Studiul regularităților efectului fotoelectric extern, fizica cuantică

2.1. Scopul muncii
Familiarizarea practică cu legile fotoefectului extern; determinarea experimentală a funcției de lucru pentru fotocatodul antimoniu-cesiu, precum și constanta lui Planck.

Studiul legilor efectului fotoelectric a condus știința fizică la conceptul de quanta lumină și a jucat un rol important în formarea ideilor moderne despre natură.

2.2.2. Vacuum fotocelula
Acesta este unul dintre cele mai frecvente dispozitive care utilizează un efect fotoelectric extern. Este un cilindru din sticlă pompată, o parte din suprafața sa interioară este acoperită cu metal și este un catod K. Inelul metalic A servește ca un anod (a se vedea figura 2. 1).

2.2.3. Regularitățile efectului fotoelectric
Chiar și la tensiune anodică zero, U unele dintre fotoelectronilor ajunge la anod, deci ≠ 0 când U = 0. Cu creșterea U anod se ajunge la un număr tot mai mare de electroni, iar puterea este crescută treptat fotocurent. În cele din urmă, la o anumită tensiune (numită o tensiune de saturație UH), toate fotoelectronilor ajunge la anod, și creșterea în continuare în tensiune nu crește amperajul. Valoarea obținută a puterii fotocurentului se numește curentul de saturație IH. Prin valoarea curentului de saturație, putem evalua numărul de electroni n. emis de catod pe unitate de timp:

Dacă tensiunea anodică este negativă, va inhiba fotoelectronii, iar curentul va scădea.

La o anumită valoare de tensiune U = U3 <0 (которое называется запирающим) даже самые быстрые фотоэлектроны не в силах достигнуть анода, и ток прекращается. При этом вся начальная кинетическая энергия электронов расходуется на совершение работы против сил задерживающего электрического поля:

(Ekmax este energia cinetică inițială a celor mai rapide fotoelectroni care părăsesc catodul în condițiile date).

În Fig. 2. Figura 2 prezintă unele CVC aceeași fotocelulă obținută prin iradiere cu lumină monocromatică catod una și aceeași frecvență w, dar diferite intensități (a) sau aceeași intensitate I, dar la diferite frecvențe (b).

Următoarele regularități ale efectului fotoelectric au fost stabilite experimental [1].

1. La o frecventa fixa de lumina, fotocurentul de saturatie (si numarul de fotoelectroni evacuati din catod pe unitatea de timp) este direct proportional cu intensitatea luminii).

2. Mărimea tensiunii de blocare (și a vitezei maxime a fotoelectronelor) este determinată de frecvența luminii și nu depinde de intensitatea acesteia.

3. Pentru fiecare substanță există o margine roșie a efectului fotoelectric, adică frecvența minimă a luminii ω0, la care efectul fotoelectric este încă posibil.

2.2.4. Lipsa reprezentărilor clasice
Până când a fost descoperit efectul fotoelectric, teoria undelor luminoase, provenind din experimentele Fresnel, Jung și Arago privind difracția și interferența luminii, a fost acceptată în general. Din ecuațiile lui Maxwell au urmat existența undelor electromagnetice, ale căror proprietăți (studiate experimental de Hertz) s-au dovedit a fi identice cu proprietățile luminii, precum și cu radiațiile infraroșii și ultraviolete. S-au măsurat lungimile undelor luminoase (0,4-0,7 μm).

Cu ajutorul ideilor despre lumină ca valuri electromagnetice, regulile reflexiei, refracției și polarizării luminii au fost explicate cu succes (nu numai calitativ, ci și cantitativ). Tendința naturală a fost aceea de a explica efectul fotoelectric din aceleași poziții.

Metalele diferă de alte substanțe prin prezența unui număr mare de conductivități electronice "libere" (care nu au legătură cu nici un atom). Este rezonabil să presupunem că acești electroni vor fi extrași de câmpul electric al undei luminoase (electromagnetice). Atunci, prima dintre legile efectului fotoelectric indicată în 2.2.3 este explicată pur și simplu: cu cât este mai mare amplitudinea undei luminoase, cu atât mai mulți electroni se pot rupe de pe suprafața metalului.

Să găsim acum dependența vitezei și energiei cinetice dobândite de electron asupra parametrilor undei luminoase. Pentru a face acest lucru, integrăm ecuația de mișcare a electronului de conducere "liber" în câmpul electric alternant al valului:

unde E este amplitudinea, ω = 2πp este frecvența ciclică a luminii. Avem

Deoarece intensitatea luminii este determinată de pătratul amplitudinii vectorului electric E, putem spune că energia cinetică inițială maximă a fotoelectronelor: în primul rând, direct proporțională cu intensitatea luminii; în al doilea rând, invers proporțional cu pătratul frecvenței luminii.

