Меню

Как изменяются при удалении источника света от вакуумного фотоэлемента сила тока насыщения

Цель работы: изучение явления внешнего фотоэффекта

РАБОТА № 57

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ФОТОэлемента

Краткая теория

Фотоэлектрическим эффектом (или кратко – фотоэффектом) называется освобождение (полное или частичное) электронов от связей с атомами и молекулами вещества под воздействием света (видимого, инфракрасного или ультрафиолетового).

Если электроны выходят за пределы освещаемого вещества (полное освобождение), то фотоэффект называется внешним.

Если же электроны теряют связь только со “своими” атомами и молекулами, но остаются внутри освещаемого вещества в качестве “свободных электронов”, то фотоэффект называется внутренним.

Внешний фотоэффект наблюдается у металлов. Законы внешнего фотоэффекта были исследованы Столетовым и получили теоретическое обоснование в 1905г. В работах Эйнштейна явление фотоэффекта теоретически можно обосновать лишь с точки зрения квантовой механики. Свет в явлении фотоэффекта проявляет свои квантовые свойства. Каждый фотон (квант) света может взаимодействовать с одним электроном. Энергия фотона, поглощенная электроном, расходуется на совершение электроном работы выхода А из металла. Оставшаяся часть этой энергии составляет кинетическую энергию электронов, с которой они выходят из вещества.

Следовательно, чтобы электрон мог выйти из метала, ему необходимо совершить работу на преодоление поверхностного потенциала или потенциального барьера. Величина работы выхода электрона из металла определяется соотношением:

где: e — заряд электрона,

v1-v2 — разность потенциалов поверхностного слоя (потенциальный барьер).

Падающие на вещество кванты излучения (фотоны) обладают энергией

где: hn – энергия кванта света;

n – частота излучения поглощаемого веществом;

h – Постоянная Планка;

Энергия фотона передается электрону и идет на на работу вырывания и на сообщение электрону кинетической энергии

E= , – уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта (1.1)

где: hn – энергия кванта света;

n – частота;

h – Постоянная Планка;

А – работа выхода;

m – масса электрона;

v – скорость электрона.

Если энергия фотона такова, что можно совершить только работу выхода, т.е. если hn=A то вылетевший электрон будет обладать нулевой скоростью. Частота n определяет ту наименьшую частоту, при которой возможен фотоэффект. Эта частота определяет порог фотоэффекта. Пользуясь связью частоты с длиной волны или , можно определить длину волны l соответствующую порогу фотоэффекта

При длине волны больше l фотоэффекта не будет; эта длина волны называется красной границей фотоэффекта.

Для большинства веществ красная граница фотоэффекта лежит в ультрафиолетовой части спектра.

Но у ряда металлов, особенно щелочных, красная граница лежит в видимой и инфракрасной частях спектра; следовательно, они чувствительны к широкому интервалу волн.

В современной технике (телевидение, звуковое кино, схемы сигнализации и управления) широкое применение имеют приборы, использующие явления фотоэффекта — фотоэлементы.

Простейший тип фотоэлемента — вакуумный, предоставляет собой пустотелый стеклянный или кварцевый баллон, в котором в подкладочном слое серебра нанесен слой светочувствительного щелочного металла. Этот слой излучает электроны при освещении его светом достаточно короткой длины волны. К излучающему слою присоединен минус батареи (катод) (рис. 1) (или спираль), к которому присоединен плюс батареи (анод). Электрическое поле направляет вылетающие электроны к аноду вызывая ток в цепи. Величина тока фотоэлемента пропорциональна световому потоку, падающему на катод. При неизменном световом потоке фототок зависит от напряжения между катодом и анодом. Но у вакуумных фотоэлементов, начиная с некоторого значения анодного напряжения прекращается дальнейший рост тока; наступает состояние насыщения, при котором все вылетающие из катода электроны полностью попадают на анод.

Величина тока, отнесенная одному люмену светового потока, называется чувствительностью фотоэлемента.

