POLITECHNIKA WROCŁAWSKA		Spraw. wyk.: Krzysztof Małys	Wydział Inżynierii Środowiska
LABORATORIUM Z FIZYKI Rok:2 Semestr:3
Data 28.11.1995	Temat: Badanie zewnętrznego zjawiska			Ocena:
Nr.lab. :7. Nr.ćw. :84.	fotoeflektrycznego.

I. CEL ĆWICZENIA.

1. Zapoznanie się z zewnętrznym zjawiskiem fotoelektrycznym i podstawowymi prawami rządzącymi tym zjawiskiem.

2. Zbadanie zależności natężenia prądu fotoelektrycznego od wielkości przyłożonego do fotokomórki napięcia, od natężenia oświetlenia oraz od długości fali światła padającego na katodę.

3. Wyznaczenie czerwonej granicy zjawiska fotoelektrycznego i na tej podstawie pracy wyjścia elektronu.

4. Zbadanie zależności maksymalnej energii kinetycznej fotoelektronów od częstotliwości światła i wyznaczenie na tej podstawie stałej Plancka.

II. WSTĘP TEORETYCZNY.

1. Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne.

Mianem zjawiska fotoelektrycznego określa się pewne zjawiska elektryczne występujące w ciałach stałych pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego. Do zjawisk tych należą:

- zmiana przewodnictwa elektrycznego;

- powstanie siły elektromotorycznej;

- emisja elektronów z ciała do otaczającej je przestrzeni;

Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne polega na emisji elektronów z ciała pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego.

2. Opis układu pomiarowego.

Do badania praw rządzących zjawiskiem fotoelektrycznym zewnętrznym używa się komórki fotoelektrycznej próżniowej. Komórka fotoelektryczna jest lampą dwuelektrodową. Katoda jest wykonana z materiału emitującego elektrony pod wpływem promieniowania świetlnego i dlatego często jest nazywana fotokatodą. Elektrony wybijane z katody przez strumień światła są zbierane przez anodę, która ma kształt pętli, spirali lub siatki.

3. Podstawowe wzory.

a. Praca wyjścia:

W = (h x c) / λ;

h - stała Plancka;

c - prędkość światła;

λ - czerwona granica fotoefektu.

b. Stała Plancka;

h = e

U₁, U₂ - napięcie blokujące;

v₁, v₂ - częstość światła;

e - ładunek elektronu;

III. SPIS PRZYRZĄDÓW.

1. Do części A.

- lampa oświetlająca;

- fotokomórka;

- woltomierz;

- mikroamperomierz;

- zasilacz stabilizowany;

- zasilacz lampy oświetlającej;

2. Do części B.

- zasilacz stabilizowany;

- woltomierz;

- mikroamperomierz;

- fotokomórka w obudowie;

- specol z lampą oświetlająca i stabilizatorem napięcia;

IV. WYNIKI POMIARÓW I ICH BŁĘDY.

1. Zależność natężenia prądu od natężenia oświetlenia katody.

Napięcie prądu ustawione na 100V.

Zmianę natężenie oświetlania uzyskamy za pomocą odsuwania źródła oświetlenia od katody.

Odległość źródła oświetlenia od katody r [cm]	Natężenie fotoprądu I [μA]	Błąd pomiaru natężenia fotoprądu [μA]
20	10.00	±0.25
25	6.50	±0.25
30	4.00	±0.25
35	3.00	±0.25
40	2.00	±0.25
45	1.50	±0.25
50	1.25	±0.25
55	1.00	±0.25
60	1.00	±0.25
65	0.75	±0.25
70	0.75	±0.25
75	0.50	±0.25
80	0.50	±0.25
85	0.50	±0.25
90	0.50	±0.25
95	0.50	±0.25
100	0.25	±0.25

Wykres przedstawiający zależność natężenia prądu od natężenia oświetlenia katody

I = f( 1/r² )

2. Zależność natężenia prądu fotoelektrycznego od napięcia przyspieszającego.

Napięcie [V]	Natężenie [μA]	Błąd odczytu napięcia [μA]
10	3.00	±0.25
20	5.00	±0.25
30	5.50	±0.25
40	5.75	±0.25
41	5.75	±0.25
42	6.00	±0.25
43	6.25	±0.25
44	6.25	±0.25
45	6.25	±0.25
48	6.25	±0.25
49	6.25	±0.25
50	6.25	±0.25

Wykres przedstawiający zależność natężenia prądu od przyłożonego napięcia.

3. Wyznaczanie czerwonej granicy zjawiska fotoefektu i pracy wyjścia.

Wartość prądu ciemnego przy napięciu 67 V wynosi 0.54 nA.

Długość fali [nm]	Natężenie prądu [nA]	Błąd pomiaru długości [nm]
400	780	1
410	960	1
420	1080	1
430	1200	1
440	1320	1
450	1380	1
460	1500	1
470	1560	1
480	1560	1
490	1680	1
500	1740	1
510	1740	1
520	1680	1
530	1500	1
540	1320	1
550	1140	1
560	960	1
570	760	1
580	640	1
590	420	1

600	192	1
610	82	1
620	38	1
630	18.6	1
640	10.8	1
650	6.2	1
660	4.2	1
670	3.4	1
680	3.2	1
690	3.4	1
700	4	1

Wykres przedstawiający zależność natężenia prądu w zależności od długości fali przy stałym napięciu.

