Экспериментальная проверка уравнения Эйнштейна для внешнего фотоэффекта и определение постоянной планка при изучении квантовой концепции света
Двойственная природа электромагнитного излучения. Уравнение Эйнштейна, которое описывает закон сохранения энергии при фотоэффекте для взаимодействия фотона с электроном. Вольтамперная характеристика фотоэлемента. Измерение значения постоянной Планка.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 26.04.2019 |
| Размер файла | 128,3 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Экспериментальная проверка уравнения Эйнштейна для внешнего фотоэффекта и определение постоянной планка при изучении квантовой концепции света
Аксёнов А.В., Филатов В.А., Кучер М.И., Френкель Е.Э.
Электромагнитное излучение обладает двойственной природой. При взаимодействии с веществом оно проявляет себя как поток частиц - фотонов с энергией Е и импульсом Р, равными
Е = hн, Р = kh/2р.
Под действием электромагнитного излучения электроны могут вылетать из вещества. Это явление называют фотоэффектом.
С точки зрения квантовой теории света взаимодействие света с электронами вещества можно рассматривать как неупругое столкновение фотона с электроном. При таком столкновении фотон поглощается, а его энергия передается электрону. Таким образом, в результате единичного акта столкновения электрон приобретает дополнительную энергию.
Кинетическая энергия электрона частично тратится на совершение выхода А против задерживающих сил, действующих в поверхностном слое вещества, а оставшаяся часть кинетической энергии и есть максимальная кинетическая энергия вылетевшего фотоэлектрона. Уравнение Эйнштейна, описывающее закон сохранения энергии при фотоэффекте для взаимодействия фотона с электроном имеет следующий вид
hн = А + Еmax ,
где hн - энергия поглощенного фотона, А - работа выхода электрона, Еmax - максимальная кинетическая энергия вылетевшего фотоэлектрона. Здесь предполагается, что кинетическая энергия электрона в веществе до поглощения фотона много меньше энергии фотона.
При экспериментальном изучении фотоэффекта используется двухэлектродная лампа-диод. Один из электродов - катод, освещается светом определенной частоты. Вылетающие фотоэлектроны достигают анода. При фиксированной частоте и постоянной мощности падающего света типичная зависимость силы фототока I от приложенного напряжения U между катодом и анодом приведена на рис.1:
Рисунок 1 - Вольтамперная характеристика фотоэлемента
Поясним ход кривой вольтамперной характеристики. При некотором отрицательном напряжении Uз, называемым запирающим напряжением, фототок становится равным нулю. Это связано с тем, что максимальной кинетической энергии вылетающих фотоэлектронов Еmax недостаточно для совершения работы, равной eUз против тормозящих сил электрического поля между катодом и анодом (e - заряд электрона). При достаточно больших ускоряющих потенциалах (U > Uз) все фотоэлектроны, выбитые из катода, попадают на анод. Поэтому ток насыщения в этом режиме не изменяется при увеличении ускоряющего потенциала. При задерживающих потенциалах (Uз < U) на анод могут попасть лишь электроны, обладающие достаточно большим запасом кинетической энергии. Наконец, начиная с некоторого значения (потенциал запирания - Uз) даже наиболее быстрые электроны не могут попасть на анод. Очевидно, что запирающий потенциал связан с максимальной кинетической энергией фотоэлектронов соотношением
Согласно уравнению Эйнштейна, величина Uз для определённого фотокатода прямо пропорциональна частоте н падающего света:
eUз = Еmax= hн - А.
Для каждого вещества существует минимальная частота нmin, при превышении которой может наблюдаться фотоэффект. Она определяется из условия Еmax = 0 и описывается формулой
нmin = А/h.
Соответствующая длина волны, называемая красной границей фотоэффекта, равна
лmax = c /нmin ,
электромагнитный эйнштейн фотоэффект планк
где с - скорость света.
В данной работе осуществляется экспериментальная проверка уравнения Эйнштейна для фотоэффекта и измеряются значения постоянной Планка.
