Изучение явления внешнего фотоэффекта

 

Цель работы: изучить зависимость фототока от освещенности фо-токатода, а также от напряжения между фотокатодом и анодом.

 

Приборы и принадлежности:сурьмяно-цезиевый фотоэлемент,мик-роамперметр, вольтметр, реостат, сетевой выпрямитель-стабилизатор напряжения, лампа накаливания с блоком питания.

 

Описание установки и методики эксперимента

 

Для изучения внешнего фотоэффекта используется вакуумный сурьмяно-цезиевый фотоэлемент с центральным анодом. Фотоэлемент представляет собой откачанный стеклянный сферический баллон. Поло-вина внутренней поверхности баллона покрыта слоями сурьмы и цезия. В этом случае образуется соединение CsSb, которое является материалом

 

 

фотокатода. Металлический анод помещен в центральной части фото-элемента.

 

Схема включения вакуумного фотоелемента Ф показана на рис. 13.1. Фотоэлемент, защищенный от попадания дневного света, уста-новлен на оптической скамье. На фотоэлемент подается постоянное напряжение от сетевого выпрямителя-стабилизатора таким образом, что-бы отрицательный потенциал был на фотокатоде К, а положительный – на аноде А. Реостат R позволяет регулировать данное напряжение. За фотоэлементом на оптической скамье расположена осветительная лампа накаливания EL, соединенная с блоком питания. Свет от лампы EL направляется на фотоэлемент Ф, а вольтметр V и микроамперметр A позволяют измерять напряжение и фототок в цепи Ф.

 

Рис. 13.1

 

Экспериментальное исследование зависимости фототока от осве-щенности фотокатода состоит в том, что при фиксированном напряжении на фотоэлементе удаляют лампу EL от Ф. Полагая, что осветительная лампа накаливания является точечным источником света, освещенность фотокатода в люксах (лк) можно определить по выражению

E	I C	,	(13.1)
r ^2

где I _C – сила света точечного источника, в данной работе принимается

равной 10 к д (кандел); r – расстояние от лампы до фотоэлемента. Изме-ряя для различных расстояний r фототок I, получают зависимость

 

I f r.

 

Зависимости фототока от напряжения I f U между фотокато-

 

дом К и анодом А (т.е. ВАХ – вольт-амперные характеристики) получают для различных расстояний r. При этом для каждого r между Ф и лампой накаливания EL с помощью реостата R варьируется напряжение на фото-элементе и измеряется фототок I.

 

Порядок выполнения работы

 

1. Ознакомиться с электрической схемой установки (см. рис. 13.1).

 

2. Установить осветительную лампу EL на одной высоте с фотоэле-ментом Ф на расстоянии от него r = 15 … 20 см и подать на фотоэлемент напряжение U = 150 В.

 

3. Включить питание осветительной лампы накаливания EL.

4. Измерить зависимость фототока I от расстояния r, удаляя каж-дый раз лампу EL на 3…4 см от фотоэлемента до тех пор, пока значение фототока не перестанет заметно изменяться.

 

5. Рассчитать освещенность фотокатода E для каждого r.

6. Построить график I f E.

 

7. Разместить осветительную лампу накаливания на расстоянии 20 см от фотоэлемента и измерить зависимость фототока I от приложен-ного к фотоэлементу напряжения U. Измерения проводить с интервалом 10 В, увеличивая напряжение от 0 до 150 В.

 

8. Повторить измерения (п.7) для расстояний r, равных 25 см и

 

30 см.

9. Построить вольт-амперные характеристики вакуумного фотоэле-

 

мента I f U для различных освещенностей на одной координатной плоскости.

 

10. Оценить порядок силы тока насыщения.

11. Оценить погрешность полученных результатов.

 

12. Сделать выводы.

 

 

Контрольные вопросы

 

Вариант 1

 

1. В чем состоит явление внешнего фотоэффекта?

 

2. Сформулируйте основные закономерности внешнего фотоэффек-

 

та.

3. Почему кинетическая энергия фотоэлектронов зависит от частоты падающего света?

 

4. Где применяется явление внешнего фотоэффекта в технике?

 

Вариант 2

 

1. Напишите и объясните формулу Эйнштейна для внешнего фотоэф-

 

фекта.

2. Что такое задерживающий потенциал?

3. Объясните графики зависимости фототока от напряжения. Чему равен фототок насыщения?

 

4. Объясните графики зависимости фототока от освещенности.

 

Лабораторная работа № 3-14 ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРА ВОДОРОДА

 

Цель работы: исследовать серию Бальмера излучения атомарноговодорода в видимой области спектра и определить постоянную Ридберга.

 

Приборы и принадлежности: монохроматор УМ-2,лампа накалива-ния, газоразрядная водородная трубка.

