Ćwiczenie nr 36 :
Badanie efektu fotoelektrycznego zewnętrznego.
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest wyznaczenie stałej Plancka, oraz pracy wyjścia elektronu, przy pomocy metody sumy najmniejszych kwadratów. W doświadczeniu tym wielkościami mierzonymi były: Uh przy ustalonym λ.
| Lp. | λ [µm] | ν*1014 [Hz] | Uh [V] | Uh śr [V] | 
| 1 | 0,420 | 7,13792 | -1,149 | 
 | 
| 
 | 
 | 
 | -1,155 | -1,151 | 
| 
 | 
 | 
 | -1,148 | 
 | 
| 2 | 0,430 | 6,97192 | -1,105 | 
 | 
| 
 | 
 | 
 | -1,04 | -1,105 | 
| 
 | 
 | 
 | -1,105 | 
 | 
| 3 | 0,440 | 6,81346 | -1,052 | 
 | 
| 
 | 
 | 
 | -1,052 | -1,053 | 
| 
 | 
 | 
 | -1,056 | 
 | 
| 4 | 0,450 | 6,66205 | -1,0 | 
 | 
| 
 | 
 | 
 | -1,003 | -1,002 | 
| 
 | 
 | 
 | -1,003 | 
 | 
| 5 | 0,460 | 6,51723 | -0,953 | 
 | 
| 
 | 
 | 
 | -0,949 | -0,951 | 
| 
 | 
 | 
 | -0,950 | 
 | 
| 6 | 0,470 | 6,37856 | -0,897 | 
 | 
| 
 | 
 | 
 | -0,900 | -0,899 | 
| 
 | 
 | 
 | -0,900 | 
 | 
| 7 | 0,480 | 6,24568 | -0,848 | 
 | 
| 
 | 
 | 
 | -0,848 | -0,849 | 
| 
 | 
 | 
 | -0,851 | 
 | 
| 8 | 0,490 | 6,11821 | -0,798 | 
 | 
| 
 | 
 | 
 | -0,800 | -0,8 | 
| 
 | 
 | 
 | -0,801 | 
 | 
| 9 | 0,500 | 5,99585 | -0,752 | 
 | 
| 
 | 
 | 
 | -0,751 | -0,751 | 
| 
 | 
 | 
 | -0,751 | 
 | 
| 10 | 0,510 | 5,87828 | -0,705 | 
 | 
| 
 | 
 | 
 | -0,704 | -0,704 | 
| 
 | 
 | 
 | -0,704 | 
 | 
| 11 | 0,520 | 5,76524 | -0,665 | 
 | 
| 
 | 
 | 
 | -0,671 | -0,665 | 
| 
 | 
 | 
 | -0,659 | 
 | 
| 12 | 0,530 | 5,65646 | -0,628 | 
 | 
| 
 | 
 | 
 | -0,627 | -0,626 | 
| 
 | 
 | 
 | -0,625 | 
 | 
| 13 | 0,540 | 5,55171 | -0,583 | 
 | 
| 
 | 
 | 
 | -0,592 | -0,587 | 
| 
 | 
 | 
 | -0,587 | 
 | 
| 14 | 0,550 | 5,45077 | -0,559 | 
 | 
| 
 | 
 | 
 | -0,556 | -0,557 | 
| 
 | 
 | 
 | -0,557 | 
 | 
| 15 | 0,560 | 5,35344 | -0,523 | 
 | 
| 
 | 
 | 
 | -0,522 | -0,523 | 
| 
 | 
 | 
 | -0,522 | 
 | 
| 16 | 0,570 | 5,25952 | -0,495 | 
 | 
| 
 | 
 | 
 | -0,495 | -0,495 | 
| 
 | 
 | 
 | -0,495 | 
 | 
| 17 | 0,580 | 5,16884 | -0,469 | 
 | 
| 
 | 
 | 
 | -0,469 | -0,467 | 
| 
 | 
 | 
 | -0,465 | 
 | 
| 18 | 0,590 | 5,08123 | -0,442 | 
 | 
| 
 | 
 | 
 | -0,442 | -0,442 | 
| 
 | 
 | 
 | -0,442 | 
 | 
| 19 | 0,600 | 4,99654 | -0,419 | 
 | 
| 
 | 
 | 
 | -0,418 | -0,419 | 
| 
 | 
 | 
 | -0,419 | 
 | 
| 20 | 0,610 | 4,91463 | -0,402 | 
 | 
| 
 | 
 | 
 | -0,399 | -0,401 | 
| 
 | 
 | 
 | -0,402 | 
 | 
| 21 | 0,620 | 4,83536 | -0,386 | 
 | 
| 
 | 
 | 
 | -0,385 | -0,387 | 
| 
 | 
 | 
 | -0,389 | 
 | 
| 22 | 0,630 | 4,75861 | -0,379 | 
 | 
| 
 | 
 | 
 | -0,375 | -0,378 | 
| 
 | 
 | 
 | -0,379 | 
 | 
| 23 | 0,640 | 4,68426 | -0,369 | 
 | 
| 
 | 
 | 
 | -0,369 | -0,369 | 
| 
 | 
 | 
 | -0,369 | 
 | 
gdzie λ - długość fali świetlnej [µm]
ν*1014 - częstotliwość [Hz]
c - prędkość światła (299792458 m/s)
Uh - napięcie hamowania[V]
Uh śr -napięcie hamowania średnie [V]
Aby możliwe było skorzystanie z metody najmniejszych kwadratów należy zasadę zachowania energii dla zderzenia elektronu i fotonu sformułowaną przez Einsteina napisać w następującej postaci:
gdzie h- stała Plancka
ładunek elektronu
W-praca wyjścia elektronu
Dzięki temu zabiegowi możemy swobodnie zastosować metodę sumy najmniejszych kwadratów do obliczenia szukanych wartości. W zlinearyzowanym równaniu (Y=A+BX) rolę B-pełni (h/e), a rolę A- pełni (W/e). Po zastosowaniu metody sumy przy pomocy A i B możemy, znając elementarny ładunek elektronu wyliczyć, wyliczyć stałą Plancka i pracę wyjścia.
