Wyznaczenie pracy wyjścia w oparciu o zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne.

Anna Wybraniec, Piotr Widźgowski - klasa 2d, rok szkolny 2009/2010

1. Wstęp teoretyczny

Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne polega na wybijaniu elektronu z powierzchni metalu pod wpływem fotonu. Wykorzystywana jest w nim falowa struktura światła. Dla niektórych metali, np rubidu czy cezu, zjawisko to można obserwować gdy na metal pada wiązka światła widzialnego, natomiast przykładowo w wypadku cynku efekt ten powodowany jest promieniowaniem ultrafioletowym, niewidzialnym gołym okiem.

Fotony wybijające elektrony z metalu:

Jeden foton może wybić tylko jeden elektron!
W oparciu o to zjawisko zbudowano komórkę fotoelektryczną, o bardzo szerokim zastosowaniu w nauce, technice, a także życiu codziennym.

Schemat budowy:

2. Cel doświadczenia

Celem naszego doświadczenia jest obliczenie potencjału hamowania, czyli pracy wyjścia. Jest to praca potrzebna do wybicia elektronu z powierzchni metalu (substancji), czyli pokonania bariery potencjału przy powierzchni, równa różnicy energii kinetycznej fotonu i wybitego elektronu.
Skorzystamy ze wzoru Einsteina-Milikana:

gdzie:

h - stała Plancka,
ν - częstotliwość padającego fotonu,
W - praca wyjścia,
Ek - maksymalna energia kinetyczna emitowanych elektronów

Za udowodnienie powyższego wzoru A. Einstein otrzymał w 1922 r. Nagrodę Nobla za zasługi dla fizyki teoretycznej, szczególnie za odkrycie praw rządzących zjawiskiem fotoelektrycznym.

3. Zestaw doświadczalny

Zdjęcie:

Elementy:

żarówka
włącznik
komórka fotoelektryczna Cezowa
woltomierz
źródło napięcia
opornik suwakowy
zasilacz
przełącznik do stabilizacji wskaźnika galwanometru
galwanometr

Schemat:

4. Przebieg doświadczenia, pomiary

Oświetlamy fotokatodę(3) i obserwujemy na galwanometrze(9) natężenie. Jest to tak zwany prąd fotoelektryczny. Woltomierz(4) wskazuje zero, odczyt z galwanometru zależy od natężenia światła. Kolejnym krokiem jest podłączenie źródła prądu(baterii, 5) w kierunku przewodzenia. Zmieniając opór na oporniku suwakowym(6) obserwujemy wzrost natężenia prądu. Zapisujemy wskazania woltomierza(4) z krokiem jeden na podziałce galwanometru(9).
Następnie zamieniamy bieguny, czyli podłączamy źródło prądu(5) w kierunku zaporowym. Zmieniając opór zapisujemy j.w. wartości pokazywane na woltomierzu(4). Pozwala nam to na wyznaczenie pracy wyjścia, czyli osiągnięcie celu naszego doświadczenia.

Przykładowy przebieg doświadczenia(zbliżenie miernik i galwanometr):

Przeprowadzamy trzy osobne doświadczenia, każde z innym natężeniem światła.

Tabela pomiarów i wykres:

5. Obliczenie pracy wyjścia

Do obliczeń wykorzystamy wzór Einsteina-Milikana, własne pomiary oraz widmo światła białego:

Żarówka paliła się światłem jasno-żółtym, więc przyjmujemy długość fali =570nm.

Przekształcenie wzoru na nasze potrzeby:

Gdzie:

Ww - praca wyjścia,
h - stała Plancka,
c - prędkość światła w próżni,
λ - długość fali światła padającego na fotokomórkę,
e - ładunek elementarny,
u - natężenie prądu.

Tabela danych:

Uh	0.31 V
e	1.6e-19 C
h	*6.6e-34 Js**
c	3e8 m/s
λ	570e-9 m

Obliczenia

6. Wnioski

Obliczając pracę wyjścia elektronu otrzymaliśmy wynik 1.86eV. Tablicowa wartość wynosi 2.14eV. Różnica otrzymanego przez nas wyniku z wartością tablicową wynika przede wszystkim z nieprecyzyjnego oszacowania długości fali światła padającego na fotokomórkę. Jest to jednak wynik bardzo zbliżony do oczekiwanego, inny zaledwie o 13%! Biorąc pod uwagę sposób ustalenia długości fali pozostajemy zadowoleni z otrzymanej wartości.