Обработка результатов измерений
ПРОВЕРКА ОСНОВНОГО ЗАКОНА
ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА С ПОМОЩЬЮ ПОЛЯРИЗАЦИОННОГО ЗАТВОРА
Цель работы:1) Установить количественное соотношение величины фототока насыщения и значениями интенсивности света, проходящего через систему анализатор – поляризатор при различных углах между их плоскостями поляризации.
2) Опытным путем проверить выполнение основного закона внешнего фотоэффекта (закона Столетова).
Приборы и принадлежности: Фотоэлемент (Ф), источник света (Л), оптическая скамья, микроамперметр, вольтметр, источник постоянного тока, соединительные провода.
Введение
Внешний фотоэффект - это явление испускания электронов с поверхности отрицательно заряженного проводника под действием света. Впервые это явление наблюдал в 1887 г. Г.Герц, при изучении искрового разряда между двумя разноименно заряженными металлическими шариками.
При этом он установил, что разряд происходит значительно интенсивнее, если один из шариков освещать ультрафиолетовыми лучами. Последующие измерения удельного заряда частиц вылетающих из металла под действием излучения, позволили установить, что эти частицы являются электронами.
Хотя вырывание электронов под действием излучения наблюдается практически для всех веществ, именно внешний фотоэффект связывают с их вырыванием с поверхности металлов. Удерживаемым внутри металла некоторым энергетическим барьером вблизи его поверхности электронам легче преодолевать этот барьер при подключении к металлу внешнего отрицательного потенциала. По этому для получения фотоэффекта, свет следует направлять на катод, т.е. на отрицательно заряженный электрод.
Детальное экспериментальное исследование закономерностей внешнего фотоэффекта для металлов было выполнено в 1888 г. А.Г.Столетовым на установке с фотоэлементом, схема которой приведена на рис. 1.
Фотоэлемент в виде вакуумной двухэлектродной лампы имеет металлический катод К, который при освещении его через кварцевое окошко видимым светом или ультрафиолетовым излучением испускает электроны. Вылетевшие из катода фотоэлектроны, достигая анода А, обеспечивают протекание в цепи электрического тока, называемого фототоком. Сила фототока I измеряется гальванометром или миллиамперметром. Схема подключения источника позволяет изменять, как величину напряжения так и полярность напряжения, подаваемого на фотоэлемент.
График зависимости функции I = f(u) называется вольтамперной характеристикой фотоэлемента.
Качественный вид вольтамперной характеристики фотоэлемента, представлен на рис. 2.
Положительное напряжение подаваемое на анод (А), соответствует ускоряющему электрическому полю, в которое попадают вылетающие из катода электроны.
В области положительных напряжений все испускаемые катодом электроны движутся от катода к аноду с ускорениями пропорциональными U, вследствие чего скорость их увеличивается, а число электронов, попадающих за единицу времени на анод быстро растет, что сопровождается ростом фото тока i. При достижении некоторого, различного для разных фотоэлементов, напряжения скорость электронов становится такой, что все электроны, испущенные с поверхности катода за единицу времени успевают долететь до анода и рост фототока прекращается. Предельное значение фототока называется фототоком насыщения iнас. (Рис 2.) этим значениям фототока насыщения соответствуют предельные значения кинетической энергии электронов Е1, Е2.
Небольшой спад фототока при малых положительных напряжениях, который наблюдается в опытах, связан с контактной разностью потенциалов между катодом и анодом. При отрицательном напряжении U < 0 испущенный катодом электрон попадает в тормозящее электрическое поле, преодолеть которое он может лишь имея определенный запас кинетической энергии.
Электрон с малой кинетической энергией, вылетев из катода, не может преодолеть тормозящее поле и попасть на анод. Такой электрон возвращается на катод, не давая вклада в фототок. Поэтому, плавный спад фототока в области отрицательных напряжений указывает на то, что вылетающие из катода фотоэлектроны так же имеют разные значения кинетической энергии.
При некотором отрицательном напряжении, величину которого UЗ называют задерживающим напряжением (потенциалом), фототок становится равным нулю. Соответствующее тормозящее электрическое поле при этом задерживает все вылетающие из катода электроны, включая электроны с максимальной кинетической энергией Em.
Ток, сила которого не изменяется при увеличении напряжения, как отмечен выше, называется фототоком насыщения, Сила фототока насыщения iнас = n·е (где n – число электронов вылетевших из катода за 1 секунду, е – заряд электрона). При изменении интенсивности света I, попадающего на поверхность катода фотоэлемента, сила фототока насыщения iнас изменяется прямо пропорционально интенсивности света.
iнас = кI [1]
(где коэффициент пропорциональности к зависит от природы катода, площади освещаемой поверхности. геометрических размеров фотоэлемента и направленности светового потока).
В этом состоит основной закон внешнего фотоэффекта, установленный Столетовым.
Самим Столетовым этот закон сформулирован так: при постоянной частоте падающего на катод света число фотоэлектронов n, вырванных из катода за единицу времени, пропорционально интенсивности света т.е. сила фототока насыщения пропорциональна энергетической освещенности Е катода.