Чувствительность фотоэлемента возрастает с ростом анодного напряжения. С целью создания прибора с более высокой чувствительностью фотоэлементы наполняют инертным газом (Ar, Ne, He) при давлении порядка сотых долей миллиметра ртутного столба. Такие приборы называют газонаполненными фотоэлементами. В этом случае вылетающие с фотокатода электроны ускоряются электрическим полем и ионизируют частицы заполняющие фотоэлемент. Полученные в результате ионизации новые электроны, ускоряясь электрическим полем, в свою очередь ионизируют молекулы газа. В результате к аноду устремляется все возрастающая лавина электронов, от чего сильно увеличивается чувствительность. Сила фототока также увеличивается и теоретически может быть сколь угодно большой: ток насыщения отсутствует.

Однако практическая величина анодного напряжения газонаполненного фотоэлемента не должна превышать определенной величины, при которой внутри прибора возникает объемная ионизация газа (потенциал зажигания). В этом случае ток резко возрастает, фотоэлемент начинает светиться: что приводит к порче фотоэлемента.

Фототок газонаполненного фотоэлемента не строго пропорционален световому потоку и обладает инертностью.

Цель работы: изучение явления внешнего фотоэффекта.

Порядок выполнения работы

Упражнение 1. Снятие вольтамперной характеристики фотоэлемента, т. е. зависимости фототока i от напряжения U при постоянном световом потоке Ф

1. Определить цену одного деления амперметра и вольтметра в данной работе.

2. Реостатом установить напряжение U = 110 В.

3. Фотоэлемент установить на оптической скамье на таком расстоянии от лампы, чтобы стрелка отклонялась до конца шкалы. Записать значение .

4. Реостатом уменьшить напряжение U до нуля.

5. Реостатом, изменяя напряжение от 0 до 110 В через каждые 10 В, записывать в таблицу значения напряжения U и силы тока i.

6. Построить на мм бумаге график i = f (U), откладывая по оси Х напряжение U , а по оси y силу тока i.

Упражнение 2. Определение чувствительности фотоэлемента .

измеряется отношением величины фототока к падающему световому потоку.

1. Вычислить среднюю сферическую силу света I по формуле:

I= , (2. 1)

где Фт – табличное значение светового потока в люменах, соответствующее мощности лампы (дается в таблице 2).

2. Вычислить световой поток, падающий на фотосопротивление по формуле:

Ф = , (2.2)

где: I – средняя сферическая сила ч света;

S = 1,12 см 2 – площадь освещенной части фотоэлемента;

— расстояние, на котором находилась лампа в 1 упражнении.

3. Вычислить чувствительность для всех значений тока по формуле:

= , (2.3)

где iф – значение сил тока, полученных в первом упражнении.

Упражнение 3. Снятие световой характеристики фотоэлемента.

Световая характеристика выражает зависимость фототока от светового потока при постоянном напряжении на фотоэлементе.

1. Реостатом установить напряжение U = 110 В и в дальнейшем контролировать его.

2. Удаляя фотоэлемент от лампы каждый раз на 2 см, начиная с записывать расстояния и силу тока i.

3. Для каждого расстояния вычислить световой поток по формуле Ф = и эти значения занести в таблицу.

4. Построить на мм бумаге световую характеристику, т. е. i =f(Ф), откладывая по оси Х световой поток Ф, а по оси у силу тока i.

5. Построить график зависимости силы тока iф от светового потока Ф, т.е. световую характеристику фотосопротивления (по оси Х – откладываем световой поток, по оси Y – силу фототока).

6.Данные измерений и вычислений всех трех упражнений занести в таблицу 2.1.

Характеристика лампы накаливания Таблица 2.2

Мощность лампы указана на бирке привязанной к лампе

Упражнение 1 Упражнение 2 Упражнение 3
Вольтамперная характеристика Определение чувствительности Световая характеристика
Расстояние от лампы до фотоэлемента = см I= , S= 1,12см 2 Ф = I= , S=1,12см 2 Ф =
№ п/п U (В) iф = iф i Ф
.

Контрольные вопросы

1. Что называется фотоэффектом?

2. В чем сущность внешнего фотоэффекта?

3. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

4. Внутренний фотоэффект, его сущность.

5. Что показывают вольт – амперная и световая характеристики фотоэлемента и как они снимаются?

6. Как вычисляется средняя сферическая сила света?

7. Что такое чувствительность фотоэлемента? Как она вычисляется?

8. Как устроен вакуумный и газонаполненный фотоэлемент?

