Изучение законов фотоэффекта - файл n1.doc

Изучение законов фотоэффекта
скачать (341 kb.)
Доступные файлы (1):

341kb.

03.11.2012 12:03

n1.doc

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОУ ВПО «УФИМСКИЙ ГОСУДАРCТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра естественно-научных и общепрофессиональных дисциплин

Отчет по лабораторной работе № 3к

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ФОТОЭФФЕКТА

Выполнил:

Проверил:

Допуск	Выполнение	Защита

2009
Лабораторная работа № 3к

Изучение законов фотоэффекта

Задание 1

Снятие вольт-амперных характеристик фотоэлемента.

Установите фотоэлемент, помещенный в защитный кожух, на расстоянии 30 - 40 см. от источника света. Расстояние определяется по положению стрелки на линейке. Для того, чтобы установить фотоэлемент на выбранное вами место, наведите курсор мыши на фотоэлемент и не отпуская клавишу мыши, передвиньте фотоэлемент. Установить фотоэлемент на данное место можно щелкнув мышью на соответствующее деление шкалы измерительной линейки. Запишите выставленное Вами расстояние в таблице 1.
Включите источник питания Power Source. Для этого включите на источнике питания тумблер Power.
Установите тумблер изменения полярности Polarity в положение Positive.При этом катод фотоэлемента соединен с "-" источника, а анод с "+" .
На источнике света установите один из светофильтров. Для этого наведите курсор мыши на источник. Нажатием на клавишу мыши выберите светофильтр. Запишите в таблицу 1 цвет светофильтра. Соответствующая длина волны света указана в паспорте установки.
Измерьте зависимость силы фототока от напряжения, последовательно увеличивая его через 2 - 4 В от до напряжения, при котором устанавливается ток насыщения.
Уменьшите напряжение до значения .
Переключите тумблер изменения полярности Polarity в положение Negative . При этом катод фотоэлемента соединен с "+" источника, а анод с "-". Обратите внимание, что при изменении полярности изменяются пределы измерения вольтметра и амперметра. Запишите их в тетрадь.
Измерьте зависимость силы фототока от обратного напряжения и экспериментально определите запирающее напряжение. Для этого последовательно увеличивайте напряжение от до того значения, при котором ток прекращается. Измерения проводятся через 2 - 4 деления по шкале вольтметра. Измерение задерживающего напряжения следует провести особенно тщательно. Когда сила тока приблизится к нулю увеличивайте напряжение, следя по амперметру. Как только сила тока станет равной нулю, зафиксируйте напряжение, при котором произошло исчезновение тока. Все данные занесите в таблицу. Значения обратного напряжения рекомендуется заносить в таблицу со знаком " - "
Проведите аналогичные измерения вольт-амперных характеристик при прямом и обратном напряжениях для разных длин волн, используя 3 - 4 из имеющихся светофильтров. Все результаты занесите в таблицу 1.
Проведите измерения вольт-амперных характеристик с одним из уже использованных Вами светофильтров, изменяя расстояние от источника света до фотоэлемента (осуществите измерения при 3 - 4 различных расстояниях в области 30 - 60 см).
По данным измерений постройте графики зависимостей тока от напряжения. При построении не забудьте, что на графике обратное напряжение (при измерениях в положении ручки Negative) следует откладывать в отрицательной области оси абсцисс (оси ) .

Таблица 1

Красный				Оранжевый				Желтый				Зеленый
? = 0,7531				? = 0,6563				? = 0,5896				? = 0,5358
U, дел.	U, В.	I, дел.	I, мкА	U, дел	U, В.	I, дел	I, мкА	U, дел	U, В.	I, дел	I, мкА	U, дел	U, В.	I, дел	I, мкА
0 4 8 12 16 20	0 400 800 1200 1600 2000	2 7,5 12,5 17 19,5 21,5	200 750 1250 1700 1950 2150	0 4 8 12 16 20	0 400 800 1200 1600 2000	2 8 14 18 20,5 22	200 800 1400 1800 2050 2200	0 4 8 12 16 20	0 400 800 1200 1600 2000	2 8,5 14 19 21 22	200 850 1400 1900 2100 2200	0 4 8 12 16 20	0 400 800 1200 1600 2000	2 9 14,5 19 21,5 22,5	200 900 1450 1900 2150 2200
0 4 8 12 16 20	0 -20 -40 -60 -80 -100	35,5 8 0 0 0 0	177,5 40 0 0 0 0	0 4 8 12 16 20	0 -20 -40 -60 -80 -100	37,5 18 4 0 0 0	187,5 90 20 0 0 0	0 4 8 12 16 20	0 -20 -40 -60 -80 -100	39 23 11,5 3 0 0	195 115 57,5 15 0 0	0 4 8 12 16 20	0 -20 -40 -60 -80 -100	40 26,5 16 7 2 0	200 132,5 80 35 10 0

Продолжение таблицы 1

Красный светофильтр

Голубой
? = 0,5184
U, дел.	U, В.	I, дел.	I, мкА
0 4 8 12 16 20	0 400 800 1200 1600 2000	2 9 14,5 19 21,5 22,2	200 900 1450 1900 2150 2200
0 4 8 12 16 20	0 -20 -40 -60 -80 -100	40 27,5 17 8 3 0,5	200 137,5 85 40 15 2,5

Оранжевый светофильтр

Желтый светофильтр Зеленый и голубой светофильтры

Красный светофильтр Оранжевый светофильтр

Желтый светофильтр Зеленый светофильтр

Голубой светофильтр

Задание 2

Определение чувствительности фотоэлемента.

