Фотоэффект. Исследование вольтамперных характеристик фотоэлемента определение работы выхода и красной границы фотокатода определение постоянной Планка
 Скачать 5.32 Mb.
| Образовательный портал Как узнать результаты егэ Стихи про летний лагерь 3агадки для детей |
| ВНЕШНИЙ ФОТОЭФФЕКТ Оборудование: лабораторный комплекс ЛКК-1 . Цель работы: изучение законов внешнего фотоэффекта; исследование вольтамперных характеристик фотоэлемента; определение работы выхода и красной границы фотокатода; определение постоянной Планка. Теоретическое введение. Внешний фотоэффект – это испускание электронов (фотоэлектронов) с поверхности тела под действием света. Фотоэлектроны при движении во внешнем электрическом поле создают фототок. Зависимость этого фототока от напряжения на фотоэлементе нелинейна. Фототок увеличивается при увеличении напряжения лишь до определенного предельного значения  (фототока насыщения). По закону Столетова, при неизменном спектральном составе света, падающего на фотокатод, фототок насыщения пропорционален интенсивности J светового потока на катоде: .При подаче на анод фотоэлемента отрицательного напряжения фототок постепенно убывает, обращаясь в нуль при напряжении Uз, называемом запирающим. Существование фототока при отрицательных напряжениях на аноде означает, что фотоэлектроны вылетают из катода с некоторой скоростью (кинетической энергией). Максимальная начальная скорость фотоэлектронов  связана с задерживающей разностью потенциалов  соотношением   , (1)где  и  - заряд и масса электрона.Для каждого фотокатода существует красная граница внешнего фотоэффекта – максимальная длина световой волны  , при которой еще возможен фотоэффект; длина волны зависит от материала фотокатода и состояния его поверхности. Красная граница фотоэффекта связана с работой выхода электронов  соотношением , (2)где  и  - соответственно постоянная Планка и скорость света в вакууме.Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта, отображающее закон сохранения энергии, имеет вид  ,или с учетом (1)  . (3)Зависимость задерживающей разности потенциалов  от частоты  света (рис. 1) ;   есть уравнение прямой линии. Экстраполяция прямой на рис. 1 до пересечения с осью ординат определяет потенциал выхода  электронов из металла; точка пересечения прямой с осью абсцисс дает граничную частоту  фотоэффекта, а тангенс угла наклона прямой к оси частот Определяется только постоянной Планка и зарядом электрона. Рис. 1 Устройство и принцип работы. Комплекс ЛКК-1 предназначен для постановки лабораторных работ по курсу *Квантовая физика* в физическом практикуме вузов.  Рис. 2.Лабораторный комплекс ЛКК-1. Установка ЛКК-1 показана на рис.2 и рис. 3 (вид сверху). В каркасе 1 размещена измерительная система ИСК-1 (поз.3) и ящик 1.1 для хранения приспособлений. На крышке каркаса установлены основные функциональные узлы установки: монохроматор МУМ 2, блок источников света 4, входная оптика 5, выходная оптика 6, зрительная труба 7, мультиметры 11 и др. Блок источника света закрыт кожухом 4.7, на передней стенке которого установлены два мультиметра 11, используемые в качестве вольтметров и амперметров.               Рис.3 Установка ЛКК-1. Вид сверху со снятым кожухом источников света. Измерительная система ИСК-1, блок источников света и электромагнит выполнены в составе единого моноблока. На рис. 4 приведена схема установки ЛКК-1 (вид сверху). Блок источников света содержит ртутную лампу 41, водородную лампу 42, неоновую лампу 43, светодиод 44, лампу накаливания 45 и натриевую лампу 46. Все источники установлены на панели 47 и закрыты кожухом 48. Выбор нужного источника производится с помощью зеркала 51а, закрепленного на поворотной стойке 51б. Отраженное от зеркала излучение фокусируется линзой конденсором 53 на входной щели 25 монохроматора. Линза установлена в оправе с резьбой и может перемещаться в держателе 52. Положение линзы в держателе устанавливается изготовителем, после чего оправа фиксируется клеем. Рукояткой 51г зеркало 51а поворачивают вокруг вертикальной оси, а винтом 51в – вокруг горизонтальной оси, добиваясь совмещения изображения нужного источника с входной щелью монохроматора. Более точную настройку зеркала производят по наблюдениям через зрительную трубу или по значению тока фотоприемника.  Рис. 4. Схема установки ЛКК-1. В держателе 52 устанавливаются приспособления: заглушки, светофильтры, кюветы с растворами и парами, поляризатор (например, на рис. 5 показана заглушка).  Рис. 5. Монохроматор МУМ-1 имеет вход 25, сферическую дифракционную решетку 26, боковой выход 21, задний выход 23, механизм 28 поворота решетки и связанный с ним механизм 27 отсчета длины волны излучения с приводом от вала с ручкой 29. На входе и на выходах устанавливаются сменные щели шириной от 0,05 до 3,0 мм (рис. 6).  