Загрузил Informator64

Лабораторная работа №12. Исследование внешнего фотоэффекта

Реклама
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
«ЛЭТИ» ИМ. В.И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА)
Кафедра физики
ОТЧЁТ
по лабораторной работе №12
по дисциплине «Физика»
ТЕМА: ИССЛЕДОВАНИЕ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА
Студент гр. 0408
Виноградов Е.В.
Преподаватель
Попов Ю.И.
Санкт-Петербург
2021
Цель работы.
исследование закономерностей эффекта фотоэлектронной эмиссии
(внешнего фотоэффекта); измерение работы выхода электрона и красной
границы эффекта для материала фотокатода.
Общие сведения
Схема установки. Электрическая схема установки представлена на рис.
12.1. Переключатель S3 предназначен для управления освещенностью 
фотокатода. Он обеспечивает протекание тока разной величины в нити лампы
накаливания Л1 . С помощью переключателя S2 обеспечивается прямое или
обратное подключение фотоэлемента ФЭ к источнику напряжения.
Для изменения прямого и обратного напряжения между электродами ФЭ
электрическая схема содержит, соответственно, потенциометры R1 и R2−R3 .
Сила
фототока
фотоэлемента
измеряется
микроамперметром
РА,
а
напряжение между его электродами контролируется вольтметром PU.
Общие сведения
Фотоэлектронная эмиссия (внешний фотоэффект) – это поток
электронов, который возникает при облучении светом поверхности металла и
направлен (при наличии внешнего напряжения между катодом и анодом
установки) вдоль нормали к поверхности. В результате эмиссии электронов в
фотоэлементе
изменяется,
например,
электропроводность
вакуумного
промежутка между двумя металлическими электродами. Измерение силы
тока, протекающего в этом промежутке при разной освещенности фотокатода,
при разном спектральном составе излучения и т. д., составляет основу метода
экспериментального исследования внешнего фотоэффекта.
В
фотоэффекте
проявляется
корпускулярные
свойства
электромагнитного излучения. В квантовой теории электромагнитное
излучение представляют 80 в виде потока частиц (фотонов), движущихся с
постоянной скоростью c = 3 ∙ 108 м/с . Фотон имеет нулевую массу покоя,
обладает энергией ε = hν и импульсом p = hν/c .
Неупругое
столкновение
(поглощение)
фотона
с
электроном
проводимости металла приводит к его выходу за пределы вещества. Процесс
выхода электрона описывается законом сохранения энергии.
где ε = hν = hc/λ и – энергия падающего фотона, ν и λ – его частота и длина
волны, A = hν0 = hc/λ0 – работа выхода электрона из металла, идущая на
преодоление потенциального барьера, удерживающего электрон внутри
металла, минимальную частоту фотона ν0 = с/ λ0 , при которой начинается
фотоэффект, и соответствующую ей длину волны фотона λ0 называют красной
границей фотоэффекта, Wk = mv2/2 = eUз – кинетическая энергия вылетающего
электрона, Uз – задерживающая разность потенциалов, под которой понимают
напряжение между катодом и анодом установки, полностью гасящее
кинетическую энергию вылетающих из металла электронов. Соотношение
(12.1) носит название уравнения Эйнштейна для фотоэффекта.
При фотоэффекте лишь малая доля падающих на металл фотонов
приводит к выбиванию электронов из образца. Это связано, прежде всего, с
малой глубиной выхода фотоэлектронов, которая значительно меньше
глубины поглощения света в металле. Большинство фотоэлектронов имеют
энергию ниже работы выхода или рассеивает свою энергию до подхода к
поверхности и теряет возможность выйти наружу. Кроме того, коэффициент
отражения падающего излучения в видимой и ближней УФ-областях велик, и
лишь малая часть излучения поглощается в металле. Число эмитированных
электронов в расчете на один фотон, падающий на поверхность тела,
называется квантовым выходом η . Величина η определяется свойствами
вещества, состоянием его поверхности и энергией фотонов.
