Что такое запирающее напряжение для данного фотокатода

Объясните, как явление интерференции света в тонких пленках используется для просветления оптики?

Из-за уменьшения отражения света от поверхности линзы в результате нанесения на нее специальной пленки с показателем преломления меньше, чем у стекла (просветление оптики).

Контрольные вопросы О-2:

Что такое дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля?

Дифракция света-явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий. При дифракции световые волны огибают границы непрозрачных тел и могут проникать в область геометрической тени.

Принцип Гюйгенса-Френеля: каждая точка волнового фронта является источником вторичных волн. Дифракционная картина является результатом интерференции вторичных световых волн.

Метод зон Френеля и его применение для анализа дифракционной картины.

Зона Френеля — это цилиндрический эллипс, проведенный между передатчиком и приемником. Размер эллипса определяется частотой работы и расстоянием между двумя участками.

Нужен для расчета распространения волнового фронта. Метод зон Френеля позволяет сравнительно просто найти интенсивность света только в точке, лежащей на оси круглого отверстия на экране.

Дифракция Фраунгофера на одиночной щели. Условие наблюдения дифракционных минимумов.

Дифракция Фраунгофера наблюдается в том случае, когда источник света и точка наблюдения бесконечно удалены от препятствия, вызвавшего дифракцию.

Условие минимума при дифракции Френеля: если число зон Френеля четное ,то в точке наблюдается дифракционный минимум.

Дифракционная решетка. Период решетки. Характер дифракционной картины. Условия наблюдения дифракционных минимумов.

Дифракционная решетка представляет собой совокупность большого числа N одинаковых по ширине и параллельных друг другу полей, разделенных непрозрачными промежутками, равные по ширине.

Дифракционная картина на решетке определяется как результат взаимной интерференции волн, идущих от всех щелей, т.е. в дифракционной решетке осуществляется многолучевая интерференция. Т.к. щели находятся друг от друга на одинаковых расстояниях, то разности хода лучей, идущих от двух соседних щелей, будут для данного направления φ одинаковы в пределах всей дифракционной решетки ; b — ширина щели ; а — ширина непрозрачного участка.

В направлениях, в которых наблюдается минимум для одной щели, будут минимумы и в случае N щелей, т.е. условие главных минимумов дифракционной решетки будет аналогично условию минимумов для щели:

Дифракционная решетка как спектральный прибор. Угловая дисперсии и разрешающая способность решетки.

С увеличением числа щелей растет интенсивность главных максимумов, ибо возрастает количество пропускаемого решеткой света, но самое существенное изменение, вызванное большим количеством щелей, состоит в превращении расплывчатых главных максимумов в резкие, узкие максимумы.

Дифракционная решетка, как и всякий спектральный прибор, характеризуется дисперсией и разрешающей способностью.

За меру дисперсии принимается угловое расстояние между двумя линиями, отличающимися по длине волне на 1Å. Если двумя линиями, отличающимися по длине на соответствует разнице в углах, равная то мерой дисперсии будет выражение: .

Разрешающая способность решетки характеризуется возможностью отличить наличие двух близких волн (разрешить две длины волны). Обозначим через минимальный интервал между двумя волнами, которые могут быть разрешены данной дифракционной решеткой. За меру разрешающей способности решетки принято считать отношение длины волны, около которой выполняется измерение, к указанному минимальному интервалу ,то есть , где — порядок спектра; N —общее число щелей решетки.

Контрольные вопросы КФ-10:

Фотоны — это частицы (кванты), поток которых является одной из моделей электромагнитного излучения (ЭМИ).

1. Назовите все модели электромагнитного излучения.

• луч-линия распространения ЭМИ (геометрическая оптика)
• волна-гармоническая волна, имеющая амплитуду и определенную длину волны или частоту (волновая оптика)
• поток частиц (фотонов) используется для объяснения многих эффектов, на которых основана квантовая теория строения вещества

1. Какую модель надо применять для электромагнитного излучения, падающего на фотоэлемент?

Поток частиц (фотонов).

1. Какую модель надо применять для электромагнитного излучения, проникающего в фотокатод и взаимодействующего со свободными электронами металла?

1. Какова модель металла, взаимодействующего с электромагнитным излучением при описании фотоэффекта?

1. Напишите формулу энергии фотона.

[ν-частота излучения; h — постоянная Планка (6,62⋅10^(-34) Дж⋅с) ]

1. Какова скорость движения фотона в металле?

1. Напишите формулу, связывающую энергию фотона и его массу.

1. Напишите выражение энергии фотона через его импульс.

λ — длина волны ЭМИ

1. Дайте формулировку явления внешнего фотоэффекта.

Внешний фотоэффект есть явление вылета электронов из вещества(металла) при его облучении электромагнитным излучением (ЭМИ), например, светом.

1. Опишите, что происходит с фотоном, падающим на границу металла.

Фотон, падающий на границу металла, поглощается свободным электроном, отдавая ему всю свою энергию.

1. Опишите, что происходит со свободным электроном металла после его взаимодействия с фотоном.

Кинетическая энергия электрона внутри вещества увеличивается на , но при вылете фотоэлектрона из вещества им совершается работа (работа выхода) против сил электростатического притяжения к металлу. Таким образом сообщенная электрону фотоном дополнительная энергия уменьшается на величину, равную работе выхода из металла(фотокатода), а оставшаяся часть имеет вид кинетической энергии фотоэлектрона вне металла (фотокатода).

