1. Opis ćwiczenia.

1. opis teoretyczny:

Zjawisko wyzwalania elektronów z ciał pod wpływem padającego na nie promieniowania elektromagnetycznego światła widzialnego, podczerwonego(nadfioletowego) dzielimy na trzy rodzaje:

-zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne(powierzchniowe)

-zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne(objętościowe)

-zjawisko fotowoltaiczne (fotoelektromotoryczne)

A. Einstein wyjaśnił mechanizm zjawiska fotoelektrycznego założył on (za Planckiem), że światło ma budowę ziarnisto - kwantową a energia jednego kwanta wynosi hν- gdzie h- jest stałą Plancka () a ν- częstotliwością drgań fali elektromagnetycznej padającej na dany metal. W myśl tych założeń strumień promieniowania składa się z pojedynczych kwantów posiadających określoną energię. Energia kwantu promieniowania czyli fotonu, padającego na powierzchnię metalu jest oddana całkowicie jednemu z elektronów metalu(przy czym kwant przestaje istnieć). Wymiana energii między elektronem a fotonem odbywa się w czasie około

Energia fotonu przekazana elektronowi może ulec podziałowi na pracę wyjścia i energię kinetyczną elektronu lub tylko na pracę wyjścia. Warunek wymiany energii możemy zapisać w postaci:

W- praca wyjścia

Praca wyjścia W nazywa się minimalną pracą konieczną do wyrzucenia elektronu o energii odpowiadającej energii na poziomie Feriniego z ciała stałego do otaczającej to ciało próżni. Podstawiając za pracę gdzie :

e - jest to ładunek elektronu

- jest różnicą potencjałów przez jaką musi przejść elektron przy wychodzeniu na zewnątrz

W granicznym przypadku gdy cała energia pochłoniętego fotonu zostaje zużyta na pokonanie bariery potencjału a prędkość fotoelektronów jest równa 0,to:

, gdzie:

- graniczna częstość (przy której elektrony opuszczają powierzchnię metalu z prędkością 0) albo progowa częstotliwość promieniowania padającego

Prawa zjawiska fotoelektrycznego można wyrazić na gruncie teorii kwantów w sposób następujący:

Prawo I

Ze wzrostem padającej energii promienistej (przy ustalonej długości fali promieniowania elektromagnetycznego) to jest ze zwiększeniem gęstości strumienia kwantów zwiększa się liczba elektronów wychodzących w jednostce czasu z jednej powierzchni oświetlanego ciała, lecz nie zmienia się ich prędkość(Vmax).

Prawo II

Prędkość początkowa(Vmax) wychodzących na zewnątrz fotoelektronów jest tym większa, im krótsza jest padająca fala światła, tj. im większa jest energia kwantów promieniowania.

Pierwszą fotokomórkę skonstruowali Elster i Geitel, którzy w 1890 roku opisali typy fotokomórek szklanych zawierających substancje fotoelektryczne w postaci warstw metali alkaicznych, ich stopów lub amalgamatów umieszczonych w bańkach szklanych.

2. przebieg ćwiczenia:

Na ławie optycznej umieszczona jest fotokomórka w osłonie metalowej, szczelnie osłonięta przed światłem rozproszonym, z wyjątkiem okienka. Na drugim końcu ławy umieszczone jest źródło światła o dużej wydajności. Żarówka umieszczona jest w osłonie, w której znajduje się otwór, ma to na celu uzyskanie, w przybliżeniu, punktowego źródła światła.

rys. Schemat układu pomiarowego.

- wyznaczanie charakterystyki prądowo - napięciowej.

Zmieniając napięcie przyłożone do fotokomórki w przedziale od 10 do 100 V, odczytywano wielkość foto prądu z mikroamperomierza i napięcie z woltomierza. Pomiary wykonano trzy razy dla odległości :

18 cm , 15 cm , 10 cm .

Wyniki zamieszczono w tabeli, a odpowiednie charakterystyki na wykresie.

- wyznaczanie charakterystyki świetlnej

Przy ustalonej wartości napięcia na elektrodach fotokomórki ( 60 V, 80 V, 100 V ) przeprowadzono trzy pomiary zależności natężenia foto prądu w komórce od jej odległości od źródła światła. W tym celu ustawiono żarówkę 8 cm od fotokomórki i stopniowo zwiększano odległość aż do takiego położenia, przy którym nie zaobserwowano zmian przepływu prądu w obwodzie.

Wyniki zamieszczono w tabeli, a odpowiednie charakterystyki na wykresie.

2. Tabele pomiarów.

1. wyznaczanie charakterystyki prądowo-napięciowej:

2. wyznaczanie charakterystyki świetlnej:

3. Charakterystyki.

a) Dla wykresu I = f ( U ) : ΔU = ± 0,75 [V] ; ΔI = ± 0,38 [μA] ;

b) Dla wykresu I = f( d ) : ΔI = ± 0,38 [μA] ; Δd = ± 0,3 [cm] ;

4. Obliczenia i dyskusja błędów.

1. błąd bezwzględny woltomierza:

K = 0.5; Z = 150 [V]; Ldz =75; 1dz = 2[V]

2. błąd bezwzględny amperomierza :

K = 0.5; Z = 75 [μA]; Ldz = 75; 1dz = 1 [μA]

3. błąd pomiaru odległości :

Δd = 0,3 cm

5. Wnioski.

Z otrzymanych charakterystyk wynika, że oprócz błędów bezwzględnych duży wpływ na dokładność pomiarów ma czułość układu i niedoskonałość odczytu wskazań. Stąd też prawdopodobnie wynikają odchylenia krzywych. Na błąd pomiaru wpłynęły także : niepunktowość źródła światła, wahania napięcia zasilającego żarówkę oraz przyłożonego do elektrod fotokomórki.

W przypadku charakterystyki prądowo - napięciowej równanie krzywej aproksymującej określa daną zależność jedynie dla zbadanego zakresu napięć. Jest to krzywa wykładnicza (dążąca do nieskończoności),natomiast rzeczywista charakterystyka dąży do prądu nasycenia

Inas = nmax ⋅ e , gdzie nmax - maksymalna liczba elektronów, które mogą opuścić katodę w ciągu sekundy, e - ładunek elektronu. Większe odchylenie pomiaru dla d=10 cm wynika prawdopodobnie ze zwiększonej czułości układu przy małej odległości.

Jak wynika z charakterystyk foto prąd wzrasta wraz ze wzrostem napięcia a maleje wraz ze wzrostem odległości od źródła światła.

---