Sprawozdanie z ćwiczenia C-2/C-13

Kaczmarek Mariusz Kulicki Piotr	zespół 9
Elektryczny	ocena z przygotowania :
Poniedziałek godz. 8^15-11^0 0	ocena ze sprawozdania :
1994.05.29	zaliczenie
Prowadzący

BADANIE EFEKTU FOTOELEKTRYCZNEGO ZEWNĘTRZNEGO.

FALOWE WŁAŚCIWOŚCI MIKROCZĄSTEK.

SPRAWDZENIE HIPOTEZY DE BROGLIE'A.

1. Cel ćwiczenia:

W doświadczeniu naszym badać będziemy zjawisko fotoelektryczne. Należy zatem zapoznać się z jego teorią. Do jego zrozumienia nie odłączne będzie zaznajomienie się z hipotezą de Broglie'a, a co za tym idzie należy zrozumieć podstawe badanego zjawiska, czyli tzw. dualizm korpuskularny - falowy, który dotycz zarówno dwoistości natury fal jak i cząstek. Badać zatem będziemy korpuskularny charakter fal elektromagnetycznych, jak i falowy charakter cząstek. W opracowaniu wyników należy policzyć stałą Plancka, prace wyjścia dla metalu oraz ich błędy (metodą najmniejszych kwadratów). Należy wykreślić charakterystki zależności prądu fotokomórki od napięcia na fotokomórce I=f(U), oraz zależności potencjału hamowania od częstotliwości padającego światła U=f(ν).

2.Podstawy fizyczne:

Efekt fotoelektryczny - jest jednym ze sposobów oddziaływania fali elektromagnetycznej (w szczególności światła) z matarią. Polega ono na tym, że padająca na metal (ale także również gazy i ciecze) wiązka fali elektromagnetycznej wybija z niego elektrony. Musi być jednak zachowany warunek, że padające na metal fotony (zwane kwantami (porcjami) energii fali elektromagnetycznej) muszą mieć energię równą co najmniej pracy wyjścia elektronu z metalu, by móc przekazać elektronowi dostateczną ilość energii potrzebną do opuszczenia metalu. Jak wiemy energia fotonu zależy od częstotliwości fali (E=h*ν, gdzie h jest stałą Plancka). A zatem fakt zaistnienia zjawiska elektrycznego zależy jedynie od rodzaju badanego metalu oraz od częstotliwości fali elektromagnetycznej, nie zależy natomiast od natężenia fali (które jest jedynie miarą ilości fotonów). Częstotliwość powyżej której zachodzi efekt fotoelektryczny nazywamy częstotliwoścą progową. Teoria ta nie daje się zatem wytłumaczyć na gruncie fizyki klasycznej, wymaga zastosowania fizyki kwantowej wobec której cząstka o nazwie foton jest porcją energii fali elektromagnetycznej.

Hipoteza de Broglie'a - jest to hipoteza jaką wysunął w roku 1924 L. de Broglie, w której stwierdził, że dwoistą naturę, korpuskularną i falową, ma nie tylko promieniowanie, lecz również poruszające się cząstki elementarne i mikrocząstki. Właściwości korpuskularne dla fali obrazują takie zjawiska jak: zjawisko fotoelektryczne, zjawisko Comptona, tworzenie się par elektron-pozyton. Właściwości falowe dla cząstki obrazują takie zjawiska jak: dyfrakcja, interferencja itp..

Aby zaobserwować zjawisko interferencji musimy dysponować siatką dyfrakcyjną o stałej nie różniącej się od długości fali padającej. Jako fale padającą możemy przyjąć strumień rozpędzonych elektronów. Aby cząstki mogły przejść przez bardzo cienką warstwe materię muszą posiadać dostatecznie dużą energię, a co zatym idzie fala musi mieć dużą częstotliwość. Wiąże się to zatem z bardzo małą stałą siatki dyfrakcyjnej. Dla tego typu doświadczenia niezbędny jest kryształ, który możemy przyjąć ze względu na spełniającą nasze wymagania siatkę krystaliczną. Przechodzący przez tą siatkę strumień elektronów ulega załamaniu i interferencji.