 

Теоретическое введение

 

При переходе электрона с одного энергетического уровня на другой по второму постулату Бора выделяется или поглощается квант энергии

 

me

Z

hv E j Ei

,

(14.1)

h

8 0

ni

nj

где hv – энергия излучения кванта;

Ej

–

энергия стационарного состоя-

 

ния на орбите, с которой уходит электрон; E_i – энергия стационарного состояния на орбите, на которую приходит электрон; m_e – масса электро-

 

на; e – заряд электрона; Z – порядковый номер химического элемента в периодической системе элементов Менделеева; ₀ – электрическая по-

 

стоянная; h – постоянная Планка; n_i, n_j = 1, 2, 3… – квантовые числа,

 

определяющие принадлежность электрона к той или иной орбите.

 

Если электрон переходит, например, со второй орбиты (n_j = 2) на первую (n_i = 1), то выделяется квант энергии. В обратном случае такой же

 

квант поглощается.

 

Из соотношения (14.1) можно определить частоту или длину вол-ны c / фотона, который поглощается или излучается:

 

me

Z

^vij

;

(14.2)

h

8 0

^ni

nj

me

Z

,

(14.3)

8 0

где

ij

h

c

ni

nj

me^4

R,

(14.4)

^2 h ^3 c

которая является постоянной Ридберга (м ¹).

 

Учитывая это, длины волн, которые излучаются водородоподобными ионами, определяются по формуле

= RZ^2		,	(14.5)
^λij
	^ni		^nj

из которой очевидно, что линии спектра можно объединить в серии.

 

Серия – это совокупность линий, которые описываются формулой n_i = const.Серия возникает при переходе электрона из лежащих выше

 

орбит, которые имеют квантовое число n_j (n_jn_i), на орбиту с данным квантовым числом n_i. Для водорода (Z = 1) основные серии таковы:

n_i =1 –серия Лаймана(ультрафиолетовая область спектра);

 

n_i =2 –серия Бальмера(видимая и ультрафиолетовая области

 

спектра);

 

n_i =3 –серия Пашена

ni	= 4 – серия Брэкета	(инфракрасная область спектра).

n_i =5 –серия Пфунда n_i =6 –серия Хемфри

 

При неограниченном увеличении n_j длины волн всех серий сходятся к соответствующим пределам. Предельные длины волн серий при n_j

 

определяются соотношением

λ	=	n		.	(14.6)
i
RZ^2
пред

Линии, которые возникают при переходе электрона с энергетическо-го уровня n_jn_i1 на уровень n_i, называются главными линиями спек-

 

тральной серии.

 

Видимая часть линейчатого спектра атомарного водорода для серии Бальмера состоит из четырех линий:

	красная	^H	(nj = 3);
	голубая	H	(nj = 4);
	фиолетовая	H	(nj = 5);
	фиолетовая	^H	(nj = 6).

Радиус стационарных орбит определяется исходя из первого постулата Бора. Возводя в квадрат обе части формулы mυr = n^h и

			2π
из формулы	для кинетической энергии
подставляя значения m
электрона, получаем	n ^2 h ^2ε
	(14.7)
r =
πmZ2 e 2 ^.

Порядок выполнения работы

 

1. Установить лампу накаливания напротив щели монохроматора и, перемещая окуляр, изучить сплошной спектр.

 

2. Включить источник питания водородной трубки и получить газовый разряд.

3. Добиться резкости спектральных линий с помощью окуляра. Поворачивая барабан монохроматора, изучить линейчатый спектр водорода.

 

4. Измерить число делений барабана монохроматора для каждой из четырех линий серии Бальмера.

5. По градуировочному графику определить длины волн,

,

и

, которые соответствуют линиям H

,

H

, H

и H

серии Бальмера.

6. Для каждой определенной длины волны вычислить постоянную Ридберга

 

R=
	^λi j ^Z
				ni		nj

и определить ее среднее значение.

7. По формуле (14.6) вычислить длину волны, которая соответствует границе бальмеровской серии.

 

8. Пользуясь формулой (14.4), вычислить значение постоянной

Планка

 

H 3

 

me⁴

8Rc ₀²

 

и сравнить полученный результат с табличным значением.

 

9. Вычислить по формуле (14.7) радиус первой орбиты электрона в атоме водорода (“первый боровский радиус”).

 

10. Сделать выводы.

 

Контрольные вопросы

 

Вариант 1

 

1. Сформулируйте постулаты Бора.

2. Спектры каких источников света непрерывные, полосатые, линейчатые?

 

3. Какая физическая величина называется волновым числом? В каких единицах она измеряется?

 

4. Что называется энергией ионизации атома?

 

Вариант 2

 

1. Объясните смысл отрицательного значения энергии электрона в атоме.

 

2. В чем состоят недостатки теории Бора?

3. Что такое главное квантовое число? Для чего оно необходимо?

 

4. Как связаны между собой длины волн в оптическом спектре водорода? Что такое постоянная Ридберга?

 

 

Лабораторная работа № 3-15