Лабораторная работа №2. Изучение законов фотоэффекта и определение постоянной Планка

Возникновение квантовых представлений физики связано с теоретическим анализом законов теплового излучения . Моделируя изучающее тела набором гармонических осцилляторов . Планк выдвинул гипотезу, согласно, которой осциллятор обладает только дискретном набором энергии:

Е=nhv (n=0.1.2…) и в процессе взаимодействия с полем излучения может менять энергию только порциями hv

h- физическая постоянная h-6.62*10^-34 Дж*С.

Оказалось, что не только энергия, но и механические моменты атомов ,молекул, ядер элементарных частиц выражаются в единицах „h” .

Квантовая природа электромагнитного излучения четко проявлятся при вырывании электронов из вещества под действием света , это явление было названо фотоэффектом.

В 1887 году Герц заметил ,что при освещении разрядного промежутка между двумя электродами ультрафиолетовым светом напряжение значительно уменьшается . Столетов разработал методику исследования этого явления при низких напряжениях и установил ряд важных закономерностей явления фотоэлементов .Известно что под действием света . С поверхности металла удаляются отрицательные заряды. Позднее было , доказано ,что его носителем являются электроны . Основные законы фотоэффекта в их современной трактовке

1. Сила фототока насыщения при освещения катода монохроматическом светом прямо пропорционально интенсивности падающего (на фотокатод), излучения (закон Столетова)

2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света (опыты Ленарда), но являеются линейной функцией его частоты (закон Эйнштейна).

3. Для каждого вещества существует граничная частота , при которой фотоэффект еще νₒ наблюдается, но ниже которой фототок исчезает при любых интенсивностях падающего света (красная граница фотоэффекта).

Рис.2. Схема опыта для изучения явления фотоэффекта

В 1905 году А. Энштейн первый объяснил эти результаты , предложив ,что свет представляет собой поток фотонов с энергией h v. Исходя из этого преставления можно дать следующее объяснение явлению фотоэлектрического эффекта.

Поглощенный металлом фотон отдает свою энергии электрону, если его достаточно, то электрон покидает металл , так как вероятность поглощения электроном одновременно двух квантов ничтожно мала, то каждый электрон заимствует энергию одного электрона.

Поэтому число освобожденных в секунду электронов (фототок) должно быть пропорционально числу поглощенных фотонов , то есть интенсивности света.

Для элементарного акта взаимодействия фотона с электроном металла можно записать закон сохранения энергии (уравнения Эйнштейна):

(3) hv =P+mv²/2

то есть при фотоэффекте энергия фотона hv расходует на вырывание электрона из металла (работа выхода P) и придания ему дополнительный кинетической энергии. Так как работа выхода электронов из металла P величина постоянная для данного вещества, то из формулы (1) непосредственно следует второй закон фотоэффекта .

Если hv≥P , то электрон способен покинуть металл преодолев силы связи , если же hv≤P то фотоэффект отсутствует . Таким образом для каждого металла существует некоторая частота при которой еще наблюдается фотоэффект. Это частота определяется из формулы (1) при условии Vmax=0

(4) ν₀=P/h

и носит название красной граница фотоэффекта:

(3) λ₀=сh/ρ граничная длина волны .

Постоянная Планка может быть определена из уравнения Энштейна (1) при исследовании вольтамперной характеристики фотоэлемента . Указанный метод носит название метода Милликена и Лукицкого .Если записать уравнение (1) для двух различных частот ,а затем по членно вычесть ,то можно выразить постоянную Планка через кинетическую энергию фото электронов и частоты ν₁ и ν₂

h=(m(v₁² /2)- m(v₂² /2)) / (v_1- v₂) (4)

Для измерения кинетич энерги фотоэлектронов часть используют метод задерживающего потенциала состоящий в том ,что фотоэлектроны заставлят проходить отрицательную разность потенциалов

eV_зад=mv_max² / 2

Подставив (5) в (4) имеем для постоянной Планка:

h = e (V_{1 зад}- V_{2 зад}) / (ν₁ - ν₂)

Длины волн пропускания светофильтров нм.

1. 407

2. 435

3. 546

4. 570

5. 580