Влияние контактной разности потенциалов

 

Задерживающая разность потенциалов позволяет задержать фотоэлектроны, вылетающие из катода с максимальной кинетической энергией , что и приводит к прекращению фототока. Если бы катод и анод фотоэлемента были изготовлены из одного и того же металла, то контактная разность потенциалов отсутствовала бы, и определение задерживающей разности потенциалов сводилось бы просто к измерению внешнего задерживающего напряжения, т. е. показаниям вольтметра  (рис. 98).

Действительно, при  все фотоэлектроны вне зависимости от начальной скорости достигали бы анода, и мы уже имели бы ток насыщения.

Рис. 97.                                         Рис. 98.

 

Определение задерживающей разности потенциалов усложняется, если катод и анод изготовлены из разных металлов (что обычно и бывает). В этом случае начинает играть заметную роль контактная разность потенциалов. Если она есть и, например, такова, что тормозит вылетающие из катода фотоэлектроны, то приходится прикладывать внешнее напряжение  (измеряемое вольтметром). И если это напряжение таково, что компенсирует тормозящую контактную разность потенциалов, то начало горизонтального участка (тока насыщения) — точка 2 на рис. 100 – сдвинется вправо, в сторону положительных значений показания вольтметра .

Таким образом, задерживающая разность потенциалов  будет равна (по модулю) сумме

                              (4)

как показано на рис. 100, где . Заметим, что, вообще говоря,  есть величина алгебраическая, она может иметь любой знак или равняться нулю.

Если контактная разность потенциалов не тормозит, а ускоряет фотоэлектроны, т.е. имеет противоположный знак, то характеристика фотоэлемента вместе с точкой 2 сместится влево. При этом выражение (4), для  остается прежним, только в нём оба показания вольтметра  и  могут оказаться отрицательными, но их разность по-прежнему будет положительной и равной .

Итак, определив , мы тем самым находим максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов –  в формуле Эйнштейна:

Отметим, что положение точки 2 на рис. 98, т. е. показание вольтметра , зависит только от контактной разности потенциалов, положение же точки 1, т. е. показание  вольтметра – от частоты  падающего света. Значит, и задерживающая разность потенциалов  тоже зависит от .

 

Рис. 99. Принципиальная схема экспериментальной установки: зеркальный монохроматор SPM-2; фотоэлемент СЦ-3; фотоэлемент ЦЗ-3, 2 универсальных блока питания, источник света; наноамперметр (вольтметр В7-27)

 

Световой поток от источника поступает на входную щель монохроматора, который выделяет из него световой поток с узким спектральным интервалом. Полученное таким образом излучение падает на катод фотоэлемента, который соединён с измерительной схемой, в которую входят измерители тока и напряжения, переключатель блоков питания и блок питания.

В качестве источника света в работе используется лампа накаливания. Поворачивая призму монохроматора путем вращения барабана, можно направлять на выходную щель излучение того или иного участка спектра источника света.

Принципиальная схема установки показана на рис. 100.

 

Рис.100. Принципиальная схема экспериментальной установки: 1 – источник света; 2 – конденсорная линза; 3 – зеркальный монохроматор SPM-2; 4 – фотоэлемент СЦ-3; 5 – измеритель тока; 6 – переключатель блоков питания; 7,8 – лабораторные блоки питания

 

Порядок выполнения работы

 

Задание №1. Регистрация вольтамперных характеристик фотоэлемента в режиме ускоряющего потенциала

Измерения вольтамперных характеристик фотоэлемента следует провести для трех различных участков спектра видимого излучения, используя или лампу накаливания, или ртутную лампу. В случае ртутной лампы обеспечивается сравнительно хорошая монохроматичность излучения (ширина линии  ≈ 10 Å), но дуговой разряд в этой лампе не стабилен во времени, что затрудняет проведение измерений. В случае лампы накаливания обеспечивается высокая стабильность интенсивности излучения, но для нее характерна большая ширина спектра излучения, поступающего на фотоэлемент. При использовании ртутной лампы в качестве реперных точек следует использовать спектральные линии со следующими длинами волн:

 

Цвет линии	, нм
ярко-красная	623,44
жёлтый дублет	579,06 576,96
ярко-зелёная	546,07
тёмно-зелёная	491,60
ярко-синяя	435,83
ярко фиолетовая	404,66

1. Перед началом работы ознакомиться с описанием наноамперметра, используемого в работе, и инструкцией по его эксплуатации.