1. Опишите, что происходит с электроном, входящим в состав атома металла после его взаимодействия с фотоном.

Происходит поглощение электроном фотона и переход электрона в другое квантовое состояние.

1. Что такое работа выхода? Чья это характеристика?

Работой выхода называется минимальная энергия, которую надо сообщить электрону вещества, чтобы он мог его покинуть.

Работа выхода есть характеристика данного вещества.

1. Напишите формулу Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

1. Дайте определение красной границы фотоэффекта.

Красная граница фотоэффекта есть минимальная частота ЭМИ, при которой еще наблюдается фотоэффект, то есть для которого энергия равна работе выхода ( ).

1. Как устроен фотоэлемент?

Устройство включает в себя два металлических электрода, впаянных в стеклянную колбу. Один из электродов называют анодом, а второй — фотокатодом, и на нем наблюдается фотоэффект. Анод обеспечивает поглощение электронов и протекание тока во всей цепи. Колба вакуумируется.

1. 3ачем в фотоэлементе применяют вакуумированный корпус?

Чтобы фотоэлектроны могли без столкновений двигаться от катода до анода.

1. Почему катод фотоэлемента называют фотокатодом?

Катод фотоэлемента называют фотокатодом, т.к. он эмитирует электроны при облучении электромагнитным излучением. Обычный катод эмитирует электроны в результате нагрева.

1. Что такое запирающее напряжение для данного фотокатода?

Запирающим (задерживающим) напряжением называется минимальное тормозящее напряжение между анодом и фотокатодом, при котором прекращается ток в цепи этой лампы, то есть фотоэлектроны не долетают до анода.

1. Какие законы сохранения выполняются при движении электрона от фотокатода к аноду?

Закон сохранения энергии.

1. Как движется фотоэлектрон в фотоэлементе при потенциале анода ниже потенциала фотокатода?

При потенциале анода ниже потенциала фотокатода фотоэлектрон тормозится электрическим полем и может возвратиться на фотокатод.

КОнтрольные вопросы кф3

Фотоны — это частицы (кванты), поток которых является одной из моделей электромагнитного излучения (ЭМИ).

1. Модели электромагнитного излучения. В чем суть и различия?

• луч-линия распространения ЭМИ (геометрическая оптика)
• волна-гармоническая волна, имеющая амплитуду и определенную длину волны или частоту (волновая оптика)
• поток частиц (фотонов) используется для объяснения многих эффектов, на которых основана квантовая теория строения вещества

1. Напишите формулу энергии фотона.

[ν-частота излучения; h — постоянная Планка (6,62⋅10^(-34) Дж⋅с) ]

1. Напишите формулу, связывающую энергию фотона и его массу.

1. Напишите выражение энергии фотона через его импульс.

λ — длина волны ЭМИ

1. Дайте формулировку явления внешнего фотоэффекта.

Внешний фотоэффект есть явление вылета электронов из вещества(металла) при его облучении электромагнитным излучением (ЭМИ), например, светом.

1. Опишите, что происходит с фотоном, падающим на границу металла.

Фотон, падающий на границу металла, поглощается свободным электроном, отдавая ему всю свою энергию.

1. Опишите, что происходит со свободным электроном металла после его взаимодействия с фотоном.

Кинетическая энергия электрона внутри вещества увеличивается на , но при вылете фотоэлектрона из вещества им совершается работа (работа выхода) против сил электростатического притяжения к металлу. Таким образом сообщенная электрону фотоном дополнительная энергия уменьшается на величину, равную работе выхода из металла(фотокатода), а оставшаяся часть имеет вид кинетической энергии фотоэлектрона вне металла (фотокатода).

1. Опишите, что происходит с электроном, входящим в состав атома металла после его взаимодействия с фотоном.

Происходит поглощение электроном фотона и переход электрона в другое квантовое состояние.

1. Что такое работа выхода? Чья это характеристика?

Работой выхода называется минимальная энергия, которую надо сообщить электрону вещества, чтобы он мог его покинуть.

Работа выхода есть характеристика данного вещества.

1. Напишите формулу Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

1. Дайте определение красной границы фотоэффекта.

Красная граница фотоэффекта есть минимальная частота ЭМИ, при которой еще наблюдается фотоэффект, то есть для которого энергия равна работе выхода ( ).

1. Как устроен фотоэлемент?

Устройство включает в себя два металлических электрода, впаянных в стеклянную колбу. Один из электродов называют анодом, а второй — фотокатодом, и на нем наблюдается фотоэффект. Анод обеспечивает поглощение электронов и протекание тока во всей цепи. Колба вакуумируется.

1. Почему катод фотоэлемента называют фотокатодом?

Катод фотоэлемента называют фотокатодом, т.к. он эмитирует электроны при облучении электромагнитным излучением. Обычный катод эмитирует электроны в результате нагрева.

1. Что такое запирающее напряжение для данного фотокатода?

Запирающим (задерживающим) напряжением называется минимальное тормозящее напряжение между анодом и фотокатодом, при котором прекращается ток в цепи этой лампы, то есть фотоэлектроны не долетают до анода.

1. Как движется фотоэлектрон в фотоэлементе при потенциале анода ниже потенциала фотокатода?