Рис. 6. Излучение, вошедшее во входную щель 25, направляется на дифракционную решетку 26 неподвижным зеркалом 24. Длина волны излучения, отраженного от решетки в направлении выхода монохроматора, зависит от ориентации решетки. Поворот решетки осуществляется вращением ручки 29. Длина волны отсчитывается по шкале 27 отсчетного устройства на передней стенке монохроматора. Шкала (рис. 7) имеет три барабана, показывающих значение длины волны в нанометрах. Правый барабан имеет дополнительную шкалу с ценой деления 0,2 нм, отсчет по которой производится по горизонтальной визирной линии. При работе в затемненном помещении снимать отсчеты помогает лупа с подсветкой (рис. 8), которая подключается к гнездам +12В/-12В на панели измерительной системы комплекса ИСК-1.  Визир  Рис. 7. Шкала монохроматора Показания  Рис. 8. Лупа с подсветкой Выбор выхода монохроматора осуществляется с помощью подвижного зеркала 22, перемещаемого штоком 21а, выведенным на боковую стенку монохроматора (под блоком выходной оптики). Если шток вытянут до упора, излучение поступает на задний выход. Этот выход используется для установки фотоприемников. Если шток вдвинут в монохроматор до упора (соответствующее положение зеркала показано пунктиром на рис. 4), излучение поступает на боковой выход. Боковой выход используется для визуального наблюдения. Излучение, сфокусированное сферической дифракционной решеткой в плоскости выходной щели 21, отражается от зеркала 62а и поступает в объектив 63, затем в зрительную трубу 71. Подстройка направления излучения осуществляется винтами 62б крепления зеркала. С помощью винтовой оправы объектив 63 устанавливается так, чтобы его фокальная плоскость совпала с изображением спектральных линий в плоскости выходной щели. Критерием настройки объектива является резкое изображение спектральной линии в зрительной трубе, установленной "на бесконечность". Настройка осуществляется изготовителем, после чего оправа фиксируется контргайкой. Зрительная труба 71 смонтирована в раздвижном цилиндрическом корпусе 71а и содержит объектив 71б, окуляр 71в, визирный крест 71г. Настройке "на бесконечность" соответствует положение визирного креста в фокальной плоскости объектива. При этом расстояние между торцом внешнего цилиндра и выступающим из него концом внутреннего цилиндра корпуса трубы (см. рис. 9) приблизительно равно 20-30 мм. Более точно это расстояние устанавливается при настройке на резкое изображение спектральных линий.  Рис.9. Корпус трубы установлен в передней стойке 72 и задней стойке 75. Поворот держателя вокруг горизонтальной и вертикальной осей осуществляется соответственно двумя винтами 72б и 72в. На задней стойке 75 установлен держатель с двухкоординатным перемещением трубы. Это перемещение вызывает небольшой поворот трубы и смещает изображение в поле зрения относительно визирного креста. Смещение отсчитывается по шкалам на головках винтов 75а 75б держателя. Таким способом удаётся получить более высокое спектральное разрешение, чем предусмотрено конструкцией монохроматора. В данной работе ИСК-1 (ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА КОМПЛЕКСА) обеспечивает: - питание источников света; -задание и измерение токов и напряжений источников света; -измерение токов фотоприемников с разрешением от  А;-создание и измерение нужных напряжений на фотоприемниках. Панель управление ИСК-1 представлена на рис. 10.  Рис.10. Панель ИСК-1. Схема подключения фотоприемников и измерительных приборов показана на рис. 11. Назначение органов управления и подключения следующее.  - разъём для подключения фотоприемников. Назначение контактов разъёма: 1- электрод фотоприемника; 2 –общий (экран кабеля, соединенный с корпусом установки) 3 - электрод фотоприемника.  Рис. 11. Схема подключения фотоприемников и измерительных приборов. В данной работе в качестве фотоприемника рассматривается фотоэлектронный умножитель ФЭУ (рис. 12), используемый как фотоэлемент (все аноды объединены). Схема ФЭУ представлена на рис. 13.  Рис. 12. Фотоэлектронный умножитель   Рис. 13. Схема фотоприемника. Контакт 3 подключен к источнику питания фотоприемника ИФП, а контакт 1 – к выходу усилителя фототока, причем усилитель удерживает потенциал  контакта 1 вблизи нулевого значения  . Напряжение, создаваемое источником питания на фотоэлементе, выведено на гнезда  . Более высокий потенциал верхнего гнезда соответствует положительному значению  . Значение определяется суммой напряжений, устанавливаемых двумя ручками на панели ИСК-1 (рис. 10). Верхняя ручка обеспечивает регулировку в пределах от 0 до +20 В, нижняя – плавную регулировку от 0 до -2 В.