При выполнении точных экспериментов по определению постоянной Планка применяются фотоэлементы, имеющие вид сферического конденсатора, с фотокатодом на внутренней сфере (рис. 2):
Рисунок 2 - Схема экспериментальной установки для исследования фотоэлемента
Приборы, в основе принципа действия которых лежит явление фотоэффекта, называют фотоэлементами. Простейшим таким прибором является вакуумный фотоэлемент. Недостатками такого фотоэлемента являются: слабый ток, малая чувствительность к длинноволновому излучению, сложность в изготовлении, невозможность использования в цепях переменного тока. Применяется в фотометрии для измерения силы света, яркости, освещенности, в кино для воспроизведения звука, в фототелеграфах и фототелефонах, в управлении технологическими процессами.
В полупроводниковых фотоэлементах, под действием света происходит изменение концентрации носителей тока. Они используются при автоматическом управлении электрическими цепями (например, в турникетах метро), в цепях переменного тока, в качестве невозобновляемых источников тока в часах, микрокалькуляторах, в автомобилях, где применяются фотогальванические источники энергии, с явлением фотоэффекта связаны и многие фотохимические процессы, протекающие под действием света.
Для получения монохроматического света используется набор светодиодов.
Результаты работы.
Используя данные измерений, построили графики зависимости фототока I от задерживающего напряжения U для различных значений частоты падающего света. Экстраполируя полученные кривые до их пересечения с осью U, были найдены значения запирающего напряжения Uз для используемых частот света.
Построили график зависимости запирающего напряжения Uз от частоты света н. Экспериментально убедились, что запирающее напряжение линейно зависит от частоты света:
Uз = hн /c - A/e,
причём угловой коэффициент k наклона прямой равен h/e. Это позволило определить постоянную Планка: h = ke.
Коэффициент k наклона прямой был определён при помощи построенной зависимости Uз(н).
Список информационных источников
1. Копытин И.В., Корнев А.С., Манаков Н.Л., Фролов М.В. Квантовая теория. Часть 3: Курс лекций для вузов. 3-е изд. - Воронеж: Изд-во ВГУ, 2008. - 88 с.
2. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.4 Оптика. - М.: Наука, 1980. - С. 205-209.
3. Интернет-ресурс: http://www.phys.spb.ru.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Виды фотоэффектов: внешний, внутренний, фотогальванический и в газообразной среде. Зависимость вольт-амперных характеристик внешнего фотоэффекта от интенсивности и частоты света. Гипотеза М. Планка о квантах и кватновая теория фотоэффекта Эйнштейна.
презентация [1,4 M], добавлен 25.07.2015Виды фотоэлектрического эффекта. Внутренний и вентильный фотоэффект. Вольт-амперная его характеристика. Закон Столетова. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Экспериментальное подтверждение квантовых свойств света. Масса и импульс фотона.
реферат [53,2 K], добавлен 24.06.2015Тепловое излучение, квантовая гипотеза Планка. Квантовые свойства электромагнитного излучения. Формула Эйнштейна для фотоэффекта. Корпускулярно-волновой дуализм материи. Соотношения неопределенностей Гейзенберга. Стационарное уравнение Шредингера.
учебное пособие [1,4 M], добавлен 06.05.2013Законы внешнего фотоэффекта. Фотонная теория света. Масса, энергия и импульс фотона. Эффект Комптона. Тормозное рентгеновское излучение. Двойственная природа и давление света. Изучение основного постулата корпускулярной теории электромагнитного излучения.
презентация [2,3 M], добавлен 07.03.2016Изучение ключевых научных открытий Альберта Эйнштейна. Закон внешнего фотоэффекта (1921 г.). Формула связи потери массы тела при излучении энергии. Постулаты специальной теории относительности Эйнштейна (1905 г.). Принцип постоянства скорости света.
презентация [1,1 M], добавлен 25.01.2012Понятие фотоэффекта, его сущность и особенности, история открытия и изучения, современные знания. Законы Столетова, их значение в раскрытии свойств данного явления. Объяснение законов фотоэффекта с помощью квантовой теории света, уравнения Эйнштейна.
реферат [227,6 K], добавлен 01.05.2009Развитие квантовой физики: гипотеза квантов, теория атома, природа света, концепция целостности. Создание нерелятивистской квантовой механики, принципы ее интерпретации. Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена, принцип неопределенности Гейзенберга.