В результате количество вышедших электронов dNe оказывается
пропорционально количеству фотонов dN , падающих на поверхность металла
в течение времени dt :
Исследуемые закономерности
Для исследования внешнего фотоэффекта в работе используется
вакуумный диод (фотоэлемент СЦВ-4), содержащий два металлических
электрода (анод и катод) внутри стеклянной оболочки. При комнатной
температуре в вакуумном промежутке между электродами содержится
незначительное количество электронов, возникающее за счет эффекта
термоэлектронной эмиссии металла. Освещение поверхности катода приводит
к увеличению числа свободных электронов в этой области. Зависимость силы
тока I от напряжения U на фотоэлементе имеет нелинейный характер. Причина
нелинейности
вольтамперной
характеристики
I(U)
–
неоднородность
распределения по скоростям вышедших из катода электронов вследствие их
теплового движения. В случае отрицательной полярности подключения
внешнего источника к электродам фотоэлемента с ростом напряжения U
уменьшается доля электронов, имеющих кинетическую энергию, достаточную
для достижения анода, и уменьшается ток I. При некотором значении
обратного напряжения U = Uз полученной при фотоэлектронной эмиссии
кинетической
энергии
электронов
оказывается
недостаточно,
чтобы
преодолеть тормозящее действие поля и сила тока, протекающего через
фотоэлемент, обращается в ноль I(Uз) = 0 . Запирающее напряжение Uз в опыте
измеряется прямым методом и с точностью до постоянного множителя e
(элементарный заряд) совпадает с кинетической энергией фотоэлектрона, если
она измеряется в электрон-вольтах.
Теория
Эйнштейна
(11.1)
прогнозирует
линейную
зависимость
запирающего напряжения от частоты электромагнитного излучения
где ν0 = A/h – минимальная частота излучения, при которой возможен
выход электрона из исследуемого металла. Аппроксимация результатов
измерения Uз (ν) линейной функцией позволяет найти ее параметры (рис.12.2):
граничную частоту 0 ν , работу выхода A = hν0 и отношение констант a = h/e.
Фототок зависит от освещенности E катода установки, которая
определяется как количество энергии, падающее на единицу площади S
поверхности в единицу времени. Если на катод в единицу времени падает
dN/dt фотонов, то
При некотором значении напряжения U между катодом и анодом
фотоэлемента величина фототока перестает зависеть от напряжения и
представляет собой ток насыщения Iн – асимптоту вольтамперной
характеристики I(U) фотоэлемента. Ток насыщения н I пропорционален
потоку  излучения, падающего на поверхность металла и согласно (10.2)
равен
где k0 = eη/hν = eηλ/hc, Ф = dW/dt – поток излучения источника, падающий на
фотокатод. Соотношение (12.6) известно как закон Столетова. Если учесть,
что  = ES , где E – освещенность катода, S – его площадь, то закон Столетова
можно записать в виде
где k0 = eηS/hν = eηSλ/hc.
Протокол к Л/Р №12
Таблица 12.1. Вольтамперная характеристика фотокатода
светофильтр
λ, нм
E
U, В
E2
E3
E4
E2
E3
E4
I(E2), мкА
I(E3), мкА
I(E4), мкА
I(E2), мкА
I(E3), мкА
I(E4), мкА
1
2
3
4
5
6
7
8
9
16
17
18
19
20
21
22
23
24
зелёный
λ1 = 550
синий
λ2 = 515
продолжение таблицы 12.1.
10 11 12 13 14 15
Таблица 12.2. Определение запирающего напряжения при
освещенности фотокатода E2
светофильтр
λ, нм ν = с/ λ , Гц
Зелёный
Синий
λ1 = 550 нм ν1 = 5.45 ∙ 10 Гц
λ2 = 515 нм ν2 = 5.83 ∙ 1014 Гц
1
2
Uз , В
3
4
14
Выполнил: Виноградов Евгений, группа 0408
Преподаватель: Попов Ю.И.
