При увеличении светового потока задерживающее напряжение



Учебники

Разделы физики

Журнал «Квант»

Лауреаты премий по физике

Общие

Опыт Столетова А.Г.

Содержание

Описание опыта

Внешний фотоэффект был открыт в 1887 г. Г. Герцем, а исследован детально в 1888-1890 гг. А. Г. Столетовым.

Для того чтобы получить о фотоэффекте более полное представление, нужно выяснить, от чего зависит число вырванных светом с поверхности вещества электронов (фотоэлектронов) и чем определяется их скорость или кинетическая энергия. С этой целью были проведены экспериментальные исследования, которые состояли в следующем. В стеклянный баллон, из которого выкачан воздух (для того, чтобы столкновения электронов с молекулами газа не вносили осложнения в наблюдаемые явления, а также для того, чтобы предохранить пластинки от окисления), помещаются два электрода (рис. 1).

Внутрь баллона на один из электродов поступает свет через кварцевое «окошко», прозрачное не только для видимого света, но и для ультрафиолетового излучения. На электроды подается напряжение, которое можно менять с помощью потенциометра R и измерять вольтметром V. К освещаемому электроду (катод К) присоединяют отрицательный полюс батареи. Под действием света этот электрод испускает электроны, которые при движении в электрическом поле образуют электрический ток. При малых напряжениях не все вырванные светом электроны достигают другого электрода (анод А). Если, не меняя интенсивности излучения, увеличивать разность потенциалов между электродами, то сила тока так же увеличивается. При некотором напряжении она достигает максимального значения, после чего перестает изменяться (рис. 2).

Из графика следует, что:

1. При некотором значении напряжения между электродами U_н сила фототока перестает зависеть от напряжения.

Максимальное значение силы тока I_н называется током насыщения. Сила тока насыщения \(I_H = \dfrac >\), где q_mах — максимальный заряд, переносимый фотоэлектронами. Он равен \(q_ = n \cdot e \cdot t\), где n — число фотоэлектронов, вылетающих с поверхности освещаемого металла за 1 с, е — заряд электрона. Следовательно, при фототоке насыщения все электроны, покинувшие за 1 с поверхность металла, за это же время попадают на анод. Поэтому по силе фототока насыщения можно судить о числе фотоэлектронов, вылетающих с катода в единицу времени.

2. Сила фототока отлична от нуля и при нулевом напряжении. Это означает, что часть вырванных светом электронов достигает анода А (см. рис. 1) электрода и при отсутствии напряжения, т.е. фотоэлектроны при вылете обладают кинетической энергией.

3. Если катод соединить с положительным полюсом источника тока, а анод — с отрицательным, то в электростатическом поле между электродами фотоэлектроны будут тормозиться, а сила фототока уменьшаться при увеличении значения этого отрицательного напряжения. При некотором значении отрицательного напряжения U_з (его называют задерживающим напряжением) фототок прекращается. Это значит, что электрическое поле тормозит вырванные электроны до полной остановки, а затем возвращает их на электрод.

Согласно теореме о кинетической энергии, работа задерживающего электрического поля равна изменению кинетической энергии фотоэлектронов:

Это выражение получено при условии, что скорость υ « с, где с — скорость света.

Следовательно, зная U_з, можно найти максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов.

На рисунке 3, а приведены графики зависимости I_ф(U) для различных световых потоков, падающих на фотокатод при постоянной частоте света. На рисунке 3, б приведены графики зависимости I_ф(U) для постоянного светового потока и различных частот падающего на катод света.

Анализ графиков на рисунке 3, а показывает, что сила фототока насыщения увеличивается с увеличением интенсивности падающего света. Если по этим данным построить график зависимости силы тока насыщения от интенсивности света, то получим прямую, которая проходит через начало координат (рис. 4, а). Следовательно, сила фотона насыщения пропорциональна интенсивности света, падающего на катод: I_ф

Как следует из графиков на рисунке 3, б, величина задерживающего напряжения увеличивается с увеличением частоты падающего света. При уменьшении частоты падающего света U_з уменьшается, и при некоторой частоте ν) задерживающее напряжение U_з0 = 0. При ν а

На основании этих экспериментальных данных были сформулированы законы фотоэффекта.

