Практическая работа № 12 11 ЕМН

Компьютерное моделирование явления фотоэффекта.

Оборудование: ПК, электронное пособие «Открытая физика».

Цель:

· Определение красной границы фотоэффекта материала, использованного в модели.

· Расчет задерживающего напряжения для фиксированной длины волны.

· Определение характера зависимости максимальной скорости фотоэлектронов от длины волны.

· Определение принципиальной возможности использования различных материалов для создания фотоэффекта.

Метод выполнения работы.

Закономерности внешнего фотоэффекта наглядно иллюстрируются в компьютерной модели. Задаются значения работы выхода для используемого материала, мощности и длины световых волн, облучающих фотокатод, и анализируется зависимость фототока от мощности и напряжения между катодом и анодом.

Указание к работе:

Задание № 1

1. Определите ≪красную границу≫ фотоэффекта для материала, использованного в данной компьютерной модели.

2. Рассчитайте работу выхода А.

3. По таблице определите, из какого материала сделан катод фотоэлемента, используемого в модели.

Таблица 1.1. Работа выхода электронов из металлов.

Металл Работа Металл Работа

выхода, эВ выхода, эВ

Алюминий 4,25 Платина 5,32

Золото 5,10 Серебро 4,30

Литий 2,38 Титан 3,95

Медь 4,40 Цезий 1,81

Никель 4,50 Цинк 4,24

Задание № 2

1. Определите величину задерживающего напряжения для длины волны λ=510 нм.

2. Рассчитайте максимальную скорость фотоэлектронов для этой длины волны.

3. Рассчитайте максимальную скорость фотоэлектронов для различных длин волн и заполните таблицу №2.

Таблица №2.

υ_mах,м/с

4. Постройте зависимость υ_мах(λ).

5. Определите по таблице работ выхода, какие еще материалы можно использовать в качестве фотокатода в данной модели.

6. Объясните, почему для материала катода выбран только один элемент (определенный вами в начале работы) и не использованы остальные элементы с приемлемыми работами выхода.

:

Контрольные вопросы:

· Что такое работа в 1эВ?

· Как изменяется кинетическая энергия электронов при приближении к ≪красной границе≫ фотоэффекта?

· Чему равна кинетическая энергия электронов непосредственно на ≪красной границе≫ фотоэффекта?

· Из какого материала (по условиям модели) должно быть изготовлено

окно для пропускания излучения от источника света?

Практическая работа № 9.

Компьютерное моделирование явления фотоэффекта.

Цель работы: изучение законов фотоэффекта.

Оборудование: «Открытая физика» 1.1

Фотоэффектом называют вырывание электронов из вещества под действием света. Фотоэффект был открыт Г. Герцем (1887 г.). Теория фотоэффекта была развита А. Эйнштейном (1905 г.) на основе квантовых представлений. Классическая волновая теория света оказалась неспособной объяснить закономерности этого явления.

Согласно квантовым представлениям свет излучается и поглощается отдельными порциями (квантами), энергия E которых пропорциональна частоте н:

где h = 6,63∙10^–34 Дж ∙ с – постоянная Планка.

Чтобы вырвать электрон из вещества, нужно сообщить ему энергию, превышающую работу выхода A. Максимальная кинетическая энергия

фотоэлектрона определяется согласно Эйнштейну уравнением 

Это уравнение объясняет основные закономерности фотоэффекта:

1.Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от падающего светового потока. Если между фотокатодом и анодом вакуумного фотоэлемента создать электрическое поле, тормозящее движение электронов к аноду, то при некотором значении задерживающего напряжения U_з анодный ток прекращается. Величина U_з определяется соотношением 

2.Количество электронов, вырываемых с поверхности металла в секунду, прямо пропорционально мощности светового потока P.

3.Если частота света меньше некоторой определенной для данного вещества минимальной частоты н_min, то фотоэффект не происходит («красная граница фотоэффекта») У щелочных металлов красная граница лежит в диапазоне видимого света.

Модель является компьютерным экспериментом по исследованию закономерностей внешнего фотоэффекта. Можно изменять значение напряжения U между анодом и катодом фотоэлемента и его знак, длину волны л в диапазоне видимого света и мощность светового потока P.

В эксперименте можно определить красную границу фотоэффекта и найти работу выхода материала фотокатода. Можно измерить запирающий потенциал U_з для различных длин волн и определить постоянную Планка h.

Ход работы:

1.Изучить зависимости скорости фотоэлектронов(или их кинетической энергии) от длины световой волны в диапазоне видимого света. Вывести математическую зависимость и построить график для железа и натрия (или общий случай).

2.Вычислить кинетическую энергию фотоэлектронов натрия, при синем свете с длиной волны 0,44 мкм.