A tanulmány a törvények a külső fotoelektromos hatás, a kvantumfizika

2.1. A cél
Gyakorlati megismerése a törvények a külső PhotoEffect; kísérleti meghatározása a kilépési munkát az antimon-cézium fotokatódnál és Planck-állandó.

A tanulmány a fotoelektromos hatás törvényei fizikai tudomány vezetett a koncepció fénykvantumokra és kiemelkedő szerepet játszott a korszerű ötleteket természet.

2.2.2. vákuum fénysorompó
Ez az egyik leggyakoribb használó eszköz külső fotoelektromos hatás. Ez egy evakuált üvegbura, egy része a belső felülete, amely fémmel bevont, és a katód K. fémgyűrű szolgál anódként (lásd. Ábra. 2. 1).

Elektromos áramkör látható. 2. 1 nyitva van; áram ez csak akkor jelenik meg, ha a katód kerül szakadt (például fény) elektronok, amely majd eléri az anód. Teljesítmény fotoáram számától függ az emittált elektronok a katód, a kezdeti sebesség, és a potenciális különbség a katód és az anód. A függőség erő a fotoáram az anód feszültség (állandó megvilágítás a katód) nevezik az áram-feszültség karakterisztika (IV jellemző) a fénysorompó (lásd. Ábra. 2. 2).

2.2.3. Törvények, a fotoelektromos hatás
Még nulla anód feszültség U néhány fotoelektronok eléri az anód, úgyhogy ≠ 0, ha U = 0. A növekvő U anód elérni egyre több elektronok, és a teljesítmény fokozatosan növeljük fényáram. Végül egy bizonyos feszültség (úgynevezett telítési feszültség UH) minden fotoelektronokat eléri az anód, és tovább növelik a feszültséget nem növeli az áramerősség. Értéket ért el fotoáram erő úgynevezett telítési áram IN. A értéke a telítési áram lehet megítélni az elektronok száma n. által kibocsátott a katód egységnyi idő:

Ha az anód feszültség negatív, akkor lassú fotoelektronokat, és a jelenlegi csökken.

Egy bizonyos értéket a feszültség U = UZ <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 - kezdeti kinetikus energia a leggyorsabb fotoelektronok hagyva a katód ilyen körülmények között).

Ábra. 2. ábra A 2. ábra néhány CVC ugyanazon fénysorompó kapott besugárzás hatására bekövetkező monokromatikus fény a katód egy és ugyanazon a frekvencián ω, de a különböző intenzitásokat (a) vagy azonos intenzitással I, de a különböző frekvenciákon (b).

Kísérletileg a következő minták vannak beállítva PhotoEffect [1].

1. Egy fix frekvencia, a fényerősség telítettség fotoáram (és fotoelektronok száma adja ki a katód időegységenként) egyenesen arányos a fény intenzitását).

2. A nagysága a zárófeszültség (és a maximális sebessége a fotoelektronok) frekvenciája határozza meg a fény, és nem függ annak intenzitását.

3. Minden anyag, ott van a vörös szélén a fotoelektromos hatás, azaz a Minimális fény frekvenciája ω0, amelynél a fotoelektromos hatás is lehetséges.

2.2.4. Elmulasztása a klasszikus ötletek
Mire a felfedezés a fotoelektromos hatás általában egyetértett a hullám elmélet a fény származó, a Fresnel kísérletek Jung és Arago a diffrakciós és interferencia a fény. Maxwell egyenletek vélelmezett az elektromágneses hullámok létezését, amelynek tulajdonságai (kísérletileg tanulmányozták Hertz) bizonyult azonos a tulajdonságait a fény, valamint infravörös és ultraibolya sugárzás. hullámhosszú fényt mértük (0,4-0,7 mikron).

A fogalmak a fény, mint elektromágneses hullám sikeresen magyarázható (mennyiségi és minőségi), a gondolkodási minták, fénytörés, a fény polarizációját. Természetes volt, hogy a vágy, hogy ismertesse az ugyanabban a helyzetben, és a fotoelektromos hatás.

Fémek különbözik a más anyagok által nagyszámú „szabad” elektronok (nem társított bármely atom) vezetőképesség. Ésszerű azt feltételezni, hogy ezek az elektronok a menekülés és az elektromos mező a fény (elektromágneses) hullám. Ezután az első ilyen törvények 2.2.3 fotoelektromos magyarázható egyszerű: minél nagyobb az amplitúdó a fény hullám, annál több elektron szakad ki a fém felületén.

Találunk továbbá függését a sebesség és a kinetikus energia által megszerzett egy elektront a fény hullám paramétereket. Integrálni ezt mozgásegyenletek a „szabad” elektronvezetőképességgel a váltakozó elektromos mező a hullám:

ahol E - amplitúdó, ω = 2πν - körfrekvencia fény. megkapjuk

Mivel a fény intenzitása határozza meg a tér amplitúdója az elektromos vektor E, azt lehet mondani, hogy a maximális kezdeti kinetikus energia a fotoelektron: először is, egyenesen arányos a fényintenzitás; Másodszor, fordítottan arányos a tér a gyakorisága a fény.