Flash-анимация опыта

Вы можете повторить описанный выше опыт при помощи flash-анимации (автор Александр Коновалов). В этой программе вы можете:

• наблюдать движение электронов;
• менять материал (металл) катода, интенсивность и частоту излучения, полярность источника;
• увидеть значения работы выхода, красная граница фотоэффекта, длины волны излучения, энергии фотона и напряжения источника.

fot_7.swf Опыт Столетова А.Г. Увеличить Flash Рис. 5.

Законы фотоэффекта

1. Число фотоэлектронов, вырываемых за 1 с с поверхности катода, пропорционально интенсивности света, падающего на это вещество.
2. Кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а зависит линейно от его частоты.
3. Красная граница фотоэффекта зависит только от рода вещества катода.
4. Фотоэффект практически безинерционен, так как с момента облучения металла светом до вылета электронов проходит время ≈ 10 –9 с.

История физики

Описание опыта Столетовым А.Г.

«Два металлических диска («арматуры», «электроды») в 22 см диаметром были установлены вертикально и друг другу параллельно перед электрическим фонарем Дюбоска, из которого вынуты все стекла. В фонаре имелась лампа с вольтовой дугой А. Один из дисков, близлежащий к фонарю, сделан из тонкой металлической сетки, латунной или железной, иногда гальванопластически покрытой другим металлом, которая была натянута в круглом кольце; другой диск сплошной (металлическая пластинка)» [4, с. 193].

Измерения производились зеркальным гальванометром G, источником тока В служили гальванические батареи из разного числа элементов. В опытах ученый менял знак заряда на металлической пластине с отрицательного на положительный, на пути световых лучей помещал непрозрачный экран (пластинку из картона, металла и др.), стеклянную пластинку. При этих производимых друг за другом исследованиях фотоэффект не наблюдался. Экраны из кварца, льда вследствие поглощения длинноволновой части излучения только ослабляли наблюдаемый эффект. Отсюда ученый делает вывод, что фотоэффект вызывается главным образом ультрафиолетовыми лучами. При прочих равных условиях фототок возрастал при зачистке поверхности отрицательного электрода и повышении его температуры. Для изучения зависимости фотоэффекта от освещенности поверхности электрода Столетов использовал метод прерывистого освещения. К описанной ранее экспериментальной установке был добавлен картонный круг с вырезанными окошками. Круг помещался между источником света S и конденсатором G. Площади окошек и промежутков между ними были одинаковы. Когда круг приводился во вращение (скорость вращения можно было изменять), на конденсатор падало наполовину меньше света, чем при неподвижном круге. При этом сила фототока также уменьшалась в два раза. Следовательно, сила фототока прямо пропорциональна величине светового потока. Такой же результат ученый получил, изменяя площадь освещаемой части отрицательной пластины. Эксперименты, кроме того, позволили установить, что световые лучи действуют мгновенно: фототок возникал и прекращался практически одновременно с началом и прекращением освещения конденсатора. Увеличение напряжения вело к возрастанию силы фототока до определенного значения (ток насыщения), затем он оставался постоянным.

Выводы Столетова А.Г.

В результате проведенных в воздухе экспериментов Столетов пришел к следующим выводам:

«1. Лучи вольтовой дуги, падая на поверхность отрицательно заряженного тела, уносят с него заряд.

2. Это действие лучей есть строго униполярное, положительный заряд лучами не уносится.

3. Разряжающим действием обладают — если не исключительно, то с громадным превосходством перед прочими — лучи самой высокой преломляемости, недостающие в солнечном спектре (λ = 295•10 –6 мм). Чем спектр обильнее такими лучами, тем сильнее действие.

4. Для разряда лучами необходимо, чтобы лучи поглощались поверхностью тела.

5. Разряжающее действие лучей обнаруживается даже при весьма кратковременном освещении, причем между моментом освещения и моментом соответственного разряда не протекает заметного времени.

6. Разряжающее действие, при одинаковых условиях, пропорционально энергии активных лучей, падающих на разряжаемую поверхность.

7. Каков бы ни был механизм активно-электрического разряда, мы вправе рассматривать его как некоторый ток электричества.

8. Активно-электрическое действие усиливается с повышением температуры» [4, с. 238, 239].