Metoda sumy najmniejszych kwadratów:
Współczynniki równania w postaci Y=A+BX z załączonego wykresu:
B = 3,382*10-15 ± 5,678*10-17
A = -1,266 ± 0,033
Mając dany ładunek elektronu e=1,602*10-19[C] możemy wyliczyć stałą Plancka ze wzoru : h=B*e
h=3,382*10-15*1,602*10-19=5,42*10-25[J/GHz]= 5,42*10-34[J*s]
Następnie znając e- ładunek elementarny i A- stałą wyliczoną metodą sum najmniejszych kwadratów możemy ze wzoru W=|e*A| wyliczyć pracę wyjścia elektronu.
W=1,602*10-19*1,266=2,03*10-19[C*V]= 2,03*10-19[J]
Błąd w ten sposób wyliczonych wartości wyliczamy w następujący sposób: Δh=ΔB*e, przy założeniu, że wartość ładunku elektronu nie jest obarczona błędem, zatem:
Δh=5,678*10-17*1,602*10-19=0,09*10-34[J*s]
ΔW=ΔA*e
ΔW=0,033*1,602*10-19=0,05*10-19[J]
Szukane wartości obliczane w doświadczeniu mają następującą postać:
h=(5,42±0,09)*10-34[J*s]
W=(2,03±0,05)*10-19[J]
Wnioski:
Otrzymana wartość Stałej Plancka h=(5,42±0,09)*10-34[J*s] jest nieznacznie mniejsza od wartości tablicowej h=6,6260755*10-34 [J*s] na podstawie czego można wnioskować, iż zastosowana metoda do jej otrzymania jest prawidłowa. W celu uzyskania dokładniejszych wyników pomiarów należałoby zastosować urządzenia o mniejszym błędzie systematycznym oraz zapewnić lepsze warunki do przeprowadzenia pomiarów dla bardzo czułego urządzenia jakim jest nanoamperomierz.
Poniższe tabelki przedstawiają wyniki pełnych charakterystyk prądowo - napięciowe dla:
λ=640[nm]
| Lp. | U[V] | I[mA] | 
| 1 | 0,006 | 0,25 | 
| 2 | 0,197 | 0,38 | 
| 3 | 0,402 | 0,52 | 
| 4 | 0,6 | 0,65 | 
| 5 | 0,8 | 0,77 | 
| 6 | 1,003 | 0,88 | 
| 7 | 1,5 | 1,2 | 
| 8 | 2,004 | 1,4 | 
| 9 | 2,506 | 1,58 | 
| 10 | 3,002 | 1,68 | 
| 11 | 3,998 | 1,8 | 
| 12 | 5,006 | 1,88 | 
| 13 | 6,0 | 1,94 | 
| 14 | 7,002 | 2,0 | 
| 15 | 8,0 | 2,05 | 
| 16 | 9,001 | 2,06 | 
λ=420[nm]
| Lp. | U[V] | I[mA] | 
| 1 | 0 | 1,6 | 
| 2 | 0,2 | 1,9 | 
| 3 | 0,4 | 2,3 | 
| 4 | 0,6 | 2,62 | 
| 5 | 0,8 | 3,02 | 
| 6 | 1,0 | 3,42 | 
| 7 | 1,502 | 4,3 | 
| 8 | 2,0 | 5,25 | 
| 9 | 2,5 | 6,3 | 
| 10 | 3,0 | 7,2 | 
| 11 | 4,0 | 8,7 | 
| 12 | 5,0 | 10 | 
| 13 | 6,0 | 10,05 | 
| 14 | 7,0 | 10,15 | 
| 15 | 8,0 | 10,2 | 
| 16 | 9,0 | 10,25 | 
Michał Kieryk gr. 26 zespół 9
1