Azonban mindkét előrejelzések nem erősítette meg észrevételeit!

Még ha feltételezzük, hogy a fény tépi a fém nem a vezetési elektronok, és az elektronok kapcsolódó atomokkal quasielastic erők, a megoldás a mozgást az elektron adna rezonáns függést Ekmax a ω (éles csúcs ω = ω0 - gyakorisága sajátrezgéseinek elektronok atomok) és még mindig az arányosság méz fény intenzitása és Ekmax.
Így a klasszikus ábrázolás egyértelműen nem tudja megmagyarázni az összes megfigyelt törvényszerűségek, a fotoelektromos hatás!

2.2.5. A kvantum törvények értelmezésének a fotoelektromos hatás

1905-ben, Einstein azt mutatta, hogy a mintákat az emissziós és abszorpciós fény könnyen magyarázható, feltételezve, hogy a fényenergia a kibocsátott és felszívódik diszkrét adagokban (QUANTA); ahol a mennyisége fénykvantumok energia egyenesen arányos a frekvencia: ε = hv (úgynevezett együttható h Planck állandó).

Összhangban kvantumelmélettel (lásd. Például [2], [3]) az elektron energia a szilárd is kap diszkrét értékkészlet. Ezek az értékek (teljesítmény szintek) vannak csoportosítva sávok, megengedett vagy tiltott zónák elválasztott zónákat.

Energia sáv, az elektronok csak részben van kitöltve, ez az úgynevezett vezetési sávban; területeken alatta fekvő tele vannak minden szinten.

Vannak a vezetési sávban elektronok könnyen mozog a magasabb energia szinten ez a terület, más szóval -, hogy növelje a kinetikus energia (gyorsul) a külső hatásoktól. A legmagasabb az energiaszintek által elfoglalt elektronok T = 0 K, az úgynevezett Fermi szintet.

Normális körülmények között, az összes az elektronok a fém van egy negatív értéket az összes energia; zéró energia szinten elfogadott energia elektron nyugalmi kívül a fém. A minimális szükséges munka egy elektront távolítanak el egy fém a vákuumot az úgynevezett A0 munkateljesítmény. Sőt, a munka kimenet - az az energia, amit meg kell fordított, hogy húzza ki egy fém (T = 0 K), egy elektron, amelynek a Fermi energia, és mozog a felület (helyett mélység) fém. Ha ki akarja nyitni más elektron több energiára van szükségük! A kilépési munka is lehet értelmezni, mint a mélység a potenciális is, amelyekben az elektronok a fém. Ez határozza meg a kémiai az anyag jellegétől, és kisebb mértékben - a feltételeket, amelyek az található, például hőmérséklet.

Ha az energia az egyes foton (a foton) kisebb, mint a kilépési munka, az elektronok, amelyek továbbítják az energia nem lesz képes elhagyni a fém. A minimális gyakorisága a fényt, amely okozhat még a fotoelektromos hatás viszonya határozza meg:

és ez az úgynevezett fotoelektromos küszöböt. (Itt a „vörös” szinonimája a „hosszú hullámú” vagy „alacsony frekvenciájú” piros szegéllyel eshet az ultraibolya tartományban a spektrum!)

Tehát, ha a fém felületén van megvilágítva fényt egy frekvencia ν> ν0. A maximális kinetikus energia, amely lehet fotoelektronokat eltökélt arányából

az úgynevezett Einstein egyenletet a fotoelektromos hatás.

Összhangban az Einstein-egyenlet és általános képletű (2,2) zárófeszültségét kell függenie lineárisan a jelentése:

Ez a kimenet (az egyik az előrejelzések a kvantumelmélet) kifogástalan egyetértésben kísérletet. Továbbá mérésével értéke zárófeszültségét több hullámhosszú fényt, tudjuk használni (2.8), hogy megtalálják a munka függvényében fotokatódnál anyagi és Planck-állandó.

2.3. Leírás A laboratóriumi beállítás
A laboratóriumi körülmények között, ábrán látható. 2.3, mint használt fényforrás DRSh higanygőzlámpa, bocsát ki egy vonalat spektrumot. (Hullámhossz színképvonalakat higany jól ismertek, és sorolja fel az asztalra, ami szükségtelenné teszi a mérésére.)

A sugárzás a monokromátor higanylámpával van allokálva keskeny gerendák a monokromatikus fény, amelyek váltakozva irányul fénysorompó antimon-cézium-katód.