Для всех исследуемых вами расстояний рассчитайте световой поток, падающий на катод фотоэлемента по формуле:

где

- сила света источника, измеренная в свечах (св) (указана в паспорте установки),

- площадь фотокатода (указана в паспорте установки) ,

- расстояние между источником света и фотоэлементом

По результатам измерений заполните таблицу 2, в которую занесите расстояния , соответствующие им значения потока и силу тока насыщения .
По данным таблицы 2 постройте график зависимости тока насыщения от величины светового потока.
По графику зависимости определите чувствительность фотоэлемента, равной тангенсу угла наклона полученной линейной зависимости.

;

Таблица 2

L, см.	30	40	50	60
Ф, лм.	0,089	0,05	0,032	0,022
I_нас, мкА	4000	2200	1400	1000

Задание 3

Определение работы выхода, постоянной Планка и "красной границы" фотоэффекта.

По результатам измерений заполните таблицу 3, в которую занесите задерживающее напряжениесоответствующее длине волны света падающего на фотокатод, и частоту света, расчитанную по формуле

,

где с - скорость света.

Постройте график зависимости задерживающего напряженияот частоты света . Экстраполируйте полученную линейную зависимость до пересечения с осью абсцисс .
Из полученного графика определите "красную границу" фотоэффекта , соответствующую точке пересечения прямой с осью .
Определите из графика отношение в вольтах по отрезку, отсекаемому на оси при . Определите работу выхода в джоулях:

,

где е - заряд электрона: е = 1,6

10^{- 19} Кл .

Таблица 3

U₃, B	20	40	60	80	100
?, м	0,7594	0,6563	0,5896	0,5378	0,5184
v, 1/с	4·10¹⁴	4,57·10¹⁴	5,05·10¹⁴	5,58·10¹⁴	5,79·10¹⁴

Постоянная Планка

Вывод: На данной лабораторной работе сняли вольтамперные характеристики фотоэлемента, определили чувствительность фотоэлемента, работу выхода, постоянную Планка и "красную границу" фотоэффекта.

Контрольные вопросы

В чем состоит явление внутреннего и внешнего фотоэффекта?
Объясните ход вольтамперной характеристики фотоэлемента.
Перечислите основные закономерности внешнего фотоэффекта и объясните их с точки зрения квантовых представлений о свете.
Перечислите основные характеристики фотоэлементов.
Где применяются фотоэлементы?

1. Явление внешнего фотоэффекта состоит в испускании (эмиссии) электронов с поверхности тела под действием света; для этого явления экспериментально установленные зависимости объединяются квантовой теорией света. Кроме внешнего фотоэффекта существует внутренний фотоэффект, наблюдаемый в диэлектриках и полупроводниках. При этом светом внутри диэлектрика или полупроводника осуществляются переходы электронов из связанных состояний в свободные, без вылета электрона наружу.
3. Экспериментально установлены три основные закона внешнего фотоэффекта, справедливые для любого материала фотоэмиттера:

1) количество электронов, испускаемых в единицу времени (сила фототока в режиме насыщения), пропорционально интенсивности света (закон Столетова);

2) для каждого вещества при определенном состоянии его поверхности существует ""красная граница" внешнего фотоэффекта , где такая частота света, меньше которой ( ) фотоэлектронная эмиссия не наблюдается;

3) Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно растет с частотой света и не зависит от его интенсивности (закон Эйнштейна).
4. Основными характеристиками и параметрами электровакуумных фотоэлементов являются вольт-амперная, световая и спектральная характеристики, внутреннее сопротивление и интегральная чувствительность.
5. В настоящее время на основе внешнего и внутреннего фотоэффекта строится бесчисленное множество приемников излучения, преобразующих световой сигнал в электрический и объединенных общим названием -фотоэлементы. Они находят весьма широкое применение в технике и научных исследованиях. Самые разные объективные и оптические измерения немыслимы в наше время без применения того или иного типа фотоэлементов. Современная фотометрия, спектрометрия и спектрофотометрия в широчайшей области спектра, спектральный анализ вещества, объективное измерение весьма слабых световых потоков, наблюдаемых, например, при изучении спектров комбинационного рассеяния света, в астрофизике, биологии, и т.д. трудно представить себе без применения фотоэлементов; регистрация инфракрасных спектров часто осуществляется специальными фотоэлементами для длиноволновой области спектра. Необычайно широко используется фотоэлементы в технике: контроль и управления производственными процессами, разнообразные системы связи от передачи изображения и телевидения до оптической на лазерах и космической техники представляют собой далеко не полный перечень областей применения