BADANIE EFEKTU FOTOELEKTRYCZNEGO ZEWNĘTRZNEGO.
Podstawy fizyczne ćwiczenia
Korpuskularno-falowe własności światła.
Światło ma naturę dwoistą tzn. w pewnych warunkach zachowuje się jak korpuskuła czyli cząsteczka, a w innych ma własności falowe. Własności falowe możemy obserwować przeprowadzając doświadczenia takie jak dyfrakcja światła czy interferencja. De Broglie stwierdził że ruch fotonów i takich cząstek elementarnych jak: elektrony, protony czy neutrony w pewnych warunkach musi być opisywany jako ruch fali. Cząsteczce można przypisać energię E=hν oraz pęd p.= = = . Czyli pęd (własność charakterystyczną dla cząsteczek) można określić poprzez własności falowe p= . W doświadczeniu de Broglie'a przepuszczamy strumień rozpędzonych elektronów przez cienkie warstwy substancji krystalicznej i obserwujemy rozszczepienie na kilka promieni, podobnie jak światło, ulega dyfrakcji
W innych warunkach światło zachowuje się jak korpuskuła, co potwierdza zjawisko Comptona oraz efekt fotoelektryczny.
Efekt Comptona to zderzenie fotonu ze swobodnymi elektronami. Foton w skutek tego zderzenia zyskuje energię kinetyczną, równocześnie powstaje nowy foton o energii mniejszej od energii fotonu padającego. Zderzenie to przebiega zgodnie z prawem zachowania pędu i energii.
Zjawisko fotoelektryczne zostało wyjaśnione dzięki wprowadzeniu pojęcia kwantów energii
i polega na emitowaniu elektronów przez powierzchnie metalu na którą pada promieniowanie świetlne. Zjawisko nie pojawia się gdy częstość drgań padającego światła jest mniejsza niż ν0
Dla wyrwania elektronów z powierzchni metalu konieczne jest dostarczenie pewnej energii zwanej pracą wyjścia W=hν0. Poniżej ν0= nie występuje efekt fotoelektryczny. Dla każdej substancji istnieje najmniejsza częstość światła ν0 , dla której jest jeszcze możliwy normalne zjawisko fotoelektryczne.
Wykonanie ćwiczenia :
W naszym doświadczeniu badanie efektu fotoelektrycznego opiera się na wykorzystaniu
fotokomórki będącej szklaną bańką próżniową z dwoma elektrodami. Jedną z elektrod
jest fotokatoda, drugą zaś jest zbierająca anoda w kształcie pierścienia
Eksperyment :
.
Po włączeniu układu wkładamy między źródło światła a fotokomórkę jeden z filtrów interferencyjnych, regulujemy położenie zera w amperomierzu i ustawiamy zerowe napięcie na fotokomórce, a następnie włączamy źródło światła. Zwiększamy ujemne napięcie między anodą a fotokatodą, aż do uzyskania zerowego natężenia prądu i odczytujemy potencjał hamowania przy którym to nastąpiło .
Wyniki przedstawia tabela:
λ[nm] |
ν |
U1[V] |
U2[V] |
U3[V] |
U[V] |
449 |
6,6*EXP(14) |
1,07 |
1,03 |
1,14 |
1,06 |
572 |
5,2*EXP(14) |
0,58 |
0,49 |
0,54 |
0,52 |
590 |
5,1*EXP(14) |
0,36 |
0,38 |
0,38 |
0,37 |
630 |
4,6*EXP(14) |
0,64 |
0,56 |
0,7 |
0,63 |
768 |
3,9*EXP(14) |
1,6 |
1,59 |
1,6 |
1,6 |
Zależność średniego napięcia hamowania od częstotliwości światła przedstawia wykres nr1.
Teoria A. Einsteina przewiduje liniowy związek pomiędzy potencjałem hamowania a częstotliwością padającego światła co w naszym przypadku nie jest zgodne z doświadczeniem. Zależność ta jest paraboliczna w związku z czym nie da się prawidłowo wyznaczyć współczynnika nachylenia prostej. Ponieważ trzykrotnie odczytywano napięcie hamowania aby wykluczyć błędy grube możemy podejrzewać pomyłkę w długości fali zapisanej na filtrze interferencyjnym.