Литература

1. Аксенович Л.А. Физика в средней школе. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — С. 556-559.
2. Вольштейн С. Л. и др. Методы физической науки в школе: Пособие для учителя / С. Л. Вольштейн, С. В. Позойский, В. В. Усанов; Под ред. С. Л. Вольштейна.— Мн.: Нар. асвета, 1988.— С. 124-126.
3. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика: Учеб. для 11 кл. общеобразоват. учреждений. — М.: Просвещение, 1998. — С. 162-163.
4. Столетов А. Г. Избранные сочинения / Под ред. А. К. Тимирязева.— М.; Л.: Гос. изд. техн.-теор. лит., 1950. — 660 с.

Видео по теме Опыт Столетова А.Г.

Источник

Лекции по атомной физике — Фотоэффект

Определение

Определение: фотоэффект – это вырывание электронов из металла под действием падающего света.

Вырванные электроны называются «фотоэлектронами».

Законы фотоэффекта

а) Скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света.

б) Число фотоэлектронов пропорционально интенсивности падающего света.

I_ <нас>– ток насыщения;

U_ <з>– задерживающее или запирающее напряжение.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта

E_ <ф>– энергия падающего фотона, т.е. частицы света

\nu – частота падающего света

\nu=\frac<1> , где T – период

h – постоянная Планка

A_ <вых>– работа выхода электрона из металла, т.е. работа, которую необходимо совершить, чтобы вырвать электрон из вещества

Кинетическая энергия фотоэлектрона:

v_ – скорость фотоэлектрона;

m_ – масса электрона

Красная граница фотоэффекта

Минимальная частота, при которой возможен фотоэффект:

v_ <кр>– красная граница по частоте;

\lambda – длина волны света

Cвязь между частотой и длиной волны:

c – скорость света в вакууме

\lambda_ <кр>– красная граница по длине волны

Задерживающее напряжение

Определение: Задерживающее напряжение – это напряжение обратной полярности, при котором все электроны возвращаются назад на тот электрод, с которого были вырваны.

Это происходит, когда работа поля по возращению электронов становится равной кинетической энергии:

Подставим это выражение в уравнение Эйнштейна:

С другой стороны:

q_ <0>– заряд носителя электричества;

v – скорость дрейфа, т.е. направленного движения частиц;

S – площадь поперечного сечения проводника

При увеличении частоты скорость фотоэлектронов растет \Rightarrow растет задерживающее напряжение.

При увеличении интенсивности света растет концентрация электронов \Rightarrow растет ток насыщения.

Энергия и импульс фотона

Замечание: Фотоны не имеют массы покоя. Рождаясь, они приобретают скорость c.

Корпускулярно-волновой дуализм

Определение: Корпускулярно-волновой дуализм – это двойственность свойств элементарных частиц: они одновременно обладают свойствами частиц и волн.

Длина волны де Бройля

Длину волны можно определить для любой частицы.

Источник

Определение зависимости фототока от напряжения и светового потока

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: определение зависимости фототока от напряжения и светового потока. Определение фототока насыщения. Определение задерживающего напряжения и его зависимость от частоты света. Определение работы выхода электрона.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ.

Явление вырывания электронов из твердых и жидких веществ под действием света называется явлением внешнего фотоэффекта. Приборы, действие которых основано на использовании фотоэффекта, называются фотоэлементами.

В лабораторной работе для исследования явления фотоэффекта используется электрическая схема (рис.1) с применением фотоэлемента Ф, источника питания U и измерительных приборов: гальванометра Г и вольтметра V. При освещении фо­тоэлемента энергия фотонов света передается частицам вещества катода, в ре­зультате чего из катода вырываются электроны и создают в цепи электрический ток, который называется фототоком.

Явление фотоэффекта зависит от химической природы металла, а также от со­стояния его поверхности. Наличие загрязнения поверхности металла существенно влияет на эмиссию электронов под действием света. Поэтому катод К и анод А помещены в вакуумный стеклянный баллон.