При потенциале анода ниже потенциала фотокатода фотоэлектрон тормозится электрическим полем и может возвратиться на фотокатод.

1. Как движется фотоэлектрон в фотоэлементе при потенциале анода выше потенциала фотокатода?

При потенциале анода выше потенциала фотокатода фотоэлектрон

1. Как связана кинетическая энергия электрона у катода с его потенциальной энергией у анода и почему?

1. Что такое внешний фотоэффект и каковы его основные закономерности? Условия наблюдения фотоэффекта (красная граница)

Внешним фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называется явление испускания электронов из вещества под действием электромагнитного излучения и, в частности, света. (При внутреннем фотоэффекте при поглощении падающего излучения электроны переходят на более высокие энергетические уровни, оставаясь в пределах вещества).

Для каждого вещества фотоэффект наблюдается лишь в том случае, если частота света больше некоторого минимального значения , потому что кванта энергии должно хватить на совершение работы выхода: . Предельную частоту и соответствующую ей длину волны _max называют красной границей фотоэффекта.

1. Квантовая теория фотоэффекта. Фотоны. Уравнение Эйнштейна и его физический смысл. Что такое работа выхода фотоэлектронов

Квантовая теория внешнего фотоэффекта, объясняющая основные закономерности внешнего фотоэффекта, разработана Эйнштейном в 1905 г. Он выдвинул гипотезу световых квантов, согласно которой энергия света (электромагнитного излучения) состоит из конечного числа независимых, локализованных в пространстве квантов энергии. Кванты энергии движутся, как целое, не делясь на части. Они могут поглощаться и испускаться как целое. Носителями таких дискретных порций энергии являются частицы электромагнитного поля, называемые фотонами.

1. Вольтамперные характеристики фотоэлемента и их объяснение с позиций квантовой теории

1. Закон Столетова для фотоэффекта

Фототок насыщения прямо пропорционален освещенности катода

1. С какой целью в работе используются светофильтры? Для чего и как меняется интенсивность падающего на фотоэлемент света? К чему это приводит?

1. Каким образом наличие “красной границы” в фотоэффекте свидетельствуют в пользу корпускулярной природы света?

Что такое запирающее напряжение для данного фотокатода

Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты света и не зависит от интенсивности света.

Законы Столетова для фотоэффекта

При положительном напряжении освещен катод

При отрицательном напряжении освещен анод

Запирающим напряжением U_з называется напряжение, при котором фотоэффект прекращается.

Запирающее напряжение U_з связано с максимальной кинетической энергией фотоэлектронов E_k(max) соотношением E_k(max) = U_зe

1. Сила фототока насыщения пропорциональна интенсивности света.

3. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть наименьшая частота νmin, при которой возможен фотоэффект

Объяснение фотоэффекта проведено на основе квантовой гипотезы Планка

Энергия падающего фотона расходуется на преодоление работы выхода электрона из вещества и сообщение электронам кинетической энергии

Работа выхода электронов из металла равна минимальной энергии, которой должен обладать электрон для освобождения с поверхности вещества.

Существует внешний и внутренний фотоэффект .

1. Фотоэффект невозможен, если энергии падающего фотона недостаточно для преодоления работы выхода, hν < А_вых

2. Если hν_min = А_вых — порог фотоэффекта.

Частота и длина волны красной границы фотоэффекта:

