0x01 graphic

1. Cel wiczenia.

zapoznanie si z zewntrznym zjawiskiem fotoelektrycznym i podstawowymi prawami rzdzcymi tym zjawiskiem.
zbadanie zalenoci natenia prdu fotoelektrycznego od wielkoci przyoonego do fotokomórki napicia, od natenia owietlenia oraz dugoci fali wiata padajcego na katod.
wyznaczenie czerwonej granicy zjawiska fotoelektrycznego i na tej podstawie pracy wyjcia

elektronu.

zbadanie zalenoci maksymalnej energii kinetycznej fotoelektronów od czstotliwoci wiata i na tej podstawie wyznaczenie staej Plancka.

2. Wiadomoci teoretyczne.
Podstawowym elementem podczas dowiadczenia jest komórka fotoelektryczna. Komórka fotoelektryczna jest lamp dwuelektrodow. Katoda jest wykonana z materiau emitujcego elektrony pod wpywem promieniowania wietlnego i dlatego czsto nazywana jest fotokatod. Fotokatoda najczciej jest warstw fotoczu nanoszon bezporednio na wewntrzn stron baki szklanej stanowic obudow dla elementów fotokomórki. Baka szklana posiada okienko kwarcowe, umoliwiajce wnikanie do wntrza lampy promieni. Elektrony wybijane z katody przez strumie wiata s zbierane przez anod, która ma ksztat ptli, spirali lub siatki. Aby umoliwi fotoelektronom swobodny przepyw do anody, wntrze baki oprónia si z powietrza.
Jeeli wystpuje zjawisko emisji fotoelektronowej (dla wiata o jakiej dugoci fali i pewnej powierzchni materiau, z którego wykonana jest fotokatoda), to warto natenia prdu pyncego przez fotokomórk zaley do natenia owietlenia fotokatody, od dugoci fali wiata oraz od napicia pomidzy katod a anod.
Liczb wyrzucanych elektronów z fotokatody w jednostce czasu moemy zwikszy lub zmniejszy, wzmacniajc lub osabiajc natenie owietlenia. Przy staym napiciu przypieszajcym nastpuje wzrost natenia fotoprdu, gdy zwikszy si natenie owietlenia powierzchni katody. Zaleno pomidzy i=f(E) jest cile liniowa.
Liczba przyjtych elektronów przez anod zaley od wartoci napicia przypieszajcego. Gdy jest za niskie to nie wszystkie elektrony wyemitowane przez katod w jednostce czasu, zostan odprowadzone do anody, w tym samym przedziale czasowym. Natomiast gdy wszystkie elektrony s przyjmowane przez anod, to dalsze zwikszanie wartoci napicia przypieszajcego nie spowoduje wzrostu natenia fotoprdu.
Ostatnim parametrem od którego zaley warto natenia fotoprdu jest czstotliwo wiata padajcego na katod. Jeeli wartoci natenia wiata, a take napicia gwarantujcego prd nasycenia s wartociami staymi to zmiana dugoci fali powoduje bardzo znaczne zmiany natenia prdu fotoelektrycznego.
Elementarny i jednoczenie podstawowym aktem w zjawisku fotoelektrycznym jest absorpcja fotonu przez elektron. Elektron zyskuje ca energi fotonu, która jest bardzo dua, jak dla elektronu. Jeli elektron o nadmiarowej energii znajduje si na powierzchni metalu, moe opuci metal kosztem energii zwanej prac wyjcia W, potrzebnej na przezwycienie pewnych si powierzchniowych. Tak wic maksymalna energia kinetyczna, z jak fotoelektron moe opuci metal opisuje wzór
_max = h"-W
W wiczeniu mamy wyznaczy take sta Plancka, któr opisuje zaleno
3. Ukad pomiarowy.
W tym wiczeniu mielimy dwa ukady pomiarowe ukad pomiarowy do wyznaczenia charakterystyki fotokomórki i ukad pomiarowy do wyznaczenia czerwonej granicy zjawiska fotoelektrycznego oraz pracy wyjcia elektronów z powierzchni metalu.
Zestaw przyrzdów do wyznaczenia charakterystyki fotokomórki:

fotokomórka;
zasilacz stabilizowany do fotokomórki IZS-5/11;
lampa owietlajca;
mikroamperomierz i woltomierz prdu staego typ LM-3 kl.0,5;
zasilacz lampy owietlajcej.

Zestaw przyrzdów do wyznaczenia czerwonej granicy zjawiska fotoelektrycznego:

fotokomórka;
zasilacz stabilizowany do fotokomórki IZS-5/11;
spektrofotometr SPEKOL ze stabilizatorem napicia;
mikroamperomierz prdu staego V616 kl.2,5;
woltomierz LM-3.