2. Установите переключатель блоков питания в разомкнутое положение.

3. Включите блоки питания и измерительные приборы тумблерами «Сеть» для не менее чем трёх минутного прогрева.

4. Проверьте установку режимов работы наноамперметра.

Должно быть установлено:

Режим работы – измерение постоянного тока

Диапазон измерения – 10000 нА

5. После не менее чем трёхминутного прогрева наноамперметр проверьте установку его нуля при нулевом напряжении на фотоэлементе и закрытой задвижке фотокатода фотоэлемента. Для этого:

а) выключить блоки питания.

б) закрыть фотокатод фотоэлемента;

6. Включить лампу накаливания. Внимание! Первое включение лампы накаливания выполняет лаборант или преподаватель! Самостоятельное включение категорически запрещено!

Перед включением лампы накаливания включите вентилятор охлаждения лампы.

Внимание! Выключение лампы накаливания производится в обратном порядке. Выключить вентилятор можно только после пятиминутного охлаждения лампы накаливания.

7. Включите тумблер «Сеть» на панели монохроматора SPM-2. Вращая рифлёную ручку 27 (описание монохроматора SPM-2 в Приложении 5) установите по шкале монохроматора длину волны, соответствующую зеленой части спектра  = 540÷490 нм.

8. Подключите лабораторный источник питания. Перевести тумблер в положение ускоряющего напряжения.

9. На дисплее установите максимальное ускоряющее напряжение (примерно 20÷25,5 В) и подберите интенсивность светового потока изменением ширины входной и выходной щелей монохроматора SPM-2 так, чтобы лабораторный блок питания показывал не более 10000 нА. Эта операция исключает возможность «зашкаливания» комбинированного прибора лабораторного блока.

10. На цифровой панели лабораторного блока установите минимальное напряжение 1В и внимательно снимите усреднённое показание наноамперметра.

11. Затем сделайте отсчёты значений тока, увеличивая ускоряющее напряжение через 1 В до 9 В и далее при 10, 15, 20, 25 вольтах. Данные занести в таблицу 1. Такие же измерения проведите для желтой части спектра (  = 570÷480 нм.) и фиолетовой (  = 400 ÷ 450 нм), либо синей (  = 430÷440 нм).

Конкретные значения длин волн задаются преподавателем. По результатам измерений постройте графики зависимости тока от напряжения для трех длин волн (три кривые на одном графике).

 

Таблица 1

 

	, В	1	2	3	…...	9	10	15	20	……	40
, мкм.	, нА
, мкм.	, нА
, мкм.	, нА

 

12. Экстраполируя прямолинейный участок вольтамперных характеристик, определите напряжение  (рис. 100) для используемых длин волн.

13. Определите напряжение , при котором достигается насыщение фототока (начало прямолинейного участка кривой параллельного оси напряжения).

14. Определите запирающее напряжение по формуле . Данные занесите в таблицу 2.

15. Рассчитайте постоянную Планка. Постоянная Планка определяется по результатам двух измерений запирающего напряжения

 

Задание №2. Определение работы выхода катода и красной границы фотоэффекта методом запирающего потенциала. Оценка постоянной Планка

Определение работы выхода катода и красной границы фотоэффекта выполняется по графической зависимости запирающего напряжения от частоты света. Для построения графика зависимости величины запирающего потенциала от частоты  (или длины волны) необходимо:

1. Выполнить последовательно пункты 1÷7 по заданию № 1

2. Перевести тумблер в положение запирающего напряжения.

3. Открыть задвижку фотоэлемента и, вращая рифлёную ручку 28 монохроматора SPM-2, установить длину волны излучения в ультрафиолетовой части спектра (0,400÷0,450 мкм). При этом наноамперметр должен показывать ток в интервале 20÷60 нА

4. Увеличивая задерживающий потенциал  на аноде фотоэлемента набором напряжения на цифровой панели лабораторного блока, начиная с минимального значения 0,1В, с шагом 0,1 В, добиться нулевого значения тока.

5. Зафиксируйте величину запирающего напряжения , и занесите его значение в таблицу. Измерения выполните не менее трёх раз для установленной длины волны. Определите среднее значение запирающего потенциала для данной длины волны.

6. Выполните измерение запирающего напряжения для не менее чем пяти значений длин волн; в синей, зелёной, жёлтой, оранжевой и красной областях спектра. Результаты занесите в таблицу.