КВАНТОВАЯ ФИЗИКА
Кванты	Согласно Планку, любое излучение (в том числе и свет) со­стоит из отдельных квантов. Вследствие этого энергия излучения всегда равна энергии целого числа квантов. Однако энергия oтдельного кванта зависит от частоты.
Энергия кванта, или квант энергии	— частота излучения, Дж·с —постоянная Планка
Кванты излучения, частоты (или длины волн), которых соответствуют области видимого света, называются световыми квантами.
Связь между энергией и массой	— масса, отвечающая энергии W, м/с — скорость света в вакууме
Фотон	Квантование энергии означает, что излучение представляет собой поток частиц. Эти частицы называются фотонами,однако они не являются частицами в смысле классической физики.
Масса фотона	Дж·с— постоянная Планка, — частота излучения, — длина волны излучения, с — скорость света в вакууме
Фотоны всегда движутся со скоростью света; они не существуют в состоянии покоя, их масса покоя равна нулю
Импульс фотона
Фотоэффект	Испускание электронов веществом под действием света электромагнитного излучения.
Законы фотоэффекта
I. При фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых из катода за единицу времени, пропорционально интенсивности света (закон Столетова).
II. Максимальная начальная скорость (максимальная кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой
III. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частотасвета (зависит от химической природы вещества и состояния его поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен.
Четырех учеников попросили нарисовать общий вид графика зависимости максимальной кинетической энергии электронов, вылетевших из пластины в результате фотоэф­фекта, от интенсивности / падающего света. Какой рисунок выполнен правильно?	Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света. Следовательно, правильно выполнен рисунок 4).
Схема для исследования фотоэффекта
Вольт-амперная характеристика фотоэффекта	Зависимость фототока I, образуемого потоком электронов, испускаемых под действием света, от напряжения U между электродами. — фототок насыще­ния.Определяется таким значением U, при кото­ром все электроны, испускаемые катодом, достигают анода.
— задерживающее напряжение. При ни один из электронов, даже обладающий при вылете из катода максимальной скоростью, не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода.
Величина Uз не зависит от интенсивности падающего светового потока. Тщательные измерения показали, что запирающий потенциал линейно возрастает с увеличением частоты ν света.	Зависимость запирающего потенциала Uз от частоты ν падающего света
Фотоэлемент освеща­ют светом с определенными частотой и интенсивностью. На рисунке представ­лен график зависимости силы фототока в этом фотоэлементе от приложенного к нему на­пряжения. В случае увеличе­ния частоты без изменения ин­тенсивности падающего света график изменится. На каком из приведенных рисунков правильно показано изменение графика?	При неизменной интенсивности величина фототока не зависит от частоты. При изменении частоты изменяется запирающее напряжение. Этим условиям соответствует рисунок 1).
Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта	А – работа выхода электронов Энергия падающего фо­тона расходуется на энер­гию выхода электрона из металла и на сообщение вылетающему электрону максимальной кинети­ческой энергии.
Это уравнение выведено на основе квантовой тео­рии фотоэффекта,соглас­но которой свет частотой v не только испускается,но и распространяетсяв пространстве и поглоща­етсявеществом отдельны­ми порциями (квантами), энергия которых
Слой оксида кальция облу­чается светом и испускает электро­ны. На рисунке показан график изменения максимальной кине­тической энергии фотоэлектро­нов в зависимости от частоты па­дающего света. Чему равна работа выхода фотоэлектронов из оксида кальция?	По графику находим: При ν = 1·10 15 Гц E k = 3·10 –19 Дж Из уравнения Эйнштейна A = h ν – E k A = 6,6·10 – 34 ·1·10 15 – 3·10 –19 = 3,6·10 –19 Дж = = 3,6·10 –19 /1,6·10 –19 = 2,25 эВ
На графике приведена зависимость фототока от прило­женного обратного напряжения при освещении металлической пластины (фотокатода) излу­чением с энергией 4 эВ. Чему равна работа выхода для этого металла?	Фототок прекращается при U з = 1,5 В. Следовательно, максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона Ek = 1,6·10 –19 Кл·1,5 В/1,6·10 –19 Дж = = 1,5 эВ. Работа выхода электрона с поверхности пластины A = h ν – E k = 4 – 1,5 = 2,5 эВ
Красная граница фотоэффекта
— максимальная длина волны падающего света (— соответственно минимальная частота), при которой фотоэффект еще возможен.
Работа выхода выражается в электронвольтах	1эВ = 1,6·10 –19 Дж
Какой график соответствует зависимости максимальной кинетической энергии фотоэлек­тронов Е от частоты падающих на вещество фотонов при фотоэффекте (см. рисунок)?	Фотоэлектроны приобретают максимальную кинетическую энергию в том случае, когда частота падающих фотонов превосходит красную границу фотоэффекта. На графике красной границе соответствует точка А. Следовательно, условиям задачи соответствует график 3.
Давление, производимое светом при нормальном падении на поверхность	— коэффициент отражения; — энергия всех фотонов, падающих на единицу поверх­ности в единицу времени.
Объяснение давления света
на основе квантовой теории	Давление света на по­верхность обусловлено тем, что каждый фотон при соударении с поверх­ностью передает ей свой импульс.
на основе волновой теории	Давление света на по­верхность обусловлено действием силы Лоренца на электроны вещества, колеблющиеся под дейст­вием электрического поля электромагнитной волны.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

48. Квантовая и ядерная физика Читать 0 мин.

Свет обладает двойственной природой: в некоторых случаях он ведет себя как волна, в других ― как частица. При фотоэффекте свет ведет себя как частица. «Порции» света (кванты) ― фотоны. Энергия одного фотона прямо пропорциональна его частоте и равна Ev = hv, где

h ― постоянная Планка, равная 6,6 ∙ 10-34 [Дж∙с];

Фотоэффект (фотоэлектрический эффект) ― испускание электронов веществом под действием света.

Свет поглощают электроны, свободно расположенные в металле. Поглотив квант света, электрон увеличивает свою энергию настолько, что может вылететь из металла. Таким образом, фотоны «выбивают» электроны из металла, если их энергия достаточно велика для этого. Электроны, вылетевшие под действием света (фотонов) называются фотоэлектронами. Поскольку ток ― это направленный поток заряженных частиц ― то при облучении металла светом достаточной энергии, создается ток, который называется фототоком.

Металлическая пластинка, подключенная к электрической цепи, и облучаемая светом, называется фотокатодом.

Энергия и скорость вылетающих электронов зависит от частоты падающего света ― т. е энергии фотона, который выбивает электрон. Скорость фотоэлектронов тем выше, чем выше частота фотонов. Аналогично, скорость фотоэлектронов тем меньше, чем меньше частота падающих фотонов.

Энергия и скорость вылетающих электронов от интенсивности света не зависят.

Дело в том, что интенсивность (яркость) света определяет не то, какую энергию имеют фотоны (напомним, что энергия фотонов зависит от их частоты), а то, сколько будет этих фотов в свете. Если свет яркий ― в нём находится много фотонов, если свет не яркий ― не много.

Теоретически фотоэффект объяснил Эйнштейн. Формула Эйнштейна для фотоэффекта связывает энергию падающих фотонов и энергию вылетающих электронов: hv = A + EК, где

h ― постоянная Планка, равная 6,6 ∙ 10-34 [Дж∙с];

EК ― кинетическая энергия фотона. [Дж].