Odczytanie czerwonej granicy z wykresu jest niemożliwe gdyż pomiary przeprowadzona dla zbyt małego zakresu długości fal. Do obliczenia pracy wyjścia posłużę się czerwoną granią dla fotokatody tlenowo-cezowej, dla której wynosi ona 1100 nm.

Praca wyjścia:

W = (h x c) / λ;

h - stała Plancka;

c - prędkość światła;

λ - czerwona granica fotoefektu.

W = (h x c) / λ =

( 6.6262 x 10^-34 J s x 2.9979 x 10⁸ m/s) / 1.1 x 10^-6 m =1.8 x 10^-19 J ≈ 1.12 eV

Praca wyjścia elektronu

1.8 x 10^-19 J ≈ 1.12 eV

4. Wyznaczenie stałej Plancka.

a. pomiary natężenia w zależności od napięcia dla fali 550 nm.

Napięcie [V]	Natężenie [nA]	Błąd odczytu pomiaru natężenia [nA]
0.10	17.68	±0.01
0.20	6.46	±0.01
0.30	3.46	±0.01
0.40	1.24	±0.01
0.50	0.30	±0.01
0.65	0.00	±0.01

U₂ = 0.65 V

- Wyznaczanie częstotliwości v₂;

v₂ = c / λ;

v₂ = 2.9979 x 10⁸ m/s / 0.55 x 10^-6 m

v₂ = 5.4 x 10¹⁴ Hz

b. pomiary natężenia w zależności od napięcia dla fali 600 nm.

Napięcie [V]	Natężenie [nA]	Błąd odczytu pomiaru natężenia [nA]
0.1	3.51	±0.01
0.2	1.76	±0.01
0.3	0.52	±0.01
0.4	0.11	±0.01
0.5	0.00	±0.01

U₁= 0.5V

- Wyznaczanie częstotliwości v₁

v₁= c / λ;

v₁= 2.9979 x 10⁸ m/s / 0.6 x 10^-6 m

v₁ = 5.0 x 10¹⁴ Hz

c. Wyznaczanie stałej Plancka

h = e

U₁, U₂ - napięcie blokujące;

v₁, v₂ - częstotliwość światła;

e - ładunek elektronu;

U2	U1	v2	v1	e
0.65 V	0.5 V	5.4 x 10^14Hz	5.0 x 10^14 Hz	1.6022 x 10^-19 C

h = e= 1.6022 x 10^-19 x =

6.0 x 10^-34 Js

Δh/h = (ΔU₂ + ΔU₁)/ U₂ - U₁ = 0.02/0.15 = 0.13 x 100% = 13%

Wartość stałej Plancka	Błąd bezwzględny	Błąd względny
6.00 x 10^-34Js	0.80 x 10^-34 Js	13%

Δh = 0.13 x 6.0 x 10^-34 Js = 0.80 x 10^-34 Js

V. WNIOSKI I DYSKUSJA WYNIKÓW.

1. Zależność natężenia prądu od natężenia oświetlenia katody.

Zależność natężenia prądu od natężenia oświetlenia katody jest liniowa, wraz ze wzrostem natężenia oświetlenia wzrasta natężenie fotoprądu. Bardzo dobrze ilustruje ten związek wykres funkcji f(1/r²) = I.

2. Zależność natężenia prądu fotoelektrycznego od napięcia przyspieszającego.

Zależność natężenia prądu fotoelektrycznego od napięcia przyspieszającego nie jest liniowa, wraz ze wzrostem napięcia przyspieszającego obserwujemy początkowo wzrost natężenia fotoprądu, w miarę zwiększania napięcia przyspieszającego obserwujemy wystąpienie prądu nasycenia tzn. takiego natężenia prądu, które nie zwiększy się mimo dalszego zwiększania napięcia.

3. Wyznaczanie czerwonej granicy zjawiska fotoefektu i pracy wyjścia.

Odczytanie czerwonej granicy z wykresu jest niemożliwe gdyż pomiary przeprowadzono dla zbyt małego zakresu długości fal, aby wyznaczyć czerwoną granicę fotoprądu należałoby przeprowadzić do długości 1200 nm. Do obliczenia pracy wyjścia posłużyłem się czerwoną granią dla fotokatody tlenowo-cezowej, dla której wynosi ona 1100 nm. Obliczona praca wyjścia jest wielkością charakterystyczną dla danego materiału, z którego wykonana jest fotokatoda. Przy wyznaczaniu pracy wyjścia nie wyznaczyłem żadnego błędu jaki popełnimy wyznaczają tę wielkość gdyż wszystkie dane były zaczerpnięte z literatury.

4. Wyznaczenie stałej Plancka.

Wartość wyznaczonej stałej Plancka odbiega od wartości literaturowej spowodowano to jest przez to, że nie dysponowaliśmy odpowiednio dokładnym miernikiem natężenia prądu. W związku z tym bardzo trudno było uchwycić moment, w którym wystąpiło napięcie

7

---