(Prawdopodobnie, przy prawidłowym zaznaczeniu długości fali na filtrze interferencyjnym, tabelka przedstawiona powyżej przyjęła by postać:
Dł.fali [nm] |
Częstotliwość |
Vh |
449 |
6,6*EXP(14) |
1,6 |
572 |
5,2*EXP(14) |
1,06 |
590 |
5,1*EXP(14) |
0,63 |
630 |
4,6*EXP(14) |
0,52 |
768 |
3,9*EXP(14) |
0,37 |
Aby wyznaczyć stałą Plancka korzystam, z metody najmniejszych kwadratów.
Prostą ta miała być opisana zależnością, podaną we wstępie teoretycznym :
Vh = v -
gdzie e jest ładunkiem elementarnym, a W pracą wyjścia. Z zależności tej można wyznaczyć stałą Plancka poprzez przyrównanie wielkości h/e do obliczonego współczynnika kierunkowego.
Widoczna na wykresie powyżej prosta ma równanie: y= 4,7376E-15x - 1,5726
Współczynnik kierunkowy prostej a = 4,7376E-15
Znając współczynnik a obliczyliśmy stałą Plancka (h) ze wzoru h=a*e gdzie e - ładunek elektronu
h= ( 7,59 ± 1,41) E-34[J*s] Wartość tablicowa h=6,626E-34[J*s]
Znając współczynnik b = -1,5726 obliczyliśmy pracę wyjścia ze wzoru W=b*e
W= (2,519 ± 0,722 )E-19 [eV])
Następnie przeprowadzono charakterystykę prądowo-napięciową dla dwóch różnych długości fali (449nm i 768nm), którą przedstawiono na wykresach nr 2,3 dołączonych do sprawozdania.
449nm |
|
|
768nm |
|
Uh[v] |
I[nA] |
|
Uh[v] |
I[nA] |
-1,13 |
0 |
|
-1,6 |
0 |
-1,03 |
0,01 |
|
-1,3 |
0,01 |
-0,93 |
0,02 |
|
-1,1 |
0,015 |
-0,83 |
0,03 |
|
-1 |
0,016 |
-0,73 |
0,04 |
|
-0,8 |
0,018 |
-0,63 |
0,05 |
|
-0,6 |
0,019 |
-0,53 |
0,07 |
|
-0,4 |
0,0195 |
-0,43 |
0,09 |
|
-0,2 |
0,02 |
-0,33 |
0,12 |
|
0 |
0,08 |
-0,23 |
0,15 |
|
0,2 |
0,18 |
-0,13 |
0,2 |
|
0,4 |
1,2 |
-0,03 |
0,24 |
|
0,5 |
1,9 |
0 |
0,26 |
|
0,6 |
2,5 |
0,03 |
0,3 |
|
0,7 |
3 |
0,23 |
0,36 |
|
0,8 |
3,8 |
0,43 |
0,56 |
|
0,9 |
4,5 |
0,53 |
0,69 |
|
1 |
5,2 |
0,63 |
0,84 |
|
1,1 |
5,8 |
0,73 |
1 |
|
1,2 |
6,8 |
0,83 |
1,1 |
|
1,3 |
7,2 |
0,93 |
1,3 |
|
1,4 |
7,8 |
1,03 |
1,5 |
|
1,5 |
8,4 |
1,13 |
1,65 |
|
1,6 |
8,8 |
1,23 |
1,81 |
|
|
|
1,33 |
2 |
|
|
|
1,43 |
2,2 |
|
|
|
1,53 |
2,3 |
|
|
|
Wnioski
Wyniki doświadczenia potwierdziły słuszność hipotezy de Broglie'a i wykazały, iż badane obiekty cechuje dualizm korpuskularno - falowy, czyli dwoistość natury. Stała Plancka wyznaczona przy pomocy wzoru Einsteina równa jest, w granicy błędu wartości tablicowej, jest to jednak tylko poglądowy sposób wyznaczania tej stałej, gdyż rzeczywiste wartości odczytane przez obserwatorów nie spełniały teorii Einsteina . Niezgodność ta wynika z niedopatrzenia badaczy i błędnego odczytania długości fal światła przepuszczanego przez filtr interferencyjny, lub też niewłaściwego odczytu potencjału hamowania, co jednak jest mało prawdopodobne gdyż pomiary były wykonywane trzykrotnie.
Justyna Frydrychewicz
Sprawozdanie z ćwiczenia C2
5