Работа выхода фотоэффекта ― постоянная величина и зависит только от природы металла и состояния его поверхности. Работа выхода не зависит от частоты или интенсивности света.

Как видно из формулы Эйнштейна, энергия фотона идет на совершение работы выхода и на увеличение кинетической энергии электрона. Так как работа выхода постоянна, то при уменьшении частоты света ― уменьшается кинетическая энергия, а значит, и скорость вылетающих электронов. Если частота света уменьшается до предельной величины ― частоты красной границы фотоэффекта, скорость электронов становится равной нулю и фотоэффект прекращается. Если частота света меньше частоты красной границы фотоэффекта ― то фотоэффект не наблюдается, поскольку энергии фотонов недостаточно для того, чтобы выбить электрон из материала.

Красная граница фотоэффекта ― это частота, при которой прекращается фотоэффект. Ее можно определить из условия $hv_ > = A$ , где

h ― постоянная Планка, равная 6,6 ∙ 10-34 [Дж∙с];

vкрасная граница ― частота света [Гц];

График зависимости кинетической энергии вылетающих электронов от частоты падающих фотонов:

Запирающее напряжение ― это напряжение, не позволяющее электронам покинуть фотокатод. Если напряжение в цепи больше или равно запирающему напряжению, то электроны не могут достигнуть анода: даже если они покидают ненадолго фотокатод, сила электрического поля возвращает их в металл ― и фототока в цепи нет.

Запирающее напряжение определяется выражением eUзап = Eкинетическая, где

e ― заряд электрона равный 1,6 ∙ 10-19 [Кл];

Uзап ― запирающее напряжение [В];

Eкинетическая ― кинетическая энергия фотоэлектрона [Дж].

Когда напряжение в цепи равно нулю U = 0, а фотокатод облучается светом достаточной энергии, чтоб создавать фотоэффект, ― в сети есть ток, его вызывают выбиваемые светом электроны.

Когда напряжение в цепи равно запирающему напряжению U = Uз ― сила тока становится равной нулю, т. к. фототок прекращается.

Как видно из формулы, запирающее напряжение зависит только от кинетической энергии электронов, которая, в свою очередь, зависит от частоты света (но не интенсивности) и работы выхода.

МЕТОДИКА и ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ

Внимательно рассмотрите рисунок и зарисуйте необходимое в свой конспект лабораторной работы.

Зацепите мышью движок реостата регулятора интенсивности (мощности) облучения фотокатода и установите его на максимум.

Аналогичным образом установите нулевое напряжение между анодом и фотокатодом и минимальную длину волны ЭМИ. Наблюдайте движение электронов в фотоэлементе, изменяя напряжение до запирания фототока.

Получите у преподавателя допуск для выполнения измерений.

1. Зацепив мышью, перемещайте метку на спектре, постепенно увеличивая длину волны облучения фотокатода. Добейтесь полного отсутствия фототока. Зафиксируйте самую большую длину волны (она будет равна l_кр), при которой фототок еще присутствует. Запишите в тетрадь значение длины волны красной границы фотоэффекта (l_кр).

2. Для более точного определения связи запирающего напряжения с длиной волны падающего излучения

· Сначала установите значение запирающего напряжения в соответствии с таблицей 2.

· Перемещая мышью вертикальную метку на спектре, установите такое максимальное значение длины волны, при котором прекращается фототок (при визуальном наблюдении электронов вы видите, что практически все электроны долетают до анода и после этого движутся обратно к катоду).

· Значения l и U_ЗАП занесите в таблицу 1.

ТАБЛИЦА 1. результаты измерений для UЗАП = ___	ТАБЛИЦА 2. ЗНАЧЕНИЯ ЗАПИРАЮЩЕГО НАПРЯЖЕНИЯ (не перерисовывать)
i =	Бригады	UЗАП1	UЗАП2	UЗАП3	UЗАП4
UЗАПi, В	1,5	-0.1	-0.3	-0.6	-0.8
li, нм	2,6	-0.2	-0.4	-0.6	-0.9
1/li,10 6 м -1	3,7	-0.3	-0.5	-0.7	-1.0
4,8	-0.4	-0.7	-0.8	-1.1

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА:

Вычислите и запишите в таблицу обратные длины волн.

Постройте график зависимости напряжения запирания (U_ЗАП) от обратной длины волны (1/l).

Определите постоянную Планка, используя график и формулу

.

Используя длину волны красной границы фотоэффекта, вычислите значение работы выхода материала фотокатода.

Запишите ответы и проанализируйте ответы и график.

ТАБЛИЦА 3. Значения работы выхода для некоторых материалов

Материал	калий	литий	платина	рубидий	серебро	цезий	цинк
АВЫХ, эВ	2.2	2.3	6.3	2.1	4.7	2.0	4.0

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Что такое фотоны?

2. Назовите все модели электромагнитного излучения.

3. Напишите формулу энергии фотона.

4. Напишите формулу, связывающую энергию фотона и его массу.

5. Напишите выражение энергии фотона через его импульс.

6. Дайте формулировку явления внешнего фотоэффекта.

7. Опишите по шагам, что происходит с фотоном, падающим на границу металла.