9. Для чего фотоэлемент наполняют инертным газом?

10. Законы для внешнего фотоэффекта.

11. Где применяются фотоэлементы и фотосопротивления?

Литература

1. Грабовский Р. М. Курс физики. М.: Высшая школа, 1980

2. Савельев И. В. Курс общей физики. М.: Наука, 1979 т. т. 2, 3

Источник

Контрольная работа Квантовая физика 11 класс

Контрольная работа Квантовая физика 11 класс с ответами. Контрольная работа представлена в 5 вариантах, в каждом варианте по 8 заданий.

Вариант 1

A1. Внешний фотоэффект — это явление

1) почернения фотоэмульсии под действием света
2) вылета электронов с поверхности вещества под действием света
3) свечения некоторых веществ в темноте
4) излучения нагретого твердого тела

А2. Какой заряд имеет свет с частотой 4,5 · 10 15 Гц?

1) 0 Кл
2) 1,6 · 10 -19 Кл
3) 3,2 · 10 -19 Кл
4) 4,5 · 10 15 Кл

А3. Излучение лазера — это

1) тепловое излучение
2) вынужденное излучение
3) спонтанное (самопроизвольное) излучение
4) люминесценция

А4. Изотоп ксенона 112 54Хе после спонтанного α-распада превратился в изотоп

А5. Какая из строчек таблицы правильно отражает структуру ядра 48 20Ca?

p — число протонов n — число нейтронов
1) 48 68
2) 48 20
3) 20 48
4) 20 28

B1. Сколько квантов содержится в 1 Дж излучения с длиной волны 0,5 мкм?

В2. Ядро атома претерпевает спонтанный α-распад. Как изменяются перечисленные ниже характеристики атомного ядра при таком распаде? К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго и запишите выбранные цифры под соответствующими буквами.

ВЕЛИЧИНЫ

А) масса ядра
Б) заряд ядра
В) число протонов в ядре

ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ

1) не изменяется
2) увеличивается
3) уменьшается

C1. При какой температуре газа средняя энергия теплового движения атомов одноатомного газа будет равна энергии электронов, выбиваемых из металлической пластинки с работой выхода Авых = 2 эВ при облучении монохроматическим светом с длиной волны 300 нм? Учтите: 1 эВ = 1,6 · 10 -19 Дж.

Вариант 2

A1. В своих опытах Столетов измерял максимальную силу тока (ток насыщения) при освещении электрода ультрафиолетовым светом. Сила тока насыщения при увеличении интенсивности источника света и неизменной его частоте будет

1) увеличиваться
2) уменьшаться
3) неизменной
4) сначала увеличиваться, затем уменьшаться

А2. Де Бройль выдвинул гипотезу, что частицы вещества (например, электрон) обладают волновыми свойствами. Эта гипотеза впоследствии была

1) опровергнута путем теоретических рассуждений
2) опровергнута экспериментально
3) подтверждена в экспериментах по дифракции электронов
4) подтверждена в экспериментах по выбиванию электронов из металлов при освещении

А3. Выберите верное утверждение.

А. Излучение лазера является спонтанным
Б. Излучение лазера является индуцированным

1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б

А4. Ядро 214 83Bi испытывает β-распад, при этом образуется элемент Х. Этот элемент можно обозначить как

А5. На рисунке изображены схемы четырёх атомов. Черными точками обозначены электроны. Атому 16 8O соответствует схема

Схемы четырех атомов

B1. Источник света мощностью 100 Вт испускает 5 · 10 20 фотонов за 1 с. Найдите среднюю длину волны излучения.

В2. Ядро атома претерпевает спонтанный β-распад. Как изменяются перечисленные ниже характеристики атомного ядра при таком распаде? К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго и запишите выбранные цифры под соответствующими буквами.

ВЕЛИЧИНЫ

А) масса ядра
Б) заряд ядра
В) число протонов в ядре

ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ

1) не изменяется
2) увеличивается
3) уменьшается

C1. В вакууме находятся два покрытых кальцием электрода, к которым подключен конденсатор емкостью С = 8 нФ. При длительном освещении катода светом с частотой ν = 10 15 Гц фототок, возникающий вначале, прекращается. Работа выхода электронов из кальция Авых = 4,4 · 10 -19 Дж. Какой заряд Q при этом оказывается на обкладках конденсатора? Заряд электрона 1,6 · 10 -19 Кл.

