Меню

Как построить график зависимости задерживающего напряжения от частоты

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 Uн сила фототока перестает зависеть от напряжения.

Максимальное значение силы тока Iн называется током насыщения. Сила тока насыщения \(I_H = \dfrac >\), где qmах — 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 Uз (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 Uз, можно найти максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов.

На рисунке 3, а приведены графики зависимости Iф(U) для различных световых потоков, падающих на фотокатод при постоянной частоте света. На рисунке 3, б приведены графики зависимости Iф(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: Iф

Как следует из графиков на рисунке 3, б, величина задерживающего напряжения увеличивается с увеличением частоты падающего света. При уменьшении частоты падающего света Uз уменьшается, и при некоторой частоте ν) задерживающее напряжение Uз0 = 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.
Читайте также:  Схема постоянного напряжения накала

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].

Img fotoeffect-007.jpg

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



Читайте также:  Как построить топографическую диаграмму напряжений для трехфазной цепи

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.

AtomnayaFizika Fotoeffekt

AtomnayaFizika VoltAmpernayaXarakteristika

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

AtomnayaFizika KrasnayaGranica

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

Графические задачи по теме «Фотоэффект»

Данное занятие можно провести при повторении, закреплении, обобщении темы, при подготовке к ЕГЭ. В зависимости от условий учебного учреждения можно провести мультимедийный урок или распечатать задания для каждого учащегося. Часть задач можно выполнить с применением компьютера. Перед выполнением заданий следует повторить теорию фотоэффекта и графики линейной и обратной зависимостей.

рис.1

1. На рисунке показан график зависимости запирающего напряжения Uз от частоты ν облучающего света для двух разных материалов фотокатода. Обоснуйте линейность этой зависимости.

• Какой физический смысл имеют точки пересечения графиков с осью абсцисс? • Какой физический смысл точек пересечения продолжения графиков с осью ординат? • Какой из фотокатодов имеет бóльшую работу выхода? • Почему угол наклона графиков одинаков? (Ответ. tgα = h/e.) • Как будет выглядеть график зависимости Uз от длины волны λ? Постройте его для двух значений Авых. (Ответ. формула1)

рис.2

График – гипербола, смещённая по оси абсцисс вниз (рис. 2).

2. Для изучения фотоэффекта на литии (Авых = 2,5 эВ) в качестве источника ультрафиолетового излучения используется ртутная лампа. С помощью светофильтров из её спектра можно выделять излучения определённых длин волн. По приведённым в таблице значениям длин волн рассчитайте соответствующее запирающее напряжение и частоту падающего света, а также постройте график зависимости напряжения запирания от частоты падающего света, Uз(ν) (1 петагерц = 1 ПГц = 10 15 Гц. – Ред.)

Ответ. ν, ПГц: 1,183; 0,958; 0,819; 0,688; 0,520;

• Используя график, определите постоянную Планка и сравните её значение с табличным. • Постройте график зависимости запирающего напряжения от длины волны падающего света Uз (λ).

рис.3

3. Фотоэлемент освещают светом определённой частоты и интенсивности. На рис. 3 представлен график зависимости силы фототока фотоэлемента от приложенного к нему напряжения. В случае увеличения частоты без изменения интенсивности падающего света график изменится. На каком из приведённых на рис. 4, а–г графиков правильно отражено изменение данного графика? (Первоначальный график показан пунктиром.)

рис.4

Ответ. Называем верным ответ А. Интенсивность падающего света (J) определяется отношением суммарной энергии падающих фотонов к интервалу времени и площади поверхности, на которую они падают. С ростом частоты фотонов постоянная интенсивность излучения означает уменьшение числа фотонов. Поэтому, если квантовый выход (отношение числа фотоэлектронов к числу падающих фотонов за один и тот же интервал времени) считать постоянным, то с увеличением n падает Iнас. Но известно, что квантовый выход зависит и от свойств материала фотокатода, и от частоты ν . Так что давать такие задачи в школе не стоит. – Ред.

4. Фотоэлемент освещают светом определённой частоты и интенсивности. На рис. 3 представлен график зависимости фототока от приложенного к фотоэлементу напряжения. В случае увеличения интенсивности падающего света график изменится. На каком из графиков рис. 4, а–г правильно отмечено изменение данного графика? (Первоначальный график показан пунктиром.)

Читайте также:  Средневыпрямленного значения переменного напряжения

5. На рис. 4, б изображены две вольт-амперные характеристики одного и того же элемента. Сравните частоты, световые потоки, максимальные кинетические энергии фотоэлектронов, соответствующие этим характеристикам.