8. Опишите по шагам, что происходит со свободным электроном металла, после его взаимодействия с фотоном.

9. Опишите, что происходит с электроном, входящим в состав атома металла, после его взаимодействия с фотоном.

10. Что такое работа выхода? Чья это характеристика?

11. Напишите формулу Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

12. Дайте определение красной границы фотоэффекта.

13. Как устроен фотоэлемент?

14. Почему катод фотоэлемента называют фотокатодом?

15. Что такое запирающее напряжение для данного фотокатода.

16. Как движется фотоэлектрон в фотоэлементе при потенциале анода ниже потенциала фотокатода?

17. Как движется фотоэлектрон в фотоэлементе при потенциале анода выше потенциала фотокатода?

18. Как связана кинетическая энергия электрона у катода с его потенциальной энергией а анода и почему?

1. Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Высшая школа, 2001. Гл.26, §§ 202-204.

2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. М.: Высшая школа, 2000. Гл. 36, §§ 36.1, 36.2.

Что такое запирающее напряжение для данного фотокатода

Ознакомьтесь с конспектом лекций и учебником. Запустите программу. Выберите модель «Фотоэффект». Прочитайте краткие теоретические сведения [1, 2]. Щёлкните мышью кнопку около которой написано «Установка».

• Знакомство с квантовой моделью внешнего фотоэффекта.
• Экспериментальное подтверждение закономерностей внешнего фотоэффекта.
• Экспериментальное определение красной границы фотоэффекта, работы выхода фотокатода и постоянной Планка.

• луч – линия распространения ЭМИ (геометрическая оптика),
• волна – гармоническая волна, имеющая амплитуду и определенную длину волны или частоту (волновая оптика),
• поток частиц (фотонов) используется для объяснения многих эффектов, на которых основана квантовая теория строения вещества.

Фотоны – это частицы (кванты), поток которых является одной из моделей электромагнитного излучения (ЭМИ).

Энергия фотона : Е _Ф = h ν,

ν – частота излучения, h – постоянная Планка, h = 6,62∙10 –34 Дж∙с.

Энергия часто измеряется во внесистемной единице «электрон-вольт».

1 эВ = 1,6∙10 –19 Дж.

Масса фотона связана с его энергией соотношением Эйнштейна:

где λ – длина волны ЭМИ.

Внешний фотоэффект есть явление вылета электронов из вещества (металла) при его облучении электромагнитным излучением (ЭМИ), например, светом. Вылетевшие электроны называются фотоэлектронами . Далее для краткости указанное явление будем называть просто фотоэффектом.

Кинетическая энергия электрона внутри вещества увеличивается на h ν, но при вылете фотоэлектрона из вещества им совершается работа А _вых (работа выхода) против сил электростатического притяжения к металлу. У фотоэлектрона сообщенная ему фотоном порция энергии h ν уменьшается на величину, равную работе выхода из металла (фотокатода), а оставшаяся часть имеет вид кинетической энергии фотоэлектрона вне металла (фотокатода):

Это соотношение называют формулой (законом) Эйнштейна для фотоэффекта .

Красная граница фотоэффекта есть минимальная частота ЭМИ, при которой еще наблюдается фотоэффект, то есть для которой энергия фотона равна работе выхода h ν_кр = А _вых.

Фотоэлементом называют устройство, в котором используется внешний фотоэффект. Это устройство как правило включает в себя два металлических электрода, впаянных в стеклянную колбу. Один из электродов называют анодом, а второй – фотокатодом, и на нем наблюдается фотоэффект.

Анод обеспечивает поглощение фотоэлектронов и протекание тока во всей цепи.

Колба вакуумируется (из нее откачивается воздух до очень низких давлений, порядка 10 –7 мм рт. ст.) с тем, чтобы фотоэлектроны могли без столкновений двигаться от катода до анода.

Если напряжение на аноде положительное по отношению к фотокатоду, то фотоэлектроны ускоряются и попадают на анод. Если напряжение анод – катод отрицательное, то фотоэлектроны тормозятся электрическим полем и могут не долетать до анода.

Запирающим (задерживающим) напряжением называется минимальное тормозящее напряжение между анодом и фотокатодом, при котором прекращается ток в цепи этой лампы, то есть фотоэлектроны не долетают до анода. При таком напряжении кинетическая энергия электронов у катода равна потенциальной энергии электронов у анода, откуда следует выражение:

где е – заряд электрона.

Эту зависимость мы и будем исследовать в компьютерном эксперименте.

Внимательно рассмотрите рис. 1. Найдите регулировки, изменяющие напряжение между анодом и фотокатодом, длину волны и интенсивность электромагнитного излучения (ЭМИ), зарисуйте необходимое в свой конспект лабораторной работы.

Щёлкните мышью кнопку регулятора интенсивности (мощности Р ) облучения фотокатода и установите максимум интенсивности.

Аналогичным образом, зацепив мышью, перемещайте метку на спектре, постепенно уменьшая длину волны ЭМИ, установите минимальную длину волны λ.

Щёлкните мышью кнопку около которой написано «Схема». Изменяя напряжение до прекращения фототока, наблюдайте движение электронов в фотоэлементе.

Получите у преподавателя допуск для выполнения измерений.

