Эксперимент по теме "Фотоэффект"
методическая разработка по физике (11 класс) на тему

Обнаружение фотоэффекта

Литература: ДЭ, ч. II, стр. 403, оп. 167;

Хорошавин С. А., стр. 135, оп. V/8.

Приборы и материалы: осветитель ультрафиолетовый «Фотон», электрометр, пластина цинковая, палочка из стекла, газета, стекло, столик от универсального штатива, ящик-подставка.

Рисунок:

Ход работы:

1. Цинковую пластину зачищают наждачной бумагой до блеска с одной стороны, и укрепляют ее на стержне электрометра.
2. Зачищенную сторону пластинки освещают светом ультрафиолетового осветителя «Фотон». При освещении никаких видимых изменений не происходит.
3. Заряжают цинковую пластину положительно и освещают светом ультрафиолетового осветителя «Фотон». При освещении показания электрометра не меняются даже при продолжительном освещении.
4. Электрометр заряжают, сообщая пластине отрицательный заряд. Наблюдают постепенное уменьшение показаний электрометра при освещении пластины.
5. Вставляют в пазы основания осветителя стекло. Освещают отрицательно заряженную пластину. Показания электрометра не изменяются.
6. Попеременно закрывают свет от осветителя стеклом, и открывают его.

Методика:

При некоторых условиях свет вырывает электроны из металла.

Фотоэффект – явление вырывания электронов из вещества под действием света. Если электроны вылетают за пределы вещества, фотоэффект называют внешним.

Работа выхода – минимальная работа, которую нужно совершить для удаления электрона из металла. Энергию связи электрона в атоме характеризуют работой выхода. Она зависит от рода вещества. Чем работа выхода меньше, тем больше электронов выбивает свет в единицу времени и тем быстрее пластина разряжается.

Фотоэффект практически безынерционен, то есть возникает мгновенно после освещения пластины. Волновая теория: е накапливает энергию за счет поглощения излучения => t. Квантовая теория: е передается энергия отдельного кванта => t ≈ 0.

Законы внешнего фотоэффекта. Зависимость тока насыщения от числа фотонов (интенсивности излучения).

Литература: ДЭ, ч. II, стр. 408, оп. 170.

Приборы и материалы: фотоэлемент СЦВ-4 на подставке, выпрямитель ВУП-1, проекционный аппарат ФОС, диафрагма, вольтметр демонстрационный с дополнительным сопротивлением на 250 В, гальванометр демонстрационный от амперметра, ящик-подставка, соединительные провода, метр демонстрационный.

Рисунок:

Ход работы:

1. На оптической скамье устанавливают фотоэлемент, приборы соединяют между собой как показано на рисунке.
2. Устанавливают фотоэлемент на уровне осветителя на расстоянии 20 см от него.
3. Включают осветитель и подают напряжение на фотоэлемент. Отмечают величину протекающего в цепи фототока.
4. Опыт повторяют, устанавливая фотоэлемент на расстоянии 40 см и 80 см от осветителя.

Методика:

L – расстояние, на котором находится фотоэлемент от осветителя;

i – величина фототока.

1. L1 = 20 см               i1 = 16 делений
2. L2 = 40 см               i2 = 4 деления
3. L3 = 80 см               i3 = 1 деление

Интенсивность излучения I ~  => i ~ I (Закон Столетова)

Фототок насыщения прямо пропорционален интенсивности света, падающего на катод.

Волновая теория: свет – волна. Кинетическая энергия  е должна оказаться достаточной для выхода из металла.

I ~ E ~ Ne, но Ne ~ i –> i ~ I.

Квантовая теория: свет – поток фотонов с энергией hν.

I ~ Nфотона ~ hν.

1 фотон вырывает 1 электрон –> Ne ~ Nф –> Ne ~ I, но Ne ~ i –> i ~ I.

Этот закон можно объяснить как с точки зрения волновой, так и квантовой теории.

ВАХ

Законы фотоэффекта. Зависимость запирающего напряжения от частоты излучения.

Литература: ДЭ, ч. II, стр. 408, оп. 170.

Приборы и материалы: фотоэлемент СЦВ-4 на подставке, выпрямитель ВУП-1, проекционный аппарат ФОС, диапозитивная рамка, вольтметр демонстрационный с дополнительным сопротивлением на 250 В, гальванометр демонстрационный от амперметра, ящик-подставка, соединительные провода, набор светофильтров.