На рис. 2 показаны кривые зависимости силы фототока I от напряжения U, со­ответствующие двум различным освещенностям катода: Е 1 и Е 2 > Е 1. Частота све­та в обоих случаях одинакова. При увеличении напряжения U между анодом и ка­тодом фототок I также увеличивается, так как все большее число электронов вы­рвавшихся из катода достигают анода. Максимальное значение тока I н, называе­мое фототоком насыщения, соответствует таким значениям напряжения U, при которых все электроны, выбиваемые из катода, достигают анода.

Фототок прекращается, когда между анодом и катодом устанавливается отри­цательное задерживающее напряжение — U 3. Существование фототока в области отрицательных напряжений от 0 до — U 3 объясняется тем, что электроны, выбитые светом из катода, обладают отличной от нуля начальной кинетической энергией. За счет этой энергии электроны могут совершать работу против сил задерживаю­щего электрического поля и достигать анода. Максимальная начальная скорость n max фотоэлектронов связана с U 3 соотношением

где е и m— заряд и масса электрона. При U £ U 3 фототок I = 0.

Опытным путем установлены следующие основные законы внешнего фотоэф­фекта:

1. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов определяется частотой света и не зависит от его интенсивности.
2. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. мини­мальная частота n 0 света, при которой еще возможен внешний фотоэффект. Вели­чина n 0 зависит от химической природы вещества и состояния его поверхности.
3. Число фотоэлектронов n, вырываемых из катода за единицу времени, про­порционально интенсивности света (фототок насыщения пропорционален энерге­тической освещенности Е катода).

В соответствии с законом сохранения энергии максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона:

где h n — энергия, приобретенная электроном в результате поглощения фотона;

А – работа, которую должен совершить электрон для выхода из металла;

n — частота монохроматического излучения;

h = 6,62*10 -34 Дж*с – постоянная Планка.

Это уравнение называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Уравнение позволяет легко объяснить все основные законы внешнего фотоэффекта для металлов. В самом деле, из (2) следует, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона зависит не от интенсивности, а от частоты света и работы выхода А. Внешний фотоэффект возможен только в том случае, если энергия фотона h n больше или, в крайнем случае, равна А. Следовательно, соответствующая красной границе фотоэффекта частота . Она зависит только от работы выхода электрона, т.е. от химической природы металла и состояния его поверхности.

Общее число электронов n, вылетающих за единицу времени, пропорционально числу фотонов , падающих за то же время на поверхность катода.

Для плоского катода, равномерно освещаемого монохроматическим светом с частотой n, , где Е – освещенность, пропорциональная интенсивности света. Таким образом, в соответствии с третьим законом фотоэффекта число фото­электронов, вылетающих из катода за единицу времени, пропорционально интен­сивности света.

Исходя из формул (1), (2) можно определить работу выхода электрона:

Фотоэффект широко используется в науке и технике для регистрации и изме­рения световых потоков, для непосредственного преобразования энергии света в энергию электрического тока, для преобразования световых сигналов в электри­ческие.

Установка (рис.3) включает в себя вакуумный фотоэлемент 1 в пластмассовом корпусе, осветитель 2, источник питания фотоэлемента 3, оптическую скамью 4, блок питания осветителя 12 (БП-I).

Вакуумный фотоэлемент 1 представляет собой стеклянный баллон, из которо­го выкачан воздух. Часть внутренней поверхности баллона покрыта слоем метал­ла, играющего роль фотокатода. В качестве анода используется металлическое кольцо или редкая сетка. При освещении катода из него, вследствие внешнего фо­тоэффекта, выбиваются электроны. В результате, под действием внешнего напря­жения, в цепи возникает электрический ток.

Пластмассовый корпус фотоэлемента имеет отверстие для вставки свето­фильтров. Вращением корпуса можно закрывать фотоэлемент от источника света.

Для выполнения лабораторной работы используются осветители двух типов. При выполнении первой части работы (определение токов насыщения) в качестве осветителя 2 применяется лампа накаливания (8 вольт) с конденсором. Освети­тель подключается к сети 220 В через блок питания 12 (БП-I). На блоке имеется ручка 13 для плавной регулировки яркости и выключатель 14. Вторая часть рабо­ты (определение задерживающего напряжения) выполняется с ультрафиолетовым осветителем «Фотон», который устанавливается вместо первого осветителя и ра­ботает непосредственно от сети 220 В.

Источник