_____________
5
Обработка результатов эксперимента
Таблица 12.3. Зависимость тока насыщения от освещённости
фотокатода
(𝑆 = 4,5 ∙ 10−4 м2 ); 𝜂 = 0,01 𝑘 =
𝑒𝜂𝑆𝜆
ℎ𝑐
;𝑎=
; 𝑎1 = 5 ∙ 103 ; 𝑎2 = 5,4 ∙ 103 ;
ℎ𝑐
𝑒𝑆𝜆
м2
м2
𝑘1 = 2 мкА ∙
; 𝑘 = 1,87 мкА ∙
Вт 2
Вт
Светофильтр
Зелёный λ1 = 550 нм
Синий λ2 = 515 нм
№
2
3
4
2
3
4
Ei , Вт/м2
0.15
0.07
0.02
1.60
0.90
0.40
Iн , мкА
0.31
0.14
0.04
3.02
1.64
0.72
k = Iн /E , мкА ∙ м2/Вт
2.07
2.00
2.00
1.90
1.87
1.80
0,1
0,21
0,75
0,01
0,02
0,04
10350
10000
10000
10260
10098
9720
512
1071
3750
49
87
189
Ɵ𝑘 = 𝑘 (
ƟIн ƟЕ
+ )
Iн
Е
𝜂 = ℎ𝑐𝑘/𝑒𝑆𝜆 = 𝑎𝑘
Ɵ𝜂 = 𝜂
ƟI
Ɵ𝑘
ƟЕ
= 𝜂( н + )
𝑘
Iн
Е
Таблица статистической обработки k и 𝑈з𝑖
Формула
𝑈з𝑖
k
1
2
2,0
−0.416
−0.599
0,02333
0.00143
0.00186
𝑅𝑥 = 𝑥𝑚𝑎𝑥 − 𝑥𝑚𝑖𝑛
0,07
0.007
0.01
∆𝑥𝛽 = 𝛽𝑃,𝑁 ∙ 𝑅𝑥
0,091
0.005
0.005
̅̅̅̅ = √∆𝑥 2 + 𝜃𝑥 2
∆𝑥
0.03
0.005
0.005
̅̅̅̅
𝑥 = 𝑥̅ ± ∆𝑥
мкА ∙ м2
2,0 ± 0.1
Вт
-0.416±0.005 В
5%
1%
𝑥̅ =
𝑆𝑥̅ = √
𝛿𝑥 =
1
∑ 𝑥𝑖
𝑁
∑(𝑥𝑖 − 𝑥̅ )2
𝑁(𝑁 − 1)
̅̅̅̅
∆𝑥
∙ 100 %
𝑥̅
−0.599 ± 0.005
В
1%
Таблица 12.4. Определяемые в опыте постоянные
ν1
ν2
𝑈з1
𝑈з2
Гц
Гц
В
В
5.45∙1014 5.83∙1014 −0.416 −0.599
𝑎э =
∆𝑈з
∆𝜈
𝑎=
ℎ
𝑒
ℎэ = 𝑒𝑎э
h
В/Гц
В/Гц
Дж ∙ с
Дж ∙ с
4.82∙10−15
4.14∙10−15
7.71∙10−34
6.63∙10−34
Продолжение таблицы 12.4.
𝑏
𝑎э
b
ν0
В
Гц
Гц
нм
2.2
4.59∙1014
4.56∙1014
654
𝜈0 ′ = −
𝜆0 =
𝑐
𝜈0
𝜆0 ′ =
𝑐
𝜈0 ′
𝐴 = ℎ𝜈0
𝐴′ = ℎ𝜈0 ′
нм
эВ
эВ
658
1.899
1.887
ВАХ фотокатода для зелёного светофильтра
0,5
0,45
0,4
0,35
I, мкА
0,3
I(E2)
0,25
I(E3)
0,2
I(E4)
0,15
0,1
0,05
0
0
5
10
15
U, В
20
25
30
ВАХ фотокатода для синего светофильтра
2,5
I, мкА
2
1,5
I(E2)
I(E3)
1
I(E4)
0,5
0
0
5
10
15
U, В
20
25
30
Iн(E2)
0,35
3,5
0,3
3
0,25
2,5
0,2
2
0,15
I(E1)
I, мкА
I, мкА
Iн(E1)
1,5
0,1
1
0,05
0,5
0
0
0
0,1
0,2
E1, м^2/Вт
I(E2)
0
1
2
E2, м^2/Вт
График ν(Uз)
ν(Uз)
Uз
Вывод
В ходе выполнения лабораторной работы были построены графики ВАХ
для синего и зелёного светофильтров на основе снятых значений, вычислены
экспериментальные и теоретические значения частоты, постоянной Планка,
длины волны и работы выхода. Анализ сравнения табличного и полученного
значения работы выхода показывает, что катод вакуумного диода изготовлен
из цезия.
Ответы на вопросы
Вариант №4
№8. Что такое фотон. Энергия, масса и импульс фотона.
Фотон − квант электромагнитного излучения в видимом диапазоне
(минимальная порция световой энергии).
1) энергия: 𝐸Ф = ℎ𝜈
2) масса:
в покое 𝑚Ф = 0;
в движении:
𝐸Ф = ℎ𝜈 = 𝑚Ф ∙ с2 ⇒ 𝑚Ф =
ℎ𝜈
𝑐2
3) импульс:
𝑝Ф = 𝑚Ф ∙ с =
ℎ𝜈
𝑐
№12. Что такое фототок насыщения? От чего зависит фототок
насыщения?
Фототок насыщения — максимальный ток выбитых электронов, ток
между фотокатодом и анодом, при котором все выбитые электроны
собираются на аноде.
Фототок насыщения зависит от падающего на фотоэлемент светового
потока Ф (1й закон внешнего фотоэффекта).
Ф=
𝑊
,
𝑡
𝑊 = 𝑛Ф ∙ 𝐸Ф
⇒
𝑛Ф ~ 𝑛𝑒 ~ 𝐼н ~ Ф
Скачать