Рисунок:

Ход работы:

1. На оптической скамье устанавливают фотоэлемент и собирают установку как показано на рисунке. Устанавливают фотоэлемент на уровне осветителя на расстоянии 30 см от него. Подают напряжение таким образом, чтобы стрелка гальванометра отклонялась на всю шкалу.
2. Перекрывают световой пучок стеклом. Значительных изменений фототока не наблюдаем.
3. Вставляют в проекционный аппарат диапозитивную рамку с синим светофильтром. Наблюдают уменьшение показаний гальванометра.
4. Повторяют опыт поочередно с зеленым, желтым и красным светофильтрами. С каждым разом наблюдают уменьшение показаний гальванометра.
5. Для измерения задерживающего напряжения устанавливают синий светофильтр. К аноду подключают отрицательный полюс источника тока и подают напряжение до тех пор, пока фототок в цепи не станет равным нулю.
6. Двигают фотоэлемент. Показания вольтметра при этом не изменяются.

Методика:

1. Синий светофильтр λс

ic = 9 делений.

2. Зеленый светофильтр λз > λс

iз = 6 делений.

3. Желтый светофильтр λж> λз

iж = 4 деления.

4. Красный светофильтр λк> λж

ic = 1 деление.

λ ~ ν => i = f(ν). Но i ~ Ne –> Eк => Eк= f(ν)

Волновая теория: Eк фотоэлектронов = f() => f(I). Но Eк ≠ f(ν).

Зависимость от частоты волновая теория не объясняет.

Квантовая теория: 

Уравнение Эйнштейна:

 =>

для Авых = const, m= const, Eк= f(ν)

Объяснение данной зависимости возможно только на основе квантовой теории.

 i = 0 => e не могут преодолеть задерживающее поле и достигнуть Aнода =>.

Uзап ↑ -> Eк ↑, но Eк = f(ν) => Uзап = f(ν) и Uзап ≠ f(I)

ВАХ вакуумного фотоэлемента

Литература:

Приборы и материалы: фотоэлемент СЦВ-4 на подставке, выпрямитель ВУП-1, проекционный аппарат ФОС, вольтметр демонстрационный с дополнительным сопротивлением на 250 В, гальванометр демонстрационный от амперметра, ящик-подставка, соединительные провода.

Рисунок:

Ход работы:

1. На оптической скамье устанавливают фотоэлемент, приборы соединяют между собой как показано на рисунке. Устанавливают фотоэлемент на уровне осветителя на расстоянии 40 см от него.
2. Освещают катод. Наблюдают отклонение стрелки гальванометра.
3. Подает напряжение на фотоэлемент. Медленно поворачивая ручку выпрямителя, наблюдаем за практически одновременным нарастанием напряжения (показания V), и фототока (показания A).
4. Продолжаем увеличивать напряжение. Сила тока достигает максимального значения и дальнейшее увеличение напряжения не приводит к ее изменению.
5. Меняем полярность источника. Сила тока уменьшается и при некотором значении напряжения становится равной нулю.

Методика:

Фотоэлемент не освещен: е не => К

Фотоэлемент освещен: е –> А. К «+» => большинство е –> К, часть е –> А, => i – Фототок. Он возникает даже в отсутствии разности потенциалов между анодом и катодом.

↑ напряжение: => ↑ Ne –> A => i ↑. (область I)

При больших напряжениях: e –> К => все е –> А => насыщение => i = const = iн – Фототок насыщения. iн определяется Ne, которые вырываются в секунду из металла (область II).

При некотором значении напряжения: i = 0 => ВСЕ e –> К => Uзапирающее (задерживающее).

где eUзап – работа против сил задерживающего поля (область III).

                                                                                  ВАХ вакуумного фотоэлемента:

"Фотон"

Zn

ИК, видимый свет

Q0 = 0

Qк = 0

Q0 > 0             Eрез = Е0 + Е

Qк > 0               е притягиваются

Q0 < 0             Eрез = Е0 - Е

Qк = 0              е отталкиваются

Q0 < 0            

Qк < 0

=> УФ участок спектра вызывает фотоэффект на цинковой пластине

d

Е

Е0

УФ;

ИК;

Видимый свет

γ

γ

γ

Е

Е0

 +  +  +  +  +  +  +  +  +  +  +

   Ve   . е 

“ + “

“ – “

“ – “

с

текло

  –  –  –  –  –  –  –  –  –  –  –  

Е0

      20         30         40         50         60         70         80         90         100

V

A

0

Iнас1

Iнас2

I

U

Uзап

V

A

0

U

Iнас

I

Uзап2

Uзап1

V

A

_

V

G

    К

А

Свет

+

e

Ve

0

U

II

III

I

I

Uзап

Iнас