Лабораторная работа № 4. 8. Исследование вакуумного и газонаполненного фотоэлементов

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НОВГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ ЯРОСЛАВА МУДРОГО

ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОННЫХ И ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

КВАНТОВАЯ ОПТИКА

Сборник лабораторных работ по общему курсу физики

Великий Новгород

УДК 53(076,5) Печатается по решению

РИС НовГУ

Р е ц е н з е н т

кандидат физико-математических наук, доцент

Квантовая оптика: Сборник лабораторных работ по общему курсу физики/ Сост.: З.С. Бондарева, В.Г. Иванов, Г.Е. Коровина, В.Д. Лебедева, /Н.А. Петрова/, В.Е. Удальцов; НовГУ им. Ярослава Мудрого. – Великий Новгород, 2006. - ***с.

В сборнике приведены описания семи лабораторных работ по общему курсу физики. В каждом описании рассматриваются основные понятия и закономерности, методика, порядок выполнения работы и контрольные вопросы.

Сборник может быть рекомендован студентам НовГУ всех специальностей дневной и заочной формы обучения, изучающих общий курс физики.

УДК 53(076,5)

© Новгородский государственный

университет, 2006

© З. С. Бондарева, В. Г. Иванов,

Г. Е. Коровина, В. Д. Лебедева,

/Н. А. Петрова/, В. Е. Удальцов,

составление, 2006

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие………………………………………………………………………….4

1 Лабораторная работа № 4.8. Исследование вакуумного и газонаполненного фотоэлементов……………………………………………………………………….5

2 Лабораторная работа № 4.16. Исследование внутреннего фотоэффекта……..13

3 Лабораторная работа № 4.13. Определение красной границы фотоэффекта и работа выхода электрона…………………………………………………………..27

4 Лабораторная работа № 4.9. Определение суммарного коэффициента поглощения тела оптическим пирометром……………………………………….32

5 Лабораторная работа № 4.10. Исследование спектра атомарного водорода и определение постоянной Ридберга………………………………………………..42

6 Лабораторная работа № 4.12. Изучение опыта Франка –Герца……………….49

7 Лабораторная работа № 4.20. Определение постоянных Ридберга и Планка..55

Библиография……………………………………………………………………….61

Предисловие

Законы физики, как фундаментальной науки, являются основой всех специальных дисциплин в техническом вузе. Поэтому основная задача физического практикума состоит в том, чтобы помочь студентам глубже осознать физические закономерности и приобрести необходимые навыки в проведении эксперимента, которые понадобятся им в дальнейшей самостоятельной работе.

Выполнение физического эксперимента требует дорогостоящего оборудования, вследствие чего практически невозможно проведение фронтальных лабораторных работ и, следовательно, неизбежен некоторый разрыв между выполнением студентами отдельных лабораторных работ и изложением соответствующих разделов курса на лекциях. Лабораторная работа достигает своей цели, если студент, приступив к ее выполнению, будет ясно представлять себе исследуемое физическое явление или закон. Для этого необходима предварительная самостоятельная работа студента накануне занятия. В помощь студенту во введении к каждой лабораторной работе излагаются основные понятия и законы, но это не освобождает студента от необходимости проработки соответствующих разделов учебника и курса лекций. В конце сборника приводится список необходимой литературы. Чтобы обеспечить самоконтроль студентов при подготовке к лабораторной работе, в описание каждой работы включены вопросы для самоподготовки.

Настоящий сборник содержит описания лабораторных работ по квантовой оптике, выполняемых студентами всех специальностей по общему курсу физики дневной и заочной форм обучения.

Лабораторная работа № 4.8. ИССЛЕДОВАНИЕ ВАКУУМНОГО И ГАЗОНАПОЛНЕННОГО ФОТОЭЛЕМЕНТОВ

Цель работы: ознакомится с устройством фотоэлементов, снять вольт – амперные и световые характеристики и определить интегральную чувствительность.

Основные понятия и законы

Сущность фотоэффекта заключается в освобождении электронов в результате взаимодействия света с веществом. Освобожденные светом электроны называют фотоэлектронами. Условия возникновения фотоэлектронов и явления, которые наблюдаются при их появлении, могут быть различными. Рассмотрим некоторые из них.