реферат [94,0 K], добавлен 14.02.2009Уравнения Максвелла. Идея о существовании электромагнитного поля. Магнитные явления, закон электромагнитной индукции Фарадея. Следствия уравнения непрерывности. Закон сохранения энергии, сила Лоренца. Дипольное, квадрупольное, магнито-дипольное излучение.
курс лекций [3,9 M], добавлен 07.08.2015Макс Планк как основоположник квантовой физики. Исследование фотоэффекта Столетовым. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов. Определение массы фотона. Применение явления фотоэффекта в автоматизации станков на заводах, солнечных батареях.
презентация [159,8 K], добавлен 02.04.2012Понятие абсолютно черного тела. Максвелловская теория электромагнетизма. Релятивистский закон сохранения энергии – массы. Теория относительности А. Эйнштейна. Поглощательная способность тела. Закон теплового излучения Г. Кирхгофа, Стефана-Больцмана.
реферат [748,6 K], добавлен 30.05.2012- История возникновения и формирования квантовой механики и квантово-механической теории твердого тела
Экспериментальные основы и роль М. Планка в возникновении квантовой теории твердого тела. Основные закономерности фотоэффекта. Теория волновой механики, вклад в развитие квантово-механической теории и квантовой статистики А. Гейзенберга, Э. Шредингера.
доклад [473,4 K], добавлен 24.09.2019 Тепловое излучение как излучение телом электромагнитных волн за счет его внутренней энергии. Закон Кирхгофа и закон Стефана–Больцмана, их сущность. Понятие энергетической светимости и поглощательной способности тела. Формулы Рэлея–Джинса и Планка.
презентация [313,1 K], добавлен 29.09.2011Изучение движения тела под действием постоянной силы. Уравнение гармонического осциллятора. Описание колебания математического маятника. Движение планет вокруг Солнца. Решение дифференциального уравнения. Применение закона Кеплера, второго закона Ньютона.
реферат [134,8 K], добавлен 24.08.2015Взаимодействие света с веществом. Основные различия в дифракционном и призматическом спектрах. Квантовые свойства излучения. Поглощение и рассеяние света. Законы внешнего фотоэффекта и особенности его применения. Электронная теория дисперсии света.
курсовая работа [537,4 K], добавлен 25.01.2012Корпускулярная и волновая теории света. Представления Макса Планка о характере физических законов. Явление интерференции и дифракции. Распространение импульсов в упругом светоносном эфире согласно теории Гюйгенса. Закон отражения и преломления света.
реферат [25,1 K], добавлен 22.11.2012Открытие внешнего фотоэффекта немецким физиком Генрихом Герцем. Вывод уравнения фотоэффекта Эйнштейном. Корпускулярные свойства света. Внутренний, внешний и вентильный фотоэффект. Применение фотоэффекта в медицине. Внутренний фотоэффект в полупроводниках.
реферат [34,4 K], добавлен 29.10.2011Анализ основных научных и мировоззренческих идей физика-теоретика и крупного общественного деятеля Альберта Эйнштейна. Основополагающие принципы и постулаты специальной и общей теории относительности. Основы квантовой теории и релятивистской космологии.
реферат [18,5 K], добавлен 14.12.2010Построение графика скорости центра масс фотона. Методы получения волнового уравнения Луи Де Бройля: выведение процесса описания движения центра масс фотона за рамки аксиомы. Основные математические модели, которые описывают главные характеристики фотона.
контрольная работа [628,3 K], добавлен 13.10.2010Концепция единого поля силового пространственного взаимодействия материальных тел. Перенесение в пространстве вакуумной среды энергии ее возбуждения. Законы Кулона в электромагнетизме и тяготения Мичелла-Кавендиша. Модификационная постоянная Планка.
статья [215,2 K], добавлен 09.04.2012Уравнения баланса тепла частиц. Броуновское движение. Уравнения Ланжевена и Фоккера-Планка. Основные положения линейной неравновесной термодинамики. Вывод соотношений взаимности Онсагера из теории флуктуаций. Электронный ветер. Ультраразреженные газы.
курсовая работа [293,3 K], добавлен 07.02.2016