рис.5

6. Снимаются вольт-амперные характеристики вакуумного фотоэлемента (рис. 5). Максимальному числу фотонов, падающих на фотокатод за единицу времени, соответствует характеристика:

А) 1; Б) 2; В) 3; Г) 4; Д) Не зависит от числа фотонов.

рис.6

7. Металлическую пластинку освещают лазером, частота излучения которого 480 ТГц. Зависимость формы импульса от времени показана на рис. 6. Фотоэффект наблюдается в обоих случаях. Когда максимальная скорость фотоэлектронов больше?

В) в обоих случаях скорость одинаковая;

Г) Для ответа нужно знать работу выхода.

8. Четырёх учеников попросили нарисовать общий вид графика зависимости максимальной энергии Ек электронов, вылетевших из пластины в результате фотоэффекта, от интенсивности падающего света. Какой из приведённых на рис. 7, а–г графиков выполнен правильно?

рис.7

9. Какой из графиков на рис. 8, а–г соответствует зависимости максимальной скорости фотоэлектронов от энергии падающих на вещество фотонов?

рис.8

10. Какой из графиков на рис. 9, а–г соответствует зависимости максимальной кинетической энергии фотоэлектронов от частоты падающего света?

рис.9

11. Постройте график зависимости кинетической энергии фотоэлектронов от частоты света для натрия. Работа выхода 2,35 эВ.

рис.10

12. Покажите график зависимости максимальной энергии фотоэлектронов от энергии падающих фотонов для фотокатодов с разной работой выхода.

13. На каком из графиков на рис. 11, а–г верно изображена вольт-амперная характеристика при постоянной освещённости?

рис.11

рис.12

14. Были проведены три эксперимента по измерению фототока от приложенного напряжения между фотокатодом и анодом (рис. 12). В этих экспериментах металлическая пластинка фотокатода освещалась монохроматическим светом одной и той же частоты. На каком из рис. 13, а–г правильно отражены результаты этих экспериментов?

рис.13

рис.1415. Два фотокатода освещаются одним и тем же источником света. При этом зависимость фототока от напряжения между катодом и анодом (вольт-амперная характеристика) для одного катода изображена кривой 1, для другого – кривой 2 (рис. 14).

У какого фотокатода больше работа выхода? Ответ обоснуйте.

рис.1516. На графике (рис. 15) приведена зависимость фототока от приложенного обратного напряжения при освещении металлической пластины (фотокатода) электромагнитным излучением с энергией фотонов 4 эВ. Чему равна работа выхода из этого металла?

А) 1,5 эВ; Б) 2,5 эВ;

В) 3,5 эВ; Г) 5,5 эВ.

рис.1617. Фотоэлектроны, вылетающие из металлической пластины, тормозятся электрическим полем. Пластина освещена, энергия фотонов 3,2 эВ. На рис. 16 приведён график зависимости фототока от запирающего напряжения. Определите работу выхода электронов.

А) 1,2 эВ; Б) 2 эВ;

В) 3,2 эВ; Г) 4,4 эВ.

рис.17

18. C освещаемого фотокатода вылетают фотоэлектроны (работа выхода 2,5 эВ). На рис. 17 представлен график зависимости силы фототока от напряжения задерживающего поля. Определите энергию фотонов, налетающих на катод.

В) 2,5 эВ; Г) 3 эВ; Д) 3,5 эВ.

рис.18

19. На рис. 18 приведён график зависимости максимальной кинетической энергии Ек от частоты ν фотонов, падающих на поверхность тела. Какова энергия фотона частотой ν1 и работа выхода электрона с поверхности тела?

А) 1,5 эВ; 2 эВ; Б) 2 эВ; 3,5 эВ;

В) 2 эВ; 1,5 эВ; Г) 3,5 эВ; 2 эВ.

  1. Рымкевич А.П. Задачник по физике. 10–11 классы. – М.: Дрофа, 2005.
  2. Степанова Г.Н. Сборник задач по физике. 10–11 классы. – М.: Просвещение, 2003.
  3. Турчина И.В. и др. 3800 задач для школьников и поступающих в вузы. – М.: Дрофа, 2000.
  4. Орлов В.А., Ханнанов Н.К. ЕГЭ, контрольные измерительные материалы-2002. – М.: Просвещение, 2003.
  5. Гладышева Н.К. и др. Тесты. Физика-10–11. – М.: Дрофа, 2003.

Источник

Adblock
detector