Vnější fotoefekt

Návod k experimentu

V této úloze stejně jako fyzikové na přelomu 19. a 20. století budete experimentálně zkoumat závislost brzdného napětí (čili max. kinetické energie elektronů v elektronvoltech) U0(f) na frekvenci světla dopadajícího na fotokatodu.

Přitom si prakticky vyzkoušíte základy grafického zpracování dat (např. v programu MS Excel), které vám umožní experimentálně ověřit platnost Einsteinovy rovnice pro vnější fotoefekt a zároveň určit Planckovu konstantu i materiálovou charakteristiku (výstupní práci elektronu).

Vnější fotoelektrický jev lze experimentálně zkoumat dvěma standardními metodami:

  1. Jednodušší nabíjení kondenzátoru na brzdné napětí – napětí přímo odečítáte z voltmetru, případně použijete statistické zpracování.

    Česká vzdálená laboratoř – Vnější fotoefekt (C)

    Německá vzdálená laboratoř


  2. Komplexnější studium volt–ampérové charakteristiky vakuové fotonky – brzdné napětí je třeba nejprve vyhodnotit z měření V-A charakteristiky jako nejmenší (záporné) napětí, při kterém začne fotonkou protékat fotoproud.

    Česká vzdálená laboratoř – Vnější fotoefekt (VA)
    http://kdt-29.karlov.mff.cuni.cz

    Počítačová simulace měření (funguje vždy a díky názornosti pomáhá pochopit princip měření).

K dispozici máte:

Popis aparatury – pohled shora

Uspořádání měřicí aparatury (Fotoefekt I)

  1. Zdroj světla
    (1a – rtuťová výbojka 125 W; 1b – kryt a stínítko výbojky)
  2. Interferenční filtry pro výběr monochromatického světla
    (2a – stínítko filtrového kola ThorsLab; 2b – otočný karusel s filtry kromě zakryté pozice 0; 2c– vysoce svítivá infračervená LED 940 nm s širším úhlem vyzařování)
  3. Vakuová fotonka Phywe
    (3a – boční stínítko; 3b – kryt; 3c – vnitřní stínítko fotonky se dvěma okénky; 3d – stínítko anody mezi dvěma vstupními okénky pro světlo; 3e – anoda v ose symetrie fotokatody; 3f – fotokatoda)
  4. Bílá destička pro odraz světla do webkamery
  5. Webkamera (POZOR – mírně zkresluje barvy a je citlivá i mimo viditelné spektrum!)


 

Metoda A:   Nabíjení kondenzátoru na brzdné napětí

Ke zkoumání vlastností vnějšího fotoelektrického jevu použijeme vakuovou fotonku, která se skládá ze dvou elektrod ve skleněné baňce, z níž byl vyčerpán vzduch. Na větší elektrodu (fotokatodu) necháme dopadat světlo (elektromagnetické záření) o frekvenci f, která souvisí s vlnovou délkou λ vztahem

f = c/λ , (2)
kde c = 3·108 m·s−1 je rychlost světla ve vakuu. K vakuové fotonce, v níž vzduch nebrání pohybu elektronů, připojíme kondenzátor, který se od fotonky může nabíjet.

Obr. 2: Schéma zapojení vakuové fotonky, k níž je paralelně připojený kondenzátor a spínač pro vybití. Fotokatoda je připojena ke kladnému vstupu operačního zesilovače, anoda k zápornému vstupu.

Při nabíjení však elektrické napětí na kondenzátoru nemůže růst do nekonečna; zvyšující se záporný elektrický náboj na anodě čím dál více odpuzuje další elektrony vyražené a přiletující z fotokatody, takže při určité hodnotě napětí na kondenzátoru už žádné další elektrony k anodě nemohou doletět a nabíjení od fotonky se zastaví. Tuto hodnotu záporného elektrického napětí nazýváme brzdné napětí U0 (protože brzdí a odpuzuje další přiletující elektrony) a můžeme ji přímo měřit speciálním voltmetrem se zesilovačem. Navíc můžeme experimentálně zkoumat, jak hodnota brzdného napětí závisí vlnové délce, resp. na frekvenci f světla dopadajícího na fotokatodu ... U0(f).

Zdrojem světla je rtuťová výbojka o příkonu 125 W. Ta poskytuje jasné spektrální čáry o vlnových délkách 365 nm, 405 nm, 435 nm, 536 nm a 578 nm, z nichž jednu zvolíme pomocí interferenčních filtrů F1 až F5. Šestá pozice F6 odpovídá zcela zatemněné fotonce, na jejíž fotokatodu můžeme případně posvítit infračervenou LED o vlnové délce 940 nm.


 

Metoda B:   Studium volt-ampérové charakteristiky vakuové fotonky

Při studiu volt-ampérové charakteristiky vakuové fotonky je fotonka zapojena v jednoduchém el. obvodu jako na obr. 5 společně se zdrojem el. napětí a rezistorem s odporem okolo 50 megaohmů. (Vyšší odpor znamená větší zesílení fotoproudu.) Rezistor je zapojen mezi fotokatodu a uzemnění (GND). Měření může být řízeno jak uživatelem, tak automaticky s využitím platformy ISES (která na výstupní napěťové konektory posílá pilovitý signál).

Fig. 5
Obr. 5: Schéma elektrického obvodu.

Napětí na rezistoru je zesíleno vysokoimpedančním operačním zesilovačem Phyve (vstupní impedance 1013 Ω), zesílený signál je přiveden do modulu ISES-voltmetr.

Vstupní kanály jsou doplněny jednoduchými nízkofrekvenčními propusťmi pro naměření hladších křivek a k potlačení tzv. aliasingu, který by mohl měření zkreslit. Kvalitní relé s dobrou izolací jsou využita pro zařazení rezistorů 10–100 megaohmů, na nichž dochází k zesílení signálu.

Motorizované kolo s šesti pozicemi pro filtry umožní přesně vybrat vlnovou délku světla dopadajícího na fotokatodu. Vlnové délky jsou dobře definované díky použití interferenčních filtrů i rtuťové výbojky, která poskytuje pět jasných spektrální (emisních) čar: 365 nm, 405 nm, 436 nm, 546 nm, and 567 nm. Výběrem pozice F6 necháme fotonku zcela zastínit.

Rtuťová výbojka (s příkonem 125 W) má luminofor, který přispívá k potlačení aliasingu.