Выходное напряжение  усилителя выведено на гнезда  . Оно пропорционально току фотоэлемента с коэффициентом  , определяемым положением переключателя  на панели ИСК-1: ,где  - небольшое напряжение смещения, обусловленное погрешностями электроники. Более высокий потенциал верхнего гнезда соответствует показанному на рис.8 направлению тока (ток вытекает из контакта 1).Для измерения малого фототока (от 0,01 нА до 500 мкА) переключатель устанавливают в одно из положений от 0,1мкА/В до 100 мкА/В, а к гнездам подключают вольтметр с разрешением от 0,1 мВ и измеряют . Если фототок превышает допустимое для усилителя значение, загорается индикатор перегрузки  . Тогда нужно перейти на большее значение .Для измерения токов более 500 мкА переключатель устанавливают в положение  , при этом фотоэлемент подключается к гнездам напрямую, и для измерения тока к этим гнездам подключают амперметр (показано на рис. 9 пунктиром).НАСТРОЙКА УСТАНОВКИ. Управление источниками света. Органы управления объединены в группу ИСТОЧНИКИ СВЕТА (рис. 8). Для включения нужного источника следует поднять рукоятку соответствующего тумблера. Одновременное включение нескольких газоразрядных ламп (  ) заблокировано.Ручка  устанавливает ток лампы накаливания (если включен тумблер  ). На гнезда  - напряжение на лампе накаливания. На гнезда  выведено напряжение с датчика тока – резистора сопротивлением 1,00 Ом, включенного последовательно с лампой. Для измерения тока к гнездам подключают вольтметр. Одновременное включение светодиода  и лампы накаливания не заблокировано. Оно приведет к неверным показаниям измерительной системы.Проверка прохождения света через оптическую систему. Включите лампу накаливания. Ручкой установите максимальный ток. Поворачивая стойку 51б (см. рис. 4), наблюдайте перемещение светлого пятна (сфокусированного линзой-конденсором излучения лампы) по оправе входного окна 25 монохроматора. Манипулируя поворотом стойки и наклоном зеркала с помощью винта 51в, направьте излучение в центре окна монохроматора. Установите на шкале монохроматора длину волны 600 нм. Установите зрительную трубу на "бесконечность" (рис. 6). Наблюдая в окуляре трубы оранжевое свечение, подстройте зеркало 51а (рис. 3) на максимум интенсивности излучения. Поворачивая окуляр трубы, получите резкое изображение визирного креста. Поворачивая ручку 29 механизма поворота дифракционной решетки, убедитесь в изменении цвета излучения.Проверка калибровки монохроматора. Установите оправу зрительной трубы примерно посредине окна двухкоординатного держателя 75 (рис. 4). Установите на шкале монохроматора длину волны зеленой линии ртути – 546,1 нм. Установите на входе 25 монохроматора щель 1,0 мм. Включите ртутную лампу, направьте ее излучение в щель. Наблюдайте через зрительную трубу зеленое свечение. Подстройте зеркало 51а на максимальную яркость. Поворачивая окуляр трубы, получите резкое изображение визирного креста. Установите входную щель 0,05 мм. Перемещая внутренний цилиндр корпуса трубы вдоль его оси, получите резкое изображение входной щели – "спектральной линии". Еще раз подстройте зеркало 51а на максимальную яркость. Критерий настройки – различимое изображение краев щели. При этом положение трубы должно соответствовать рис. 6. Если длина выступающей части внутреннего цилиндра трубы выходит за границы указанного диапазона, требуется дополнительная настройка объективом 63 выходной оптики. ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ. Щели смонтированы в прямоугольных оправах, которые можно вставить в пазы на входе и выходах монохроматора в двух положениях, отличающихся поворотом на  . Соответствующие положения щели различны: щель расположена ближе к стороне оправы, на которой нанесена одинарная риска, и дальше от стороны, а которой нанесена двойная риска. Это сделано для подстройки фокусировки спектра в широком диапазоне длин волн. Установка настроена для положения щели "дальше от монохроматора" (одинарная риска обращена от монохроматора).Поворачивая внутренний цилиндр корпуса трубы, установите линию визирного креста параллельно спектральной линии. Поворачивая винт 75а двухкоординатного держателя, совместите линию креста со спектральной линией. Если приходится сместить трубу более, чем на один оборот винта от середины держателя, требуется дополнительная подстройка с помощью винтов 62б, поворачивающих зеркало 62а выходной оптики. ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ. Изображение спектральной линии может быть немного (до  ) отклонено от вертикали. Это не влияет на качество визуальных измерений.Не меняя положения трубы в держателе (допускается только подстройка фокусировки). Совместите с визирным крестом несколько характерных спектральных линий и сравните отсчеты по шкале монохроматора с табличными значениями длин волн.