4. Tabele pomiarowe i przykadowe obliczenia przy wyznaczeniu charakterystyki fotokomórki.
4.1 Zaleno natenia fotoprdu od natenia owietlenia.

odlego				napicie		prd
Dr=0,001 [m]				U_zakres=150 [V]		I_zakres=15 [mA]
r [m]	r [%]	1/r² [1/m²]	1/r² [%]	U_x [V]	U_x [%]	I_x [mA]	I_x [%]
0,20	0,50	25,00	1,00			2.00	3,75
0,25	0,40	16,00	0,80			1,15	6,52
0,30	0,33	11,11	0,67			0,75	10,00
0,35	0,29	8,16	0,57			0,60	12,50
0,40	0,25	6,25	0,50			0,50	15,00
0,45	0,22	4,94	0,44	102	0,74	0,35	21,43
0,50	0,20	4,00	0,40			0,25	30,00
0,60	0,17	2,78	0,33			0,20	37,50
0,70	0,14	2,04	0,29			0,10	75,00
0,80	0,13	1,56	0,25			0,05	150,00
0,90	0,11	1,23	0,22			0,05	150,00

I=f(1/r²)
4.2 Zaleno wartoci fotoprdu od napicia przypieszajcego.
dla r=200 [mm]

U_x [V]	U_x [%]	I_x [A]	I_x [%]	I_x [A]	I_x [%]	I_red [A]
		zwikszajc U_x		zmniejszajc U_x
10,2	0,74	1,05	7,14	1,05	7,14	1,05
20,5	0,73	1,25	6,00	1,55	4,84	1,40
31,0	1,21	1,38	5,45	1,75	4,29	1,56
40,5	0,93	1,45	5,17	1,75	4,29	1,60
50,5	0,74	1,50	5,00	1,75	4,29	1,63
60,5	0,62	1,63	4,62	1,75	4,29	1,69
70,5	0,53	1,75	4,29	1,75	4,29	1,75
81,0	0,93	1,75	4,29	1,75	4,29	1,75
90,0	0,83	1,75	4,29	1,75	4,29	1,75
102,0	0,74	1,88	4,00	1,75	4,29	1,81
112,0	0,67	1,88	4,00	1,88	4,00	1,88
122,0	0,61	1,88	4,00	1,88	4,00	1,88
118,0	0,64	1,88	4,00	1,88	4,00	1,88
	0,77		4,79		4,49		Wart. red

I=f(U)
dla r=400 [mm]

U_x [V]	U_x [%]	I_x [A]	I_x [%]	I_x [A]	I_x [%]	I_red [A]
		zwikszajc U_x		zmniejszajc U_x
20,4	0,74	0,250	30,00	0,250	30,00	0,250
40,5	1,83	0,375	20,00	0,375	20,00	0,375
62	1,21	0,375	20,00	0,375	20,00	0,375
81	0,93	0,375	20,00	0,375	20,00	0,375
101	0,74	0,400	18,75	0,450	16,67	0,425
121	0,62	0,450	16,67	0,450	16,67	0,450
	1,01		20,90		20,56		Wart. red.

I=f(U)
5. Wyznaczanie czerwonej granicy zjawiska fotoelektrycznego.

			prd				napicie
[nm]	[nm]		I_zak [A]		I_x [A]	I_x [%]	U_x [V]
700				1,00E-08	7E-09	3,57
680				1,00E-08	7E-09	3,57
660				3,00E-08	1,2E-08	6,25
640				1,00E-07	3,1E-08	8,06
620				3,00E-07	1,2E-07	6,25
600				1,00E-06	5,4E-07	4,63
580				3,00E-06	1,14E-06	6,58
560				3,00E-06	1,62E-06	4,63
540		1		3,00E-06	2,1E-06	3,57	67 [V]
520				3,00E-06	2,34E-06	3,21
500				3,00E-06	2,16E-06	3,47
480				3,00E-06	1,92E-06	3,91
460				3,00E-06	1,62E-06	4,63
440				3,00E-06	1,38E-06	5,43
420				3,00E-06	1,08E-06	6,94
400				1,00E-06	8E-07	3,13
380				1,00E-08	6,08E-09	4,12
Warto rednia						4,82

I=f()