A villamos áramkörét a fotocella ábrán látható. 2.4. Használata DC SP szerelt az alapja a monokromátor, és egy két pólusú kapcsoló S F az anódon fénysorompó hozhat létre mind pozitív (gyorsítás mező), és a negatív potenciál (retardáló mező). A feszültség a katód és az anód beállítjuk potenciométer R; A feszültség mérésére szolgál voltmérőt V. Az áramerősség az áramkörben mérjük egy fotocella ampermérő A.

2.4. A módszertan a kísérlet és az eredmények elemzését
2.4.1. kísérleti eljárás
2.4.1.1. A mért és számított értékek

Annak megállapításához, a fotoelektromos küszöb és Planck állandó mért értéket a kikapcsolási feszültsége a több fényes spektrális vonalak, mozgó bíborból sárga-zöld régióban a spektrum. Ezekre a vonalakra eltávolítjuk az áram-feszültség jellemzőit a feszültségtartomány 0-3 V.

A mérések végén ábrázoltuk UZ (ν); az ütemezésnek megfelelően által meghatározott értékei H és ν0. Számított érték λ0 (nm) és A0 (J. eV).

2.4.1.2. A sötét áram a fénysorompó és a pontosság
A valós fénysorompó még nulla megvilágítás katód folyik néhány (nagyon kicsi) sötétárama IT. részben elektronemisszió érdekében a katód, és részben a különbség a kilépési munka a katód és az anód, és a részben egyszerűen szivárgási áram kapcsai között a fotocella.

Amikor a potenciális különbség a katód és az anód közelében UZ. Az áram az anód áramkör ugyanabban a sorrendben, mint a sötét folyó. Értéke azonban a sötét áram függ sok tényezőtől és eltérhetnek elvben a kísérlet során.

A fentiekből nyilvánvaló, hogy a módszer kísérleti meghatározása UZ mint feszültség, amelynél a kimenő áram a fotocella egyenlő nullával (vagy akár előre mért érték IT) nem teljesen megbízható. Ahhoz, hogy több megbízható eredményt UZ kell növelni (abszolút érték) negatív feszültséget az anód, amíg megáll csökkentett anódáram fénysorompó.

Pozitív értékekkel az anód feszültség, a sötét folyó jelentéktelen része a teljes áram. Ezért, amikor eltávolítja az áram-feszültség karakterisztika az U> 0, a sötétebb áramfelvételét.

2.4.2. Az, hogy a teljesítmény
2.4.2.1. Az első lépések

1. Készítsünk egy ampermérőt dolgozni az utasításoknak megfelelően.
2. Kapcsolja be a higany lámpa 1 megnyomásával kapcsoló „ON” és a „LAMP DRSh” a tápegység (ha a lámpa nem gyullad ki, nyomja meg a fekete gombot)
3. Ha megfelelően van konfigurálva, a higanygőz lámpa fényt kell középpontjában a központban 2 kupak, zárás a lencse monokromátor. Ha nem, akkor mozog a fény folt közepén a fedél 2, fordult a 8 csavart a lencsén.
4. Vegyük le a fedőt a lencse 2 monokromátoron. zárfogantyúnak 4 kell állítani „OPEN” helyzetbe.
5. 3 Mikrovinotom szélességének beállításához a belépő rés 0,15 mm.

2.4.2.2. Mérési zárófeszültségét

1. Átnéz a szemlencsén monokromátor, a dob forgása 5 align fényes lila vonal (λ = 404,7 nm) egy mutatót (sötét nyíl spektrumában háttér). Ha szükséges, állítsa be az élességet a szem gyűrű forgása.
2. Cserélje a szemlencse fej 7 a fejét egy fénysorompó 6.
3. 3 mikrocsavarokkal szélességének beállításához a belépő rés 2 mm.
4. Handle „SET 0” kiadási árammérő nyila közepén a skála.
5. Kapcsoljuk fénysorompó tápegység polaritás beállítása „-”.
6. Forgassuk a potenciométert R, hogy növelje az anód feszültséget, amíg az ampermérőn tűt megáll.
7. Jegyezzük fel a feszültség, amelynél a kéz leállítjuk (zárófeszültség) a 2.2 táblázatban.
8. Végezze el a mérést 9-12 még kétszer.
9. A markolat „SET 0” meg a árammérő nyíl a nulla részlege.

2.4.2.3. Eltávolítása az áram-feszültség jellemzőit

1. polaritás kapcsoló tápegység állítva a „+”.
2. R potenciométer beállítása anódfeszültsége 0.
3. Mérjük az erejét a fotoáram a gyorsító feszültség 0-3 V-0,6 V rögzíteni azt táblázatban 2.3.

Figyelem! Mérések 3. bekezdés tennivaló is kék (λ = 435,6 nm) és a kék (481,6 nm), a spektrális vonalak higany.

Ha a mért értékek:

Kár, hogy van ez a dolog véget ért.

Tedd már neki rendes fizika!)))) A Andreeva 4 pár naponta!))))
De csak neki!