*Линия дублета с большей длиной волны. Измерительные приборы. В установке используются мультиметры DT-830B и V838 (рис. 14) Эти приборы измеряют Напряжение, ток, сопротивление. Рис. 14.Мультиметр DT-830В.
 ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ Установите на монохроматоре: входную щель- 1,0 мм, выходные, щелина задний и боковой выходы – 3,0 мм. Включите источник света - лампу накаливания. Установите ток лампы около 1,5 А (напряжение 1,5 В на выходе «I»). Наблюдая изображение источника через зрительную трубу, сфокусируйте излучение на входной щелис помощью поворотного зеркала входной оптики. Убедитесь в изменении цвета - выходящего излучения при вращении ручки настройки монохроматора. Определите минимальную и максимальную длину волны излучения воспринимаемого визуально.   Переключите поток излучения на задний выход монохроматора. Установите фотоприемник ФЭУ на задний выход монохроматора. Подключите ФЭУ к измерительной системе ИСК-1 (вход «ФП»). Подключите мультиметры к выходам измерительной системы: к гнездам «  » - вольтметр для измерения напряжения на фотоприемнике, к гнездам « » (выход усилителя фототока) – вольтметр для измерения тока фотоприемника. Ток фотоприемника пропорционален напряжению на выходе «» с коэффициентом от 0,1 мкА/В до 100 мкА/В, указанным на шкале переключателя «мкА/В». При токах более 500 мкА переключатель устанавливают в положение «ВНЕШ» (при этом усилитель фототока отключен), а к гнездам «» подключают амперметр. Для 3-5 значений длин волн снимите зависимость  фотоприемника от напряжения на фотоприемнике: для задерживающих напряжений в пределах от 0 до -2 В с шагом 50-100 мВ, для ускоряющих напряжений от 0 до 15 В с шагом 1 В. Напряжение регулируется ручками «» грубо (0…20 В) и плавно (-2…0 В).По графику в области задерживающих напряжений определите запирающие напряжения  и постройте график  . По наклону графика определите постоянную Планка, а по точке пересечения с осью частот – красную границу фотоэффекта  и, а также работу выхода фотокатода.К - коэффициент преобразования усилителя, мкА/В UВЫХ - напряжение на выходе усилителя (гнезда «IФП») UТЕМН - напряжение на выходе усилителя при перекрытом световом потоке (используется экран-заглушка). Фототок: IФ=К(UВЫХ – UТЕМН) При увеличении задерживающего напряжения фототок выходит на некоторое практически постоянное значение I0, которое, как правило, отрицательное. Наличие «обратного» фототока обусловлено, по-видимому, фотоэффектом на аноде используемого фотоэлемента. Вблизи запирающего напряжения зависимость скорости изменения фототока от напряжения оказывается близкой к линейной. Поэтому для определения запирающего напряжения полезно построить график зависимости величины ∆IФ (приращения тока при изменении напряжения на один шаг) от напряжения и экстраполировать эту зависимость к значению ∆IФ=0. На графике значения ∆IФ привязываются к средним значениям напряжений, для которых определены разности фототоков.  перейти в каталог файлов | Образовательный портал Как узнать результаты егэ Стихи про летний лагерь 3агадки для детей |