Материал: КФ №1

2. Описание установки и методика измерений

Установка для излучения законов фотоэффекта представлена на рис.2.1.

Свет (Рис.2.1.б) от раскаленной вольфрамовой нити лампочки осветителя (Л), пройдя систему линз, через входную щель (1), (Рис.2.1.а) попадает в монохроматор УМ-2, где разлагается в спектр. Основной частью монохроматора является диспергирующая призма (3). Поворот призмы осуществляется при помощи рычага, поворачивающегося при вращении микрометрического винта (4). К монохроматору прилагается градуировочный график, устанавливающий соответствие между делением шкалы барабана и длиной волны света, выходящего из щели 1 монохроматора. Микрометрические винты (5) позволяют изменять ширину входной и выходной щели в пределах от 0 до 4 мм. При этом пропорционально возрастает площадь щели.

Свет, выходящий из щели 1, попадает на фотоэлемент 6. Фотоэлемент выполнен в виде стеклянного баллона, воздух из которого откачен до давления 10^-6 – 10^-7 мм рт. ст. На одну половину внутренней поверхности баллона, на подкладочный слой магния или серебра нанесен тонкий слой цезия. Образующееся при этом соединение служит катодом.

Такой катод обладает малой работой выхода, и красная граница для данного фотоэлемента находится в видимой части спектра. В центральной части баллона расположен металлический анод, имеющий форму сферы. Фотоэлемент заключен в светонепроницаемый металлический кожух с отверстием. В нерабочем состоянии отверстие закрыто колпачком (7).

Из сказанного выше следует, что выделение излучения узкого спектрального диапазона осуществляется поворотом микрометрического винта (4) монохроматора, а освещенность фотоэлемента можно считать изменяющейся пропорционально площади (ширине) входной щели.

Блок включения фотоэлемента представлен на рис. 2.1.в) Источник питания фотоэлемента заключен в металлический кожух (8), на лицевой панели которого размещены тумблер (9), замыкающий цепь питания фотоэлемента, рукоятка потенциометра (10) для изменения напряжения на электродах фотоэлемента, а также головка вольтметра (11). Вверху на стойке закреплен гальванометр (12) для измерения фототока.

а)

б)

в)

Рис. 2.1.

3. Порядок выполнения работы

1. Включить в сеть вилку сетевого шнура источника питания (ПП) лампочки осветителя (Л) (рис. 2.1).

2. Тумблер на лицевой панели источника питания лампочки поставить в положение «вкл».

3. Проследить за тем, чтобы луч света, идущий через линзы, попадал во входную щель монохроматора и выходил из щели. Монохроматор отъюстирован, поэтому изменять положение линз на оптической скамье запрещается. Если прибор разъюстирован, следует обратиться к преподавателю или лаборанту.

4. Включить в сеть вилку сетевого шнура от источника питания фотоэлемента (8).

5. Включить тумблер (9) на панели источника питания фотоэлемента (верхнее положение).

6. Закрыть выходную щель (1), а входную щель (1) – полностью открыть (ширина щели мм).

7. Снять колпачок (7) с фотоэлемента (6), придвинуть фотоэлемент вплотную к выходной щели монохроматора.

8. Установить микрометрический винт (4) в положение . В этом положении фототок при заданном напряжении для данного фотоэлемента максимален.

9. Увеличить, поворачивая рукоятку потенциометра (10), напряжение на аноде фотоэлемента до значения, соответствующего току насыщения ( В).

10. Подобрать микрометрическим винтом (5) такую ширину выходной щели (1), чтобы показания гальванометра соответствовали  40 дел. шкалы. Прибор готов к измерениям.

11. Установить градуировочный барабан в положение, соответствующее длине волны нм (см. градуировочный график, прилагаемый к прибору).

12. Изменяя напряжение между анодом и катодом фотоэлемента в пределах от 0 до 100 В через каждые 10 В, измерять силу тока в делениях шкалы гальванометра.

13. Измерения п. 12 повторить для длины волны нм. Результаты измерений представить в виде таблице 3.1.

Таблица 3.1

14. Установить напряжение между анодом и катодом фотоэлемента 100 В.