Вариант 3

A1. При фотоэффекте число электронов, выбиваемых монохроматическим светом из металла за единицу времени, не зависит от

А) частоты падающего света
Б) интенсивности падающего света
В) работы выхода электронов из металла

Какие утверждения правильные?

1) А и В
2) А, Б, В
3) Б и В
4) А и Б

А2. Какой энергией обладает свет с частотой 5 · 10 14 Гц?

1) 3,96 · 10 -40 Дж
2) 3,3 · 10 -19 Дж
3) 4,5 · 10 31 Дж
4) 0

А3. В настоящее время широко распространены лазерные указки, авторучки, брелоки. При неосторожном обращении с таким (полупроводниковым) лазером можно

1) вызвать пожар
2) прожечь костюм и повредить тело
3) получить опасное облучение организма
4) повредить сетчатку глаза при прямом попадании лазерного луча в глаз

А4. Как изменится число нуклонов в ядре атома радиоактивного элемента, если ядро испустит γ-квант?

1) увеличится на 2
2) не изменится
3) уменьшится на 2
4) уменьшится на 4

А5. По данным таблицы химических элементов Д.И. Менделеева определите число нуклонов в ядре технеция.

Технеций

1) 43
2) 56
3) 99
4) 142

В1. Ртутная лампа имеет мощность 125 Вт. Сколько квантов света испускается ежесекундно при излучении с длиной волны 5,79 · 10 -1 м?

В2. Ядро атома претерпевает спонтанный γ-распад. Как изменяются перечисленные ниже характеристики атомного ядра при таком распаде? К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго и запишите выбранные цифры под соответствующими буквами.

ВЕЛИЧИНЫ

А) масса ядра
Б) заряд ядра
В) число протонов в ядре

ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ

1) не изменяется
2) увеличивается
3) уменьшается

C1. Плоский алюминиевый электрод освещается светом длиной волны 83 нм. На какое максимальное расстояние от поверхности электрода может удалиться фотоэлектрон, если вне электрода имеется задерживающее электрическое поле напряженностью 150 В/м? Красная граница фотоэффекта 332 нм. Заряд электрона 1,6 ⋅ 10 -19 Кл.

Читайте также:  Какие травмы можно получить от тока

Вариант 4

A1. При исследовании фотоэффекта Столетов выяснил, что

1) энергия фотона прямо пропорциональна частоте света
2) вещество поглощает свет квантами
3) сила фототока прямо пропорциональна частоте падающего света
4) фототок возникает при частотах падающего света, превышающих некоторое значение

А2. Электрон и протон движутся с одинаковыми скоростями. У какой из этих частиц большая длина волны де Бройля?

1) у электрона
2) у протона
3) длины волн этих частиц одинаковы
4) частицы нельзя характеризовать длиной волны

А3. Интерференцию света с помощью лазерной указки показать легче, чем с обычным источником, так как пучок света, даваемый лазером, более

1) мощный
2) когерентный
3) расходящийся
4) яркий

А4. Какой заряд Z и какое массовое число А будет иметь ядро элемента, получившегося из ядра изотопа 238 92U после одного α-распада и двух β-распадов?

А5. На рисунке изображены схемы четырех атомов. Черными точками обозначены электроны. Атому 12 6C соответствует схема

Схемы четырех атомов с электронами

B1. Детектор полностью поглощает падающий на него свет частотой ν = 6 · 10 14 Гц. За время t = 5 с на детектор падает N = 3 · 10 5 фотонов. Какова поглощаемая детектором мощность? (Полученный ответ умножьте на 10 14 и округлите до десятых.)

В2. Ядро атома захватило электрон и испустило протон. Как изменяются перечисленные ниже характеристики атомного ядра при такой ядерной реакции? К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго и запишите выбранные цифры под соответствующими буквами.