1.	Установите нулевое напряжение ( U ) между анодом и фотокатодом.
2.	Зацепив мышью, перемещайте метку на спектре, постепенно увеличивая длину волны облучения фотокатода (или щелкайте кнопки регулятора длины волны). Добейтесь полного отсутствия фототока.
3.	Зафиксируйте самую большую длину волны (она будет равна λкр), при которой фототок еще присутствует.
4.	Запишите в тетрадь значение длины волны красной границы фотоэффекта (λкр).

Для более точного определения связи запирающего напряжения с длиной волны падающего излучения:

• Установите тип вещества и значение запирающего напряжения в соответствии с табл. 1 для вашей бригады.
• Перемещая мышью метку на спектре или щёлкая кнопки регулятора длины волны, установите такое максимальное значение длины волны, при котором прекращается фототок (при визуальном наблюдении электронов вы видите, что электроны почти долетают до поверхности анода и после этого движутся обратно к катоду). При этом напряжение между анодом и фотокатодом равно напряжению запирания U _зап.
• Значения λ и U _зап занесите в табл. 2.
• Повторите измерения при других значениях напряжения запирания, указанных в табл. 1

Таблица 1. Запирающее напряжение

Таблица 2. Результаты измерений (вещество _______ )

Вычислите и запишите в табл. 2 обратные длины волн.

Постройте график зависимости напряжения запирания ( U _зап) от обратной длины волны (1/λ).

Определите постоянную Планка, используя график и формулу

По точке пересечения графика с вертикальной осью (когда ) определите значение работы выхода материала фотокатода.

Похожие публикации:

1. Filter wiz pro как пользоваться
2. Сухой бойлер что это
3. В чем измеряется избыточное давление
4. Ugr светильника что это

КВАНТОВАЯ ОПТИКА. АТОМНАЯ ФИЗИКА. ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Ознакомьтесь с конспектом лекций и учебником [1,2]. Запустите программу. Выберите модель «5.1. Фотоэффект». Прочитайте краткие теоретические сведения. Оформите конспект. ЦЕЛЬ РАБОТЫ · Знакомство с квантовой моделью внешнего фотоэффекта. · Экспериментальное подтверждение закономерностей внешнего фотоэффекта. · Экспериментальное определение красной границы фотоэффекта, работы выхода фотокатода и постоянной Планка. КРАТКАЯ ТЕОРИЯ ФОТОНЫ – это частицы (кванты), поток которых является одной из моделей электромагнитного излучения (ЭМИ). ЭНЕРГИЯ ФОТОНА: Е Ф = h ν , n – частота излучения, h – постоянная Планка, h = 6,62 × 10 –34 Дж × с). ЭНЕРГИЯ часто измеряется во внесистемной единице «электрон-вольт». 1 эВ = 1,6·10 –19 Дж. МАССА ФОТОНА связана с его энергией соотношением Эйнштейна Е Ф = m Ф c 2 , отсюда m Ф = hν c 2 . ИМПУЛЬС ФОТОНА p = m Ф c = hν c = h λ = E c Ф , где l – длина волны ЭМИ. ВНЕШНИЙ ФОТОЭФФЕКТ есть явление вылета электронов из вещества (металла, фотокатода) при его облучении электромагнитным излучением (ЭМИ), например, светом. Вылетевшие электроны называются ФОТОЭЛЕКТРОНАМИ. Далее для краткости указанное явление будем называть просто фотоэффектом. Кинетическая энергия электрона внутри вещества увеличивается на h n , но при вылете фотоэлектрона из вещества им совершается работа А ВЫХ (работа выхода) против сил электростатического притяжения к металлу. У фото-

электрона сообщенная ему фотоном порция энергии h ν уменьшается на величину, равную работе выхода из металла (фотокатода), а оставшаяся часть имеет вид кинетической энергии фотоэлектрона вне металла (фотокатода): E ВНЕ КИН = h ν – А ВЫХ . Это соотношение называют формулой (законом) ЭЙНШТЕЙНА ДЛЯ ФОТОЭФФЕКТА. КРАСНАЯ ГРАНИЦА фотоэффекта есть минимальная частота ЭМИ, при которой еще наблюдается фотоэффект, то есть для которой энергия фотона равна работе выхода h ν КР = А ВЫХ . ФОТОЭЛЕМЕНТОМ называют устройство, в котором используется внешний фотоэффект. Это устройство как правило включает в себя два металлических электрода, впаянных в стеклянную колбу. Один из электродов называют анодом, а второй – фотокатодом, поскольку он облучается светом (электромагнитным излучением определенного диапазона длин волн) и на нем наблюдается фотоэффект. Второй электрод называют анодом. Он обеспечивает поглощение фотоэлектронов и протекание тока во всей цепи. Колба вакуумируется (из нее откачивается воздух до очень низких давлений, порядка 10 -7 мм.рт.ст.) с тем, чтобы фотоэлектроны могли без столкновений двигаться от катода до анода. Если напряжение на аноде положительное по отношению к фотокатоду, то фотоэлектроны ускоряются и попадают на анод. Если напряжение анод – катод отрицательное, то фотоэлектроны тормозятся электрическим полем и могут не долетать до анода. ЗАПИРАЮЩИМ (ЗАДЕРЖИВАЮЩИМ) НАПРЯЖЕНИЕМ называется минимальное тормозящее напряжение между анодом вакуумной лампы (фотоэлемента) и фотокатодом, при котором отсутствует ток в цепи этой лампы, то есть фотоэлектроны не долетают до анода. При таком напряжении кинетическая энергия электронов у катода равна потенциальной энергии электронов у анода , откуда следует выражение:

U ЗАП =	E КИН ВНЕ	hν − A ВЫХ	hc 1			A ВЫХ	,
	e	=	e	= e λ −				e
									где е – заряд электрона.

МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ Внимательно рассмотрите рис.1 и зарисуйте необходимое в свой конспект лабораторной работы.

Рис.1. Компьютерная модель для исследования внешнего фотоэффекта. Нажмите мышью кнопку регулятора интенсивности (мощности Р ) облучения фотокатода и установите максимум интенсивности. Зацепив мышью, перемещайте метку на спектре, постепенно уменьшая длину волны облучения фотокатода, установите минимальную длину волны ЭМИ (λ). Изменяя напряжение до запирания фототока, наблюдайте движение электронов в фотоэлементе. Получите у преподавателя допуск для выполнения измерений.

ИЗМЕРЕНИЯ

1. Снова установите нулевое напряжение ( U ) между анодом и фотокатодом. Зацепив мышью, перемещайте метку на спектре, постепенно увеличивая длину волны облучения фотокатода (или щелкайте кнопки регулятора длины волны). Добейтесь полного отсутствия фототока. Зафиксируйте са- мую большую длину волны (она будет равна λ КР ), при которой фототок еще присутствует. Запишите в тетрадь значение длины волны красной границы фотоэффекта (λ КР ). 2. Для более точного определения связи запирающего напряжения с длиной волны падающего излучения: ∙ Сначала установите значение запирающего напряжения в соответствии с табл. 1. ∙ Перемещая мышью вертикальную метку на спектре и щелкая кнопки регулятора длины волны, установите такое максимальное значение длины волны, при котором прекращается фототок (при визуальном наблюдении электронов вы видите, что электроны долетают практически до поверхности анода и после этого движутся обратно к катоду). При

этом напряжение между анодом и фотокатодом равно напряжению запирания U ЗАП . ∙ Значения λ и U ЗАП занесите в табл. 2. ТАБЛИЦА 1 (не перерисовывать). Значения запирающего напряжения

Бригады	U ЗАП1 U ЗАП2 U ЗАП3 U ЗАП4
1, 5	–0,1	–0,3	–0,6	–0,8
2, 6	–0,2	–0,4	–0,6	–0,9
3, 7	–0,3	–0,5	–0,7	–1,0
4, 8	–0,4	–0,7	–0,8	–1,1

ТАБЛИЦА 2. Результаты измерений и расчетов

i =	1	2	3	4
U ЗАПi , В
λ i , нм
1/λ i , 10 6
м –1

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА 1. Вычислите и запишите в таблицу обратные длины волн. 2. Постройте график зависимости напряжения запирания ( U ЗАП ) от обратной длины волны (1/λ). 3. Определите постоянную Планка, используя график и формулу

h =	e	ΔU ЗАП
	c	1 λ	.

4. Определите длину волны красной границы фотоэффекта, вычислите значение работы выхода материала фотокатода. 5. Запишите ответы и проанализируйте ответы и график. ТАБЛИЦА 3. Значения работы выхода для некоторых материалов

Материал	калий	литий	платина	рубидий	серебро	цезий	цинк
А ВЫХ , эВ	2,2	2,3	6.3	2,1	4,7	2,0	4,0

Вопросы и задания для самоконтроля 1. Что такое фотоны? 2. Назовите все модели электромагнитного излучения. 3. Какую модель надо применять для электромагнитного излучения, падающего на фотоэлемент? 4. Какую модель надо применять для электромагнитного излучения, проникшего в фотокатод и взаимодействующего со свободными электронами металла? 5. Какова модель металла, взаимодействующего с электромагнитным излучением при описании фотоэффекта? 6. Напишите формулу энергии фотона. 7. Какова скорость движения фотона в металле? 8. Напишите формулу, связывающую энергию фотона и его массу. 9. Напишите выражение энергии фотона через его импульс. 10. Дайте формулировку явления внешнего фотоэффекта. 11. Опишите по шагам, что происходит с фотоном, падающим на границу металла. 12. Опишите по шагам, что происходит со свободным электроном металла после его взаимодействия с фотоном. 13. Опишите, что происходит с электроном, входящим в состав атома металла после его взаимодействия с фотоном. 14. Что такое работа выхода? Чья это характеристика? 15. Напишите формулу Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. 16. Дайте определение красной границы фотоэффекта. 17. Как устроен фотоэлемент? 18. Зачем в фотоэлементе применяют вакуумированный корпус? 19. Почему катод фотоэлемента называют фотокатодом? 20. Что такое запирающее напряжение для данного фотокатода? 21. Какие законы сохранения выполняются при движении электрона от фотокатода к аноду? 22. Как движется фотоэлектрон в фотоэлементе при потенциале анода ниже потенциала фотокатода? 23. Как движется фотоэлектрон в фотоэлементе при потенциале анода выше потенциала фотокатода? 24. Как связана кинетическая энергия электрона у катода с его потенциальной энергией у анода и почему? ЛИТЕРАТУРА 1. Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Высшая школа, 2004. Гл.26, §§ 202-204. 2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. М.: Высшая школа, 2000. Гл. 36, §§ 36.1, 36.2.