Поскольку согласно закону фотометрии
(где r - расстояние между источником света и катодом,
– угол падения света на поверхность катода).
при постоянных значениях r и освещенность Е пропорциональна интенсивности света I, что и отражено равенством [1]
Изменение интенсивности света можно добиться различными способами: изменением яркости лампочки путем изменения питающего напряжения, перемещением рейтера с лампочкой (Л) т.е. изменением расстояния между источником света и фотоэлементом (Ф).
В данной работе, эксперимент выполняется на установке схема которой представлена на рис. 3. Изменение интенсивности света предлагается делать путем пропускания света через поляризатор (2) закрывающий окошечко в кожухе с источником света и анализатор (3) закрывающий окошечко в кожухе с фотоэлементом. Интенсивность света I падающего на катод фотоэлемента (Ф) в этом случае зависит от взаимного расположения плоскостей поляризации поляризатора (Рис. 3,2) и анализатора (Рис. 3,3). На рисунке (4) изображена векторная диаграмма соответствующая данному случаю. Направление РР соответствует плоскости поляризации света прошедшего поляризатор, а направление АА - плоскости поляризации света прошедшего через анализатор.
Согласно электромагнитной теории интенсивность света I ~ Е2 (где Е – напряженность электрического поля световой волны прошедшего через анализатор). Как видно из рис. 4 между направлениями АА и РР образуется угол , тогда Е будет определяться из соотношения:
E = Е0cos .
Это выражение возводим в квадрат E2 = Е20cos .
откуда получим I = I0cos2 . [2]
где: I0 - интенсивность света, прошедшего через поляризатор.
I - интенсивность света, прошедшего через аналзатор.
- угол между плоскостями колебаний вектора 
в поляризаторе и анализаторе.
В этом состоит Закон Малюса об изменении интенсивности света, проходящего через оптическую систему поляризатор – анализатор, при различных углах между их плоскостями поляризации.
Вращая анализатор относительно оси совпадающей с направлением распространения световой волны, можно добиться изменения интенсивности света I от максимального значения до минимума, т.е. изменяя угол можно получить различные значения интенсивности света I попадающего на катод фотоэлемента. Строя вольтамперные характеристики соответствующие различным значениям Ii (при = 00, = 300, = 450, = 600, = 900, получим набор значений iнас,i (рис 5).
Взяв попарно отношения этих величин и квадратов косинусов углов :
…
и сопоставив насколько совпадают левые и правые части этих равенств, можно сделать вывод о том как выполняется основной закона фотоэффекта (закон Столетова) и закон Малюса.
Порядок выполнения работы
1. Установите рейтер с осветителем на оптическую скамью и зафиксируйте его положение винтом.
2. Установите рейтер с фотоэлементом на оптическую скамью на расстоянии 20 см. от осветителя и закрепите его положение винтом.
3. Таким же образом установите на оптическую скамью рейтеры с поляризатором и анализатором, размещая их между первыми двумя рейтерами.
4. Подключите амперметр последовательно с фотоэлементом, вольтметр параллельно фотоэлементу.
5. Подключите осветитель к источнику питания и включите его.
6. Подключите фотоэлемент к источнику постоянного тока и включите его в электрическую сеть. Проследите, чтобы катод фотоэлемента был соединен с клеммой «-»
7. Установите на угловом лимбе рукоятку поворота анализатора в положение = 0.
8. Изменяя напряжение в пределах указанных в таблице. Измерьте значения силы фототока i и запишите их в таблицу № 1.
9. Повторите измерения пунктов 7, 8 для других значений углов указанных в таблице. Заполните таблицу № 1.
10. Постройте в одной координатной сетка пять графиков характеризующих изменение фототока при различных углах и по ним определите значение фототока насыщения iнас = ().
Примечание: при дефиците времени ток насыщения можно непосредственно брать из таблицы. За величину тока насыщения берется из таблицы, значение после которого не происходит дальнейшее изменение фототока.
Таблица № 1.
| № п/п | = 0о | = 30о | = 45о | = 60о | = 90о | ||||||
| U,В | i | iнас | i | iнас | i | iнас | i | iнас | i | iнас | |
| … | … | ||||||||||
Обработка результатов измерений
Для наглядного представления справедливости закона Столетова постройте график зависимости между значениями тока насыщения, измеренного при различных углах скрещивания поляризатора и анализатора и значениями квадратов косинусов этих углов.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. В чем состоит явление внешнего фотоэффекта?
2. Как устроен вакуумный фотоэлемент?
3. Что называется вольтамперной характеристикой фотоэлемента?
4. Что называется фототоком насыщения?
5. Сформулируйте основной закон внешнего фотоэффекта (закон Столетова).
6. Как изменяется интенсивность поляризованного света при прохождении его через систему поляризатор-анализатор?
7. Сформулируйте закон Малюса.
ЛИТЕРАТУРА
- Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики.-М, Высшая школа, 2000, 718 с.
- Трофимова Т.К. Курс физики. М., Высшая школа, 2000, 512 с.
СОДЕРЖАНИЕ