3.Opis układu pomiarowego:

Efekt fotoelektryczny:

Może on zostać zbadane przy wykorzystaniu fotokomórki, czyli bańki szklanej próżniowej z dwoma elektrodami. Jedna jest cienką warstwą metalu (fotokatoda), a druga ma kształt pierścienia zdrutu (anoda) i ma za zadanie zbierać emitowane z fotokatody elektrony. W obwodzie z fotokomórką znajduje się również mikroamperomierz, woltomierz i regulowane żródło prądu stałego.

Jeżeli fotokomórki nie oświetlamy światłem to prąd w obwodzie nie płynie. Jeśli natomiast oświetlimy wiązką o określonej długości fali to przy zerowym napięciu popłynie prąd. Jeżeli przyłożymy na elektrodach potencjał przeciwny przepływowi elektronów to przy odpowiedniej jego wartości (napięcie hamowania U_h) zaobserwujemy zanik prądu w obwodzie. Wiąże to się z tym, że wyemitowane elektrony nie posiadają energii dostatecznie dużej do pokonania przeciwnie skierowanego pola elektrycznego o odpowiedniej energii (E_max=e*U_h). A zatem energia przekazana przez foton (h*ν) elektronowi, wystarczająca by dotrzeć do anody, musi spełniać warunek:

h*ν ≥ W + E_max

gdzie : W - praca wyjścia

W doświadczeniu zwiększamy (dla poszczególnych długości fal) napięcie przeciwne dla znalezienia wartości napięcia hamowania. Następnie dla dodatnich wartości napięcia na fotokomórce badamy zależność I=f(U). Dla jednej długości fali zbadać zależność prądu od intensywności oświetlenia.

Hipoteza de Broglie'a:

W tej części ćwiczenia badamy zależności ugięcia fali elektronów po przejściu przez kryształ od ich energii, a co zatym idzie długości wiązki ich fali.

Elektrony są emitowane przez katode lampy oscyloskopowe, poczym przyłożone pole elektrostatyczne nadaje im przyspieszenie. Po przejściu przez kryształ wiązka ulega załamaniu, poczym jej promienie ulegają wzmocnieniu jeżeli różnica długości ich dróg jest równa całkowitej wielokrotności długości fali.

W wyniku tego na ekranie luminescencyjnym obserwujemy okręgi interferencyjne. Średnice tych okręgów zależą od energii elektronów, a co za tym idzie od wartości napięcia przyspieszającego. Zależność ta opisana jest wzorem:

gdzie: m - masa elektronu

e - ładunek elementarny

r - odległość kryształu od ekrany

h - stała Plancka

U - napięcie przyspieszające

d - odległość między płaszczyznami kryształu

D - średnica okręgu

Jak zatem widzimy, wzór pozwala policzyć nam odległości płaszczyzn krystalicznych.

Pomiary średnic dokonujemy dla różnych wartości napięcia U.

4.Tabelka pomiarowa:

5.Wykresy:

6.Wnioski:

Jak zatem wynika z przeprowadzonych pomiarów i wykreślonych charakterystyk, fale i materia posiadają dwoistość swojej natury.

A zatem mają naturę zarówno korpuskularną jak i falową.

Obserwując zjawisko fotolektryczne zewnętrzne (wewnętrzne zachodzi np. w półprzewodnikach) doszliśmy do wniosku, że pod wpływem oświetlania fotokomórki światłem o odpowiedniej długości w obwodzie popłynie prąd elektryczny. Przy zerowym napięciu dla różnych długości fal (różne energię fotonów) płyną różne prądy zerowe. Przy większej intensywności światła prąd anodowy wzrasta. Podobnie się dzieje, jezeli na fotokomórkę przykładamy coraz to większe napięcie dodatnie. Jednakże dla pewnej wartości napięcia prąd ulega nasyceniu.

W przypadku badania wiązki elektronowej przechodzącej przez kryształ, nasuwa się wniosek, że przy większych energiach elektronów (większe napięcie), średnice pojawiających się okręgów są mniejsze

(a zatem mniejszy kąt ugięcia). Widoczny na ekranie dowolny okrąg, na całej swej długości, w każdym miejscu świeci jednakowo intensywnie, co świadczy o statystycznym charakterze praw rządzących zachowaniem się cząstek.

---