Studium fotoelektrického jevu

Transkript

1 Studium fotoelektrického jevu Úkol : 1. Změřte voltampérovou charakteristiku přiložené fotonky 2. Zpracováním výsledků měření určete hodnotu Planckovy konstanty Pomůcky : - Ampérmetr TESLA BM Školní digitální voltmetr - Stabilizovaný napájecí zdroj - Zdroj světla - Fotonka Teorie : Rozlišujeme dva druhy fotoefektu: fotoefekt vnitřní a vnější. Při vnitřním fotoefektu dochází v látce vlivem opadajícího elektromagnetického záření k uvolnění nositelů elektrického proudu, které zůstávají uvnitř látky. Vnitřního fotoelektrického jevu se využívá u polovodičových fotonek a fotoodporů. V případě vnějšího fotoefektu čili fotoemise dochází k emisi elektronů z povrchu elektrody, na kterou dopadá elektromagnetické záření. Na vnějším fotoefektu je založena činnost vakuových a plynových fotonek. V této úloze se budeme zabývat výhradně vnějším 1 / 7

2 fotoefektem. Výklad fotoefektu na základě klasických představ se nepodařilo uvést do shody s výsledky experimentů. Einstein ukázal, že všechny obtíže zmizí, jestliže opustíme vlnové představy o světle a zaujmeme čistě korpuskulární stanovisko. Jestliže považujeme světlo za proud fotonů o energii hn, kde h je Planckova konstanta, n frekvence dopadajícího světla, je výklad fotoelektrického jevu následující. Pohlcený foton předá svou energii elektronu. Jestliže tato energie je dostatečně velká, překoná elektron vazebné síly a vystoupí z povrchu kovu. Protože pravděpodobnost současného zásahu jednoho elektronu dvěma fotony je velmi malá, můžeme předpokládat, že uvolněný elektron obdržel energii od jednoho fotonu. Známá fotoelektrická rovnice Einsteinova může být pak chápána jako zákon zachování energie pro proces výměny energie foton elektron: kde hn je energie dopadajícího fotonu, W 1 energie potřebná k odtržení elektronu z elektronového obalu atomu (ionizační energie), A energie nutná k tomu, aby elektron opustil hraniční oblast povrchu tělesa (výstupní práce) a E kinetická energie uvolněného elektronu. k Pro kovovou katodu lze uvažovat ionizační energii vzhledem k velkému počtu volných elektronů za nulovou. Pak dostává Einsteinova fotoelektrická rovnice tvar: Z tohoto výsledku je zřejmé, že elektron nemůže překonat hraniční oblast, pokud energie hn, kterou mu předá foton, není stejná nebo větší než výstupní práce. Existuje tedy pro každý kov jistá minimální frekvence n min při níž ještě k emisi elektronů z 2 / 7

3 povrchu daného kovu dochází: Při frekvencích menších než n min se fotoefekt neobjeví. Protože Einsteinova rovnice je přímým důsledkem kvantové představy o světle, lze její ověření považovat za jeden z důkazů kvantové povahy světla. Charakteristika fotonek Vakuové nebo plynové fotonky mohou být provedeny jako skleněná baňka, v níž je umístěna anoda, např. ve formě drátěné smyčky. Baňka je vyčerpána na vysoké vakuum a v případě plynové fotonky naplněna vhodným inertním plynem (např. argonem pod tlakem 10kPa ). Vnitřní povrch baňky je postříbřen (s vyjímkou okénka pro vstup světla) a na stříbrném podkladě proti vstupnímu okénku je nanesena fotokatoda. Pro dosažení větší citlivosti se používá fotokatod se složitější strukturou, které se připravují vhodnými technologickými postupy a obsahují např. Cs, Ag, Sb, jejich oxidy aj. Má-li anoda vůči katodě kladné napětí U, protéká fotonkou při osvětlení katody proud I. Budeme se zabývat nejprve vakuovými fotonkami. Vtom případě závisí proud I na napětí U podobně jako u diody se žhavenou katodou při malých napětích je proud omezován prostorovým nábojem a roste s rostoucím napětím U, při vyšších napětích dostáváme oblast nasyceného proudu, kde se proud s rostoucím napětím téměř nemění. 3 / 7

4 Určení Planckovy konstanty z fotoefektu Toto stanovení Planckovy konstanty h je založeno na Einsteinově vztahu Zjistíme-li hodnotu E k pro několik monochromatických záření s různými frekvencemi n, lze ze směrnice přímkové závislosti E k=e k (n) určit Planckovu konstantu. Hodnotu E k lze stanovit, proměříme-li závislost proudu fotonky při záporných napětích anody vůči katodě. Elektrické pole v tomto případě brzdí pohyb elektronů, takže pouze elektrony s kinetickou energií větší než eu dopadnou na anodu (e značí náboj elektronu, U závěrné napětí). Se zvětšováním tohoto napětí tedy proud klesá k nule. Pro napětí větší než je kritická hodnota U 0 daná vztahem je proud nulový, protože ani elektrony s maximální energií E k nepřekonají brzdné pole. Kombinací rovnic (4) a (5) dostáváme: Ze závislosti U 0 =U 0 (n) je nyní možné použitím tabulkové hodnoty e určit Planckovu konstantu. 4 / 7

5 Tabulka : V-A charakteristika fotonky λ = 550 [nm] λ = 600 [nm] U [V] I 1 [na] I 2 [na] 5 / 7

6 Plancova konstatnta λ [nm] U [V] h [Js] Graf : V-A charakteristiky fotonky pro různé vlnové délky záření. 6 / 7

7 Teoretický (Atomová a rozbor jaderná převzatý fyzika). z PF knihy JU ŠPATENKA, České Budějovice, P., KALČÍK, J.: Fyzikální praktikum IV 7 / 7