6. Wyznaczanie staej Plancka.
		U			I
[nm]	[nm]	U_zak [V]	U_x [V]	U [%]	I_zak [A]	I_x [A]	I [%]
550		1,50	1,06	0,71	1,00E-09	6,4E-10	3,91
550		1,50	0,96	0,78	1,00E-09	6,4E-10	3,91
550		1,50	0,88	0,85	1,00E-09	6,2E-10	4,03
550		1,50	0,76	0,99	1,00E-09	5,4E-10	4,63
550	1	1,50	0,66	1,14	1,00E-09	4,4E-10	5,68
550		1,50	0,56	1,34	1,00E-09	4E-11	62,50
550		7,50E-01	0,47	0,80	3,00E-09	-1,2E-09	-6,25
550		7,50E-01	0,36	1,04	1,00E-08	-4,4E-09	-5,68
Warto rednia				0,96			9,09
600		1,50	1,10	0,68	1,00E-09	2,4E-10	10,42
600		1,50	1,00	0,75	1,00E-09	2,4E-10	10,42
600		1,50	0,90	0,83	1,00E-09	2,4E-10	10,42
600		1,50	0,80	0,94	1,00E-09	2,2E-10	11,36
600	1	1,50	0,70	1,07	1,00E-09	2,2E-10	11,36
600		1,50	0,60	1,25	1,00E-09	2E-10	12,50
600		1,50	0,50	1,50	1,00E-09	4E-11	62,50
600		7,50E-01	0,38	0,99	1,00E-09	-5,4E-10	-4,63
600		7,50E-01	0,28	1,34	3,00E-09	-2,1E-09	-3,57
600		7,50E-01	0,18	2,08	1,00E-08	-5,4E-09	-4,63
Warto rednia				1,14			11,61

I=f(U)
dla 550 [nm]
dla 600 [nm]
7. Obliczenie pracy wyjcia i wyznaczenie staej Plancka.
Do obliczenia wartoci pracy potrzebnej na wyjcie elektronu potrzebna jest warto dugoci granicznej fali dla której moe doj do wybicia elektronu z metalu. Warto dugoci fali odczytaem z wykresu I=f().₀" 680 [nm]
Warto bdu pracy wyjcia elektronu gównie zaley od wartoci bdu dugoci fali i wyraa to wzór:
Dla dwóch wartoci dugoci fali (550 [nm] i 600 [nm]) wyznaczylimy charakterystyk I = f(U), gdzie z wykresu odczytalimy wartoci napi potrzebnych do wyznaczenia staej Plancka.
Warto bdu staej Plancka obliczyem po zastosowaniu róniczki zupenej z wzoru:
8. Obliczenia.

obliczenie wartoci redniej bdów

bd wskaza amperomierzy i woltomierzy

obliczenie bdu wzgldengo 1/r² z róniczki logarytmicznej

obliczenie wartoci redniej poszczególnych pomiarów z dwóch cykli

9. Wnioski.

Przy badaniu zalenoci natenia prdu fotoelektrycznego od natenia owietlenia oraz przy badaniu charakterystyki fotokomórki bdy zale przede wszystkim od tego, e do fotokomórki dostaje si obce wiato nie pochodzce z arówki. Zale take od stabilnoci pooenia arówki w paszczynie prostopadej do kierunku ruchu gdy nieznaczne odchylenia powodoway due zmiany prdu fotokomórki, co atwo zauway na wykresie I=f(1/r²), gdzie wykres teoretycznie powinien by lini prost wprost proporcjonaln a rzeczywistoci dopiero po aproksymacji jest prawie lini prost. Ze wzgldu na le wyposaone stanowisko do badania naszego zjawiska fotoelektrycznego przede wszystkim przez zy amperomierz pod wzgldem zakresu pomiarowego doszo do tego, e dla odlegoci 70 cm arówki od komórki to bdy sigaj wartoci 100% i powyej.

Przy wyznaczaniu wartoci fotoprdu od napicia przypieszajcego, warto bdu wzgldnego napicia przypieszajcego U_x umieszczona w tabelce jest wartoci bdu pomiaru tego napicia woltomierzem a nie bdem ustawienia wartoci tego napicia na zasilaczu.

Przy wyznaczaniu czerwonej granicy fotoefektu bd wzgldny wyznaczenia pracy wyjcia jest równy wzgldnemu bdowi wyznaczenia ₀ i gównie moe zalee od pomykowego odczytu wartoci dugoci fali przez nas z wykresu, ale take od bdu ustawienia wartoci dugoci fali gdzie =1 [nm]. Bdy take zale od jakoci pocze mierników wpywu zakóce elektrycznych, gdy mierzone prdy s bardzo mae i na przewodach wytwarzaj si prdy podobnego rzdu pod wpywem pola elektrycznego wytwarzanego przez sie 220V.

Przy wyznaczaniu wartoci staej Plancka teoretyczny bd w tym punkcie zaley od podobnych czynników jak w punkcie poprzednim tzn. od zakóce wywoanych polem elektrycznym, a take niedoskonaoci pocze obwodu badanego.

Zgodnie z tablicami staa Plancka wynosi 6,626"10^-34 [Js], w naszym wiczeniu warto staej jest obarczona bdem 9,7 [%], spowodowanym przyblieniami i sab klas dokadnoci przyrzdów.

Jeeli chodzi o prac wyjcia elektronu to zaley ona od metalu a w tablicach nie s umieszczone, lecz w leksykonie fizyki jest podane, e warto pracy wyjcia elektronu jest rzdu kilku elektronowoltów. W naszym wieczeniu wyszo, e W=2,923 [J] co odpowiada wartoci przyblionej 2 [eV].