15. Изменяя положение градуировочного барабана (4) через каждые 100⁰ в пределах от 950⁰ до 2850⁰, измерять силу фототока в делениях шкалы гальванометра. Для перевода в воспользоваться градуировочным графиком. Результаты измерений представить в виде таблицы 3.2.

Таблица 3.2

16. Установить градуировочный барабан в положение, соответствующее нм. Анодное напряжение довести до значения В.

17. Изменяя ширину входной щели микрометрическим винтом (5) в пределах от 0 до 2 мм с шагом 0,25 мм, измерять силу фототока по гальванометру в делениях шкалы.

18. Измерения п. 17 повторить для нм. Результаты измерений представить в виде таблицы 3.3.

Таблица 3.3

19. Поворачивая рукоятку потенциометра (10), довести напряжение между анодом и катодом фотоэлемента до нуля.

20. Выключить тумблер (9) на панели источника питания фотоэлемента (нижнее положение).

21. Выключить из сети вилку сетевого шнура от источника питания фотоэлемента.

22. Выключить тумблер на панели источника питания лампы осветителя (ПП).

23. Выключить из сети вилку сетевого шнура источника питания лампы осветителя.

24. Закрыть фотоэлемент колпачком.

4. Обработка результатов

1. Построить вольт-амперные характеристики для длин волн нм и нм, используя данные таблицы 3.1.

2. Построить спектральную характеристику фотоэлемента, используя результаты таблицы 3.2. По оси абсцисс отложить значения длины волны в нм, по оси ординат – соответствующие значения силы фототока в делениях шкалы.

3. По спектральной характеристике определить красную границу фотоэффекта, т.е. наибольшую длину волны, при которой еще наблюдается фототок ( дел.).

4. По полученному значению , используя формулу (1.7), рассчитать работу выхода электрона из металла в эВ.

5. Вычислить задерживающее напряжение для нм и нм, используя полученное значение А_вых по формуле (1.10).

6. Построить световые характеристики фотоэлемента для нм и нм при В, используя данные таблицы 3.3. По оси абсцисс откладывать ширину выходной щели , по оси ординат – фототок. Зависимость должна быть близка к линейной.

5. Требования к оформлению отчета

Отчет должен содержать:

1. Цель работы.

2. Перечень используемых в работе приборов и оборудования с указанием погрешности приборов.

3. Основные теоретические сведения и формулы для обработки эксперимента.

4. Схему установки для изучения основных законов фотоэффекта.

5. Результаты измерений должны быть представлены в виде таблиц 3.1, 3.2, 3.3 и графиков, выполненных на миллиметровке.

Графики представляют: 1) спектральную характеристику прибора; 2) вольт-амперную характеристику для длин волн нм и нм; 3) световые характеристики для нм и нм.

6. Рассчитанное по спектральной характеристике значение красной границы фотоэффекта.

7. Полученную по формуле (1.7) величину работы выхода электрона из металла в эВ.

8. Анализ полученных результатов, выводы.

6. Контрольные вопросы

1. Какими величинами можно охарактеризовать фотон?

2. В чем заключается фотоэффект?

При каких энергиях фотона происходит фотоэффект?

3. Записать закон сохранения энергии при фотоэффекте.

4. Сформулировать основные законы фотоэффекта и дать их объяснение с точки зрения корпускулярных свойств излучения.

5. Какова зависимость задерживающего потенциала от частоты излучения?

6. Как определить работу выхода электрона из металла

• по красной границе фотоэффекта?

• по зависимости задерживающего потенциала от частоты излучения?

7. Как определить постоянную Планка?

8. Как изменяется вид вольт - амперной характеристики с изменением длины волны излучения?

9. Какой вид имеет спектральная характеристика фотоэлемента?

Почему ее следует в данном эксперименте получать при фототоке насыщения?

10. Какой математической зависимостью можно описать световую характеристику фотоэлемента и почему?

11. Насколько хорошо Ваш экспериментальный материал удовлетворяет предсказаниям теории?

7. Литература

1. Савельев И.В. Курс общей физики [Текст]/ И.В. Савельев.– т. 3. – С.П.б: Изд-во «Лань», 2006, 512 с.

2. Иродов И.Е. Квантовая физика. Основные законы [Текст]/ И.Е. Иродов.– М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2001–256 с.

13