герца?

7. Какие виды соударений испытывают электроны в лампе?

8. Чему равен первый резонансный потенциал для ртути?

9. В каком случае сила тока в лампе резко падает?

10. Что называется ионизацией и рекомбинацией?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3-15

ИЗУЧЕНИЕ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА

  Цель работы: ознакомиться с явлением внешнего фотоэффекта, снять вольтамперные характеристики, определить постоянную Планка, найти работу выхода электронов из металла и красную границу фотоэффекта.

ВВЕДЕНИЕ

 

  Внешним фотоэффектом (далее – фотоэффектом) называется явление испускания электронов веществом под действием света. Схема установки для наблюдения и исследования фотоэффекта показана на рис.1.

  Здесь: Б - вакуумный баллон, А - амперметр, V -вольтметр,

             К - катод, А - анод, П - потенциометр, e - источник ЭДС.

 

 

                                                              

                                                                          

                                                                          

                                                                                    

                                                                                    

                                                                                             

 

 

                                           

Рис. 1. Схема установки для наблюдения и исследования

фотоэффекта

 

Вольтамперная характеристика показана на рис. 2, где U – разность потенциалов между электродами (катодом и анодом), I_ф – величина фототока. Горизонтальный участок кривой показывает, что при некотором напряжении фототок достигает насыщения, т.е. все электроны, вырванные из фотокатода, достигают анода. При U = 0 ток I_ф отличен от нуля, т.е. электроны достигают анода и в отсутствие ускоряющего поля. Это говорит о том, что электроны покидают катод с некоторой конечной скоростью.     

Если создать между катодом и анодом тормозящее поле, то фототок I_ф уменьшится. При некотором значении тормозящей разности потенциалов U_з(задерживающая разность потенциалов) ток становится равным нулю. Это означает, что все фотоэлектроны, включая самые быстрые, полностью тормозятся полем.

Измерив величину задерживающей (тормозящей) разности потенциалов U_з, можно найти максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов:

                                              Е_{к max} = eU_з,                                                                (1)

здесь e –зарядэлектрона.

    Экспериментально Столетовым были установлены следующие законы фотоэффекта:

- фототок насыщения (количество вырванных электронов) пропорционален потоку световой энергии, падающему на катод;

- максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов для данного металла катода зависит только от частоты света, вызывающего фотоэффект, и не зависит от его интенсивности;

- для каждого металла существует красная граница фотоэффекта, т.е. такая частота (длина) волны падающего света, при которой фотоэффект еще существует.

Для большинства металлов красная граница фотоэффекта лежит в ультрафиолетовой части спектра.

 

                                             

 

 

Рис. 2. Вольт-амперная характеристика.

     

  Законы фотоэффекта можно объяснить только на основе квантовой теории, согласно которой свет излучается и поглощается не непрерывно, как это следует из электромагнитной теории, а отдельными порциями – квантами. Энергия кванта e пропорциональна частоте света n:

                                                e = hn,                                                (2)

здесь h = 6,62×10^-34 Дж×с – коэффициент пропорциональности, он называется постоянной Планка.  

При падении света на поверхность металла энергия кванта передается электрону полностью. Очевидно, электрон может покинуть поверхность металла только в том случае, если энергия кванта равна или больше работы выхода А, т.е. работы, необходимой для вырывания электрона из металла. Этим объясняется наличие красной границы фотоэффекта. Частота n₀, соответствующая красной границе, определяется из соотношения:

                                         А = hn₀,                                        (3)

здесь А – работа выхода.

 

Если энергия кванта больше работы выхода, то часть этой энергии затрачивается на совершение работы выхода, а оставшаяся часть – на сообщение кинетической энергии электрону:

                                         hn = А + Е_{к max.}                                                                 (4)

Соотношение (4) называется уравнением Эйнштейна для фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна можно применять для экспериментального определения постоянной Планка и работы выхода электрона из металла.

Подставляя (1) в (4), получим:

                                     hn = А + eU_з.                                                                          (5)

 

Преобразуя формулу (5), найдем зависимость задерживающей разности потенциалов от частоты вызывающего фотоэффект света U_з (n):

                                            .                                      (6)

График зависимости U_з(n)представляет собой прямую линию. Тангенс угла наклона этой прямой к оси nпозволяет определить постоянную Планка, а отрезок, отсекаемый прямой на оси U _з –работу выхода, Из графика можно определить и красную границу фотоэффекта.