7. Постройте график зависимости – запирающего напряжения от частоты света.

Таблица 2

	, мкм.	, В.			, с^-1
1			, В.
		1
		2
		3
2			, В.
		1
		2
		3
3			, В.
		1
		2
		3
4			, В.
		1
		2
		3
5			, В.
		1
		2
		3

 

8. Экстраполируя график , определите работу выхода  и граничную частоту . С целью проверки надежности полученных результатов определите постоянную Планка . и сравните её с табличным значением.

9. Оцените погрешности измерений работы выхода , граничной частоты , и постоянной Планка .

 

Задание №3. Прямое определение красной границы фотоэффекта

Вращая рифлёную ручку 28 монохроматора SPM-2, просканируйте весь спектр длин волн лампы накаливания, начиная с фиолетовой области. Регистрируя ток фотоэлемента, определите красную границу фотоэффекта, т. е. длину волны, начиная с которой фототок резко падает и принимает значения, близкие к нулю.

1. Перед началом измерений выполните пункты п. 1÷8 задания № 1. При выключенных блоках питания.

2. Плавно вращая рифлёную ручку 28 монохроматора SPM-2, начиная с ультрафиолетовой части спектра ( = 0,400÷0,420 мкм) до инфракрасной области ( = 0,700÷0,800мкм), зафиксируйте не менее десяти значений длины волны и соответствующие им значения фототока. Данные занесите в таблицу № 3.

 

Таблица 3

 

, мкм.
, нА.

 

3. Постройте график зависимости .

4. По графику  определите значение красной границы фотоэффекта. Полученную в этих опытах граничную частоту сравните с частотой, определённой ранее.

 

Контрольные вопросы

 

1. В чем принципиальное отличие внешнего фотоэлектрического эффекта от других механизмов освобождения электронов из твердых тел под действием электромагнитного излучения (образование электрон-позитронной пары, эффект Комптона)?

2. Что такое кванты света, и каковы их основные характеристики?

3. Как устроен вакуумный фотоэлемент? Принципы работы фотоэлемента.

4. В чём заключается явление внешнего фотоэффекта? Сформулируйте основные законы фотоэффекта.

5 Чем определяется числовое значение граничной частоты или красной границы фотоэффекта?

6. Вольт-амперная характеристика вакуумного фотоэлемента; при каких условиях сила фототока достигает насыщения?

7. Что такое задерживающее напряжение? Как определяют U _з экспериментально?

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 21.

ПРОВЕРКА ЗАКОНА СТОЛЕТОВА

Цель работы: Изучение внешнего фотоэффекта, проверка закона Столетова.

Оборудование: оптическая скамья, вакуумный фотоэлемент ЦЗ-3, источник света; блоки питания постоянного тока, измеритель тока.

 

Методика измерений

Рис.101. Лабораторная установка

 

Принципиальная схема установки приведена на рис. 102.

 

Рис. 102. Принципиальная схема экспериментальной установки: 1 – источник света; 2 – конденсорная линза; 3 – сменная аппертурная диафрагма; 4 - фотоэлемент СЦ-3; 5 – измеритель тока – прибор комбинированный; 6 и 7– блоки питания с измерителями напряжения.

 

Световой поток от источника 1 с помощью конденсора 2 формируется в параллельный световой пучок диаметром примерно равным или большим диаметра катода фотоэлемента. Сменная аппертурная диафрагма вырезает из него пучки диаметром 3 мм, 6,2 мм и 10 мм, которые попадают на катод фотоэлемента. Фотоэлемент соединён с измерительной схемой, в которую входят измерители тока 5 и блоки питания 6 и 7 с измерителями напряжения.

В качестве источника света в работе используется в зависимости от задачи либо лампа накаливания, либо газоразрядная ртутная лампа.

 

Порядок выполнения работы

 

Перед началом работы ознакомьтесь с описаниями используемых приборов и инструкцией по их эксплуатации

 

Задание №1. Измерение вольтамперных характеристик фотоэлемента в режиме ускоряющего потенциала

1. Установите регуляторы напряжения на обоих блоках питания в нулевое положение поворотом рукояток (voltage, coarse) до отказа влево.

2. Проверьте установку режимов работы комбинированного прибора.

Должно быть установлено:

Режим работы – измерение постоянного тока.

Предел измерения – 2 мА.

3. Включить блоки питания и измерительные приборы к сети и включить тумблер питания лампы.