ВЕЛИЧИНЫ

А) масса ядра
Б) заряд ядра
В) число нейтронов в ядре

ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ

1) не изменяется
2) увеличивается
3) уменьшается

C1. Фотокатод, покрытый кальцием (работа выхода Авых = 4,4 · 10 -19 Дж), освещается светом с длиной волны λ = 300 нм. Вылетевшие из катода электроны попадают в однородное магнитное поле индукцией В = 8,3 · 10 -4 Тл перпендикулярно линиям индукции этого поля. Каков максимальный радиус окружности R, по которой движутся электроны? Масса электрона 9,1 · 10 -31 кг, модуль его заряда 1,6 · 10 -19 Кл.

Вариант 5

A1. При фотоэффекте работа выхода электрона из металла, зависит от

1) частоты падающего света
2) интенсивности падающего света
3) химической природы металла
4) кинетической энергии вырываемых электронов

А2. Определите импульс фотона, обладающего энергией 4 · 10 -19 Дж.

1) 4,44 · 10 -36 кг · м/с
2) 3,6 · 10 -2 кг · м/с
3) 1,33 · 10 -21 кг · м/с
4) 1,2 · 10 -10 кг · м/с

А3. Средняя мощность лазерного излучения равна Р, длина волны λ. Число фотонов, ежесекундно излучаемых лазером, в среднем равно

А4. Радиоактивный изотоп урана 238 92U после двух α-распадов и двух β-распадов превращается в изотоп

А5. По данным таблицы химических элементов Д.И. Менделеева определите число нейтронов в ядре технеция.

Технеций

1) 43
2) 56
3) 99
4) 142

B1. Детектор полностью поглощает падающий на него свет длиной волны λ = 500 нм. Поглощаемая мощность равна Р = 3,3 · 10 -14 Вт. Сколько фотонов падает на детектор за время t = 3 с? Полученный ответ разделите на 10 5 .

В2. Ядро атома захватило нейтрон и испустило электрон. Как изменяются перечисленные ниже характеристики атомного ядра при такой реакции? К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго и запишите выбранные цифры под соответствующими буквами.

ВЕЛИЧИНЫ

А) масса ядра
Б) заряд ядра
В) число нейтронов в ядре

ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ

1) не изменяется
2) увеличивается
3) уменьшается

C1. Фотокатод, покрытый кальцием (работа выхода 4,4 · 10 -19 Дж), освещается светом с частотой 2 · 10 15 Гц. Вылетевшие из катода электроны попадают в однородное магнитное поле перпендикулярно линиям индукции этого поля и движутся по окружностям максимального радиуса 5 мм. Чему равен модуль индукции магнитного поля? Заряд электрона 1,6 · 10 -19 Кл, его масса 9,1 · 10 -31 кг.

Ответы на контрольную работу Квантовая физика 11 класс
Вариант 1
A1-2
A2-1
A3-2
A4-1
A5-4
B1. 2,5 ⋅ 10 18
B2. 333
C1. 16 425 К
Вариант 2
A1-1
A2-3
A3-2
A4-2
A5-1
B1. 9,9 ⋅ 10 -7 м
B2. 122
C1. 11 ⋅ 10 -9 Кл
Вариант 3
A1-1
A2-2
A3-4
A4-2
A5-3
B1. 3,7 ⋅ 10 20
B2. 111
C1. 7,45 см
Вариант 4
A1-4
A2-1
A3-2
A4-2
A5-3
B1. 2,4
B2. 332
C1. 4,76 мм
Вариант 5
A1-3
A2-3
A3-4
A4-2
A5-2
B1. 2,5
B2. 221
C1. 1,58 мТл

Источник

Как изменяются при удалении источника света от вакуумного фотоэлемента сила тока насыщения

В опыте по изучению фотоэффекта катод освещается жёлтым светом, в результате чего в цепи возникает ток (рисунок 1). Зависимость показаний амперметра I от напряжения U между анодом и катодом приведена на рисунке 2. Используя законы фотоэффекта и предполагая, что отношение числа фотоэлектронов к числу поглощённых фотонов не зависит от частоты света, объясните, как изменится представленная зависимость I(U), если освещать катод зелёным светом, оставив мощность поглощённого катодом света неизменной.

1. При изменении света с жёлтого на зелёный его длина волны уменьшится, частота увеличится (νз > νж).

2. Работа выхода электронов из материала не зависит от частоты падающего света, поэтому в соответствии с уравнением Эйнштейна для фотоэффекта: hv = Aвых + Emax — увеличится максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов Emax. Так как