Внешний фотоэффект – явление освобождения электронов с поверхности тела, наблюдается при освещении любых тел. В результате внешнего фотоэффекта изменяется электропроводность окружающей тело среды.. Впервые внешний фотоэффект был обнаружен Герцем, а детально исследован Столетовым.

Экспериментально установлены следующие основные законы внешнего фотоэффекта.

1 Число электронов (фототок), вырываемых с поверхности тела за единицу времени, пропорционально интенсивности светового потока, падающего на поверхность тела (при условии неизменного спектрального состава света и условий освещения) – закон Столетова.

2 Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой падающего света и не зависит от его интенсивности – закон Эйнштейна.

3 Для каждого вещества при определенном состоянии его поверхности (определяющем работу выхода) и температуре Т > 0 К существует граничная частота ν₀ (минимальная частота)или длина волны λ₀ (максимальная длина волны), за которой фотоэффект не наблюдается. Граничную частоту и соответствующую ей длину волны называют красной границей фотоэффекта.

Явление фотоэффекта и его закономерности можно объяснить, пользуясь квантовой теорией света. Элементарный акт внешнего фотоэффекта можно представить состоящим из трех процессов: поглощение фотона электроном, движение электрона, обладающего избыточной энергией, к поверхности тела и прохождение его через потенциальный барьер. В металлах внешний фотоэффект в видимой и ультрафиолетовой областях спектра связан с поглощением света электронами проводимости. Электрон, поглотив фотон, получает энергию hν, достаточную для преодоления связей, удерживающих его в веществе, и вылетает за пределы поверхности тела. Вероятность одновременного поглощения двух фотонов одним электроном ничтожно мала, и, следовательно, каждый электрон заимствует энергию только у одного фотона, поэтому число вылетающих с поверхности электронов пропорционально числу падающих на поверхность фотонов, то есть пропорционально световому потоку (закон Столетова).

Для того, чтобы электрон мог покинуть поверхность металла, он должен иметь энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера, величина которого определяется работой выхода А, то есть hν ≥ А. И, следовательно, граничная частота фотоэффекта равна:

; . (1.1)

Используя закон сохранения энергии, можно определить максимальную энергию электрона, вылетевшего с поверхности металла:

. (1.2)

Это соотношение было получено Эйнштейном и носит название уравнения Эйнштейна. Его можно записать следующим образом:

. (1.3)

Рисунок 1.1. Зависимость кинетической энергии фотоэлектронов от частоты

Из уравнения Эйнштейна следует, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно зависит от частоты падающего света. На рисунке 1.1 представлен график этой зависимости.

Как видно из графика, фотоэффект начинается при частоте ν₀ – красной границе фотоэффекта. Тангенс угла наклона α равен постоянной Планка h. Действительно,

. (1.4)

Используя уравнение Эйнштейна (1.2) и определение красной границы фотоэффекта (), получим:

, (1.5)

. (1.6)

Максимальную энергию получают не все электроны, а только те, которые вылетают непосредственно с поверхности. Электроны, поглотившие фотон на некоторой глубине, при подходе к поверхности часть энергии теряют и вылетают с меньшими скоростями или не вылетают совсем, поэтому с ростом частоты вероятность вылета таких электронов возрастает.

Важной характеристикой внешнего фотоэффекта является квантовый выход η - число фотоэлектронов, приходящееся на один падающий фотон. На рисунке 1.2 приведена типичная кривая зависимости квантового выхода в металлах от энергии фотонов – спектральная характеристика. В области частот, прилежащих к ν₀ η = 10^-4 и возрастает пропорционально (ν - ν₀)². При hν ≈ 10 эВ начинается резкий рост квантового выхода, который при hν ≈ 18 эВ достигает 0,1 – 0,015, а затем уменьшается. Частоту ν₀^/ при которой начинается резкий рост квантового выхода, иногда называют второй красной границей. Отмечено, что резкий рост квантового выхода начинается при таких энергиях фотонов, когда металл перестает сильно отражать свет.

Рисунок 1.2. Спектральная характеристика фотоэлемента