Cu toate acestea, ambele predicții nu sunt confirmate de observații!

Chiar presupunând că lumina rips dintr-un metal care nu a electronilor de conducție, iar electronii asociate cu atomii forțe quasielastic, soluția a mișcării electronului ar da o dependență de rezonanță Ekmax de ω (vârf ascuțit la ω = ω0 - frecvența oscilațiilor naturale ale electronilor in atomi) iar proporționalitatea dintre intensitatea luminii și Ekmax este în continuare aceeași.






Deci, reprezentările clasice nu sunt în mod clar moduri de a explica toate regularitățile observate ale efectului fotoelectric!

2.2.5. Interpretarea cuantică a legilor efectului fotoelectric

În 1905, Einstein a arătat că legile care reglementează emisia și absorbția luminii pot fi explicate cu ușurință presupunând că energia luminii este radiată și absorbită de porțiuni discrete (quanta); cuantele energiei luminoase sunt direct proporționale cu frecvența ei: ε = hν (coeficientul h se numește constanta Planck).

În conformitate cu teoria cuantică (a se vedea de exemplu [2], [3]), energia unui electron într-un solid ia și o serie de valori discrete. Aceste valori (nivelurile de energie) sunt grupate în benzi sau zone permise separate de zone interzise.

Zona energetică, plină de electroni doar parțial, se numește bandă de conducere; zonele de dedesubt sunt umplute cu toate nivelele.

Electronii din banda de conducere se pot transfera cu ușurință la niveluri mai ridicate de energie ale acestei zone, cu alte cuvinte - pentru a-și crește energia cinetică (accelera) din cauza influențelor externe. Cel mai mare dintre nivelurile de energie ocupate de electroni la T = 0 K este numit nivelul Fermi.

În condiții obișnuite, toți electronii din metal au valori negative ale energiei totale; pentru un nivel de energie zero, se presupune energia unui electron staționar în afara metalului. Cea mai mică lucrare necesară pentru a îndepărta un electron dintr-un metal într-un vid este numită funcția de lucru a ieșirii A0. De fapt, funcția de lucru este energia care trebuie folosită pentru a scoate din metal (la T = 0 K) un electron care are o energie Fermi și se deplasează la suprafața (mai degrabă decât adâncă) a metalului. Pentru a extrage orice alt electron va necesita multă energie! Funcția de lucru poate fi de asemenea interpretată ca adâncimea canalului potențial în care sunt localizați electronii metalului. Aceasta este determinată de natura chimică a substanței și, într-o măsură mai mică, de condițiile în care aceasta este localizată, de exemplu, de temperatură.

Dacă energia fiecărui cuantum de lumină (foton) este mai mică decât funcția de lucru, atunci electronii la care energia lor este transferată nu poate lăsa metalul. Frecvența minimă a luminii, care poate produce încă un efect fotoelectric, este determinată de relația:

și se numește limita roșie a efectului fotoelectric. (Aici "roșu" este un sinonim pentru cuvintele "longwave" sau "low frequency", marginea roșie poate fi în regiunea ultravioletă a spectrului!)

Deci, dacă suprafața metalică este iluminată cu lumină cu o frecvență ν> ν0. atunci energia cinetică maximă pe care o pot avea fotoelectronii este determinată din relație

numită ecuația Einstein pentru efectul fotoelectric.

În conformitate cu ecuația Einstein și formula (2.2), tensiunea de închidere trebuie să depindă liniar de frecvența:

Această concluzie (una dintre predicțiile teoriei cuantice) este în acord excelent cu experimentul. Mai mult decât atât, prin măsurarea valorii tensiunii de blocare pentru mai multe frecvențe de lumină, putem folosi ecuația (2.8) pentru a găsi funcția de lucru a materialului fotocatod și a constantei Planck.

2.3. Descrierea instalației de laborator
În configurația de laborator prezentată în Fig. 2.3, ca sursă de lumină, este utilizată o lampă cu descărcare de mercur din DRSH, care emite un spectru de frecvență. (Lungimile de undă ale liniilor spectrale cu mercur sunt bine cunoscute și tabele, ceea ce elimină nevoia de a le măsura.)

Cu radiații de la lampa de mercur monocromator este alocată fascicule înguste de lumină monocromatică, care sunt alternativ direcționate către o fotocelulă cu catod de antimoniu-cesiu.

Schema electrică de pornire a fotocelulei este prezentată în Fig. 2.4. Utilizând DC SP montat în baza monocromator și un comutator cu doi poli S F la fotocelula anod poate crea atât pozitiv (câmp de accelerație) și (câmpul retardare) potențial negativ. Tensiunea dintre catod și anod este controlată de potențiometrul R; pentru măsurarea tensiunii este un voltmetru V. Curentul din circuitul fotocelulei este măsurat prin ampermetrul A.