4. Измерьте вольтамперные зависимости  для трёх положений аппертурной диафрагмы диаметром 3 мм; 6,2 мм и 10 мм в интервале напряжений от нуля до 100 В. Напряжение, подаваемое на анод фотоэлемента, равно сумме генерируемых напряжений первым и вторым источником питания . Данные занесите в таблицу.

 

Таблица 1

 

, мм.   3	В	0	10	20	30	….	….	80	90	100
	, мА
, мм.   6,2	, В
	, мА
, мм.   10	, В
	, мА

 

5. По данным таблицы построите вольтамперные зависимости .

6. По графикам определите токи насыщения , рассчитайте отношения токов насыщении  и  и сравните их с отношениями площадей отверстий диафрагм  и . Сделайте выводы.

 

Задание №2

1. Из формулы  оцените квантовый выход фотоэлектронов  в этом эксперименте в режиме насыщения. При расчетах полагать, что мощность лампы накаливания 500 Вт, на излучение в оптическом диапазоне идёт 0,3% мощности. Средняя длина волны света  = 0,6 мкм

 

Контрольные вопросы

 

1. В чем принципиальное отличие внешнего фотоэлектрического эффекта от других механизмов освобождения электронов из твердых тел под действием электромагнитного излучения (образование электрон-позитронной пары, эффект Комптона)?

2. Что такое кванты света, и каковы их основные характеристики?

3. В чём заключается явление внешнего фотоэффекта? Сформулируйте основные законы фотоэффекта.

4 Чем определяется числовое значение граничной частоты или красной границы фотоэффекта?

5. Чем объясняется то, что спад силы фототока с возрастанием тормозящего поля не наблюдается резким?

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 22.

МОДЕЛИРОВАНИЕ СПЕКТРА АТОМА ВОДОРОДА

Цель работы: Изучение спектра атома водорода, расчёт постоянной Ридберга.

Оборудование и приборы: компьютер, программа «Спектр Бор».

 

Методика эксперимента

Работа выполняется на компьютере с использование программы «Спектр Бор» (Рис.103.), которая моделирует движение электрона в атоме водорода. Теоретической основой этой программы является полуклассическая теория атома водорода Бора.

Рис.103. Вид программы «Спектр Бор»

Порядок выполнения работы

Задание 1

 

1. Запустите программу «Спектр Бора». Включите кнопки «Ручной режим» и «Закреплять линии».

2. Сдвигая кнопку «Энергию возбуждения» переведите электрон атома на восьмую разрешённую орбиту.

3. Нажмите на кнопку 2 «Уровни энергии» и зафиксируйте появление линии излучения в спектре при этом переходе 8→2.

4. Занесите в таблицу номера уровней перехода, название серии и длину волны фотона излучённого при этом переходе.

5. Далее последовательно переводя электрон на седьмую, шестую, пятую и т.д. орбиты зафиксируйте номера уровней энергии, длины волн и их цвет при переходе электрона с этих уровней на вторую разрешённую орбиту. Все данные занесите в таблицу 1.

 

Таблица 1

 

Название серии:
Номера переходов	Длина волны , нм	Цвет линии
8→2
7→2
6→2
5→2
4→2
3→2

 

6. По формуле

рассчитайте постоянную Ридберга для каждой длины волны излучения, найдите среднее значение, рассчитайте погрешность и сравните полученное значение с табличным значением.

 

Задание №2

 

1. Использую формулу

(n=1, 2, 3,…)

для радиуса разрешённых орбит рассчитайте радиусы первой и, например, восьмой орбиты (по указанию преподавателя).

2. Рассчитайте скорость движения электрона на этих орбитах.

 

Контрольные вопросы

 

1. Постулаты Бора, схема уровней энергии атома. Переходы с излучением и поглощением.

2. Модель атома по Бору. Постулаты Бора.

3. Механизм излучения и поглощения фотонов атомами.

4. Что такое энергетический спектр атомов?

5. Нарисуйте атом водорода по представлениям Бора.

6. Что такое спектральная серия? Какие бывают спектральные серии? Как называется серия видимой области?

7. Сериальная формула.

8. В чем недостатки теории Бора?

9. В чем заключалось противоречие классической физики с экспериментальными фактами до создания теории Бора?

10. Почему теория называется полуклассической? Какие задачи она не решает?

11. Запишите формулу квантования радиуса орбиты энергии по Бору.

 

Список литературы