2.4. Procedura de efectuare a experimentului și prelucrarea rezultatelor
2.4.1. METODA EXPERIMENTALĂ
2.4.1.1. Cantități măsurate și calculate

Pentru a determina limita roșie a efectului fotoelectric și a constantei Planck, se măsoară valorile tensiunii de blocare pentru câteva linii spectrale mai strălucitoare, trecând de la zona violet la cea galben-verde a spectrului. Pentru aceleași linii, caracteristicile volt-amper sunt măsurate în intervalul de tensiune cuprins între 0 și 3 V.

La sfârșitul măsurătorilor, este construit un grafic al dependenței U3 (v); Valorile lui h și v0 sunt determinate din grafic. Valorile λ0 (nm) și, de asemenea, A0 (J, eV) sunt calculate.

2.4.1.2. Curentul negru al fotocelulei și precizia măsurătorii
Într-o fotocelula reală, chiar și cu o iluminare catodică zero, există o anumită IT (foarte mică) întunecată. parțial datorită emisiei termice de la catod, parțial prin diferența dintre funcțiile de lucru pentru catod și anod, în parte pur și simplu prin scurgerea curentului între bornele fotocelulei.

Cu o diferență de potențial între catod și anodul apropiat de U3. Curentul din circuitul anodic este de aceeași ordine ca și curentul întunecat. Cu toate acestea, valoarea curentului întunecat depinde de mulți parametri și poate varia, în principiu, pe parcursul experimentului.

Din cele de mai sus rezultă că metoda pentru determinarea experimentală a U3 ca tensiune la care curentul la ieșirea fotocelulei este zero (sau chiar valoarea măsurată anterior a IT) nu este complet fiabilă. Pentru a obține o valoare mai fiabilă a U3, este necesar să se mărească (în modulul) tensiunea anodică negativă până când curentul anodic al fotocelulei încetează să scadă.

Cu valori pozitive ale tensiunii anodice, curentul închis este o parte nesemnificativă a curentului total. Prin urmare, atunci când se ia caracteristica curentului de tensiune în regiunea U> 0, curentul întunecat nu este necesar.

1. Pregătiți ampermetrul pentru funcționare în conformitate cu instrucțiunile.
2. Porniți lampa cu mercur 1 apăsând pe butonul "ON" și "DRUM LAMP" comutatorul de pe sursa de alimentare (dacă lampa nu se aprinde, apăsați butonul negru)
3. Prin reglarea corectă, lumina lămpii cu mercur trebuie să fie focalizată în centrul capacului 2, care acoperă lentila monocromă. În caz contrar, îndreptați punctul de lumină din centrul capacului 2, rotind șurubul 8 al obiectivului condensatorului.
4. Scoateți capacul 2 de pe obiectivul monocrom. Mânerul obturatorului 4 trebuie să fie în poziția "DESCHIS".
5. Microvyneum 3 a stabilit lățimea fantei de intrare la 0,15 mm.

2.4.2.2. Măsurarea tensiunii de închidere

1. Privind în ocularul monocromatorului, rotiți tamburul 5 și combinați o linie purpurie strălucitoare (λ = 404,7 nm) cu un indicator (o săgeată întunecată pe fondul spectrului). Dacă este necesar, reglați claritatea prin rotirea inelului ocular.
2. Înlocuiți capul ocularului 7 cu fotocelula 6.
3. Cu un șurub micro 3, setați lățimea fantei de intrare la 2 mm.
4. Cu mânerul ampermetru "SET 0", deplasați săgeata în centrul scalei.
5. Schimbați polaritatea sursei de alimentare cu fotocelule în poziția "-".
6. Rotirea butonului potențiometrului R, crește tensiunea de anod până când acul ampermetrului se oprește.
7. Înregistrați valorile de tensiune la care indicatorul a oprit (tensiunea de închidere) în Tabelul 2.2.
8. Măsurați măsurătorile de la punctele 9-12 încă de două ori.
9. Cu butonul "SET 0", plasați acul ampermetrului pe diviziunea zero.

1. Schimbați polaritatea sursei de alimentare în poziția "+".
2. Cu potențiometrul R, setați tensiunea anodică la 0.
3. Măsurați rezistența fotocurentului pentru valorile tensiunii de accelerație de la 0 la 3 V până la 0,6 V. Înregistrați-o în Tabelul 2.3.

Valorile măsurate o dată:

Este păcat că acest subiect sa încheiat cu noi.

Fă-o pentru fizica ei normală!)))) Pentru Andreeva a fost de 4 perechi pe zi!))))
Dar numai pentru ea!

Trimiteți-le prietenilor: