Click here to load reader

Fotoelektricni-ucinak-konacna Verzija

  • View
    33

  • Download
    3

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Fizika seminarski rad

Text of Fotoelektricni-ucinak-konacna Verzija

SVEUILITE JOSIPA JURJA STROSSMAYERA U OSIJEKUELEKTROTEHNIKI FAKULTET

RAZLIKOVNE OBVEZE

FOTOELEKTRINI UINAK

SEMINARSKI RAD

Kolegij: Fizika (razlika)IZRADILI: Ivan Balogovi Marko Luki Josip Katalini Dario umi Ivan itina Nikola Komljenovi

Osijek, 2015. god.SADRAJ1.UVOD12.ODREIVANJE PLANCKOVE KONSTANTE22.1.Odreivanje Planckove konstante pomou fotoelektrinog efekta53.ODREIVANJE PLANCKOVE KONSTANTE -EKSPERIMENTALNI DIO73.1.Rezultati mjerenja93.2.Analiza rezultata104.FOTOELEKTRINI EFEKT125.FOTOELEKTRINI EFEKT EKSPERIMENTALNI DIO165.1.Rezultati mjerenja185.2.Analiza rezultata195.3.Neposredno odreivanje fizikalnih veliina226.ZAKLJUAK24LITERATURA25

1.

2. UVODSeminar se bavi fotoelektrinim efektom, tj. pojavom osjetljivosti fotoelije. Ovaj seminar e sadravati teorijski, eksperimentalni te statistiki i grafiki dio zahtjevanog zadatka. Tema je fotoelektrini uinak, odnosno fotoelektrini efekt te odreivanje Planckove konstante. Na poetku rada e biti obraen teorijski dio zadatka, tonije fotoelektrini efekt, taj dio e ukljuivati pojedine definicije i termine, te formule koje se koriste za razliite obrade podataka iz tog podruja, nakon toga slijedi eksperimentalni dio, te nakon njega analiza svih podataka koje smo dobili mjerenjem u labaratoriju, ista stvar e biti uinjena i sa Odreivanjem Planckove konstante. Da bi ve u uvodu malo bolje razumijeli kako nastaje fotoelektrini efekt ponovit emo otkrie poznatog fiziara Alberta Einstein-a, dakle on je otkrio da za svaki metal postoji najmanja frekvencija ispod koje nema fotoelektrinog efekta, s poveanjem intenziteta e se poveati broj izbaenih fotoelektrona, no nee doi do poveanja njihove energije.Zavisnosti udaljenosti fotoelije od izvora svjetlosti i jakosti fotostruje dokazane su eksperimentom u kojem smo odreivali osjetljivost fotoelije. Dobiveni zadaci vezani za eksperiment su rijeeni. Sveukupni rad rezultirao je konanim zakljucima.

3. ODREIVANJE PLANCKOVE KONSTANTEKlasina teorija zraenja polazi od pretpostavke da svjetlost zrae harmonijski oscilatori. M. Planck je uspjeno objasnio spektralnu gustou zraenja tako da je doao do zakljuka da spektralnu gustou savreno opisuje izraz:(2-1)gdje je m/s brzina svjetlosti u vakuumu, J/K Boltzmannova konstanta, a Js Planckova konstanta. Pri izvodu te formule nuno je pretpostaviti da oscilator koji emitira svjetlost moe poprimiti samo odreene vrijednosti energije. Na taj nain oscilator moe odjednom izraiti samo jedan cijeli kvant svjetlosne energije, jedan foton ija je energija povezana s frekvencijom v izraene svjetlosti:(2-2)Gdje se frekvencija moe izraziti pomou valne duljine preko relacije:(2-3)Rezultati mjerenja se dobro slau s vrijednostima koje se dobiju iz Planckova zakona (2-1) to je potvrda njegove valjanostiU klasinoj fizici energija je ne prekinuta varijabla i klasini harmoniki oscilator koji titra frekvencijom v moe imati bilo koju vrijednost energije od nule do neke maksimalne. Nasuprot tome, kvantni harmoniki oscilator moe imati samo odreene diskretne energije 0, slika 2.1.a) prikazuje energijski dijagram klasinog oscilatora koji titra frekvencijom v, a slika 2.1.b) doputena energijska stanja Planckova oscilatora.

Sl. 2.1: Klasini i kvantni oscilator.U statistikoj ravnotei, razna su stanja oscilatora uzbuena razliitim vjerojatnou proporcionalnom srednja energija takvog oscilatora je:(2-4)Ta formula prelazi u klasini izraz kada h0, to je u skladu s injenicom da u klasinoj fizici energija moe primiti neprekinuti niz vrijednosti.Ako se Rayleigh-Jeansovu formulu(2-5)Uvrsti u izraz (2-4) za srednju energiju kvantnog oscilatora dobit e se Planckov zakon zraenja crnog tijela:(2-6)Ili(2-7)gdje je v - frekvencija, - valna duljina, T temperatura izraena u kelvinima, m/s brzina svjetlosti, J/K Boltzmannova konstanta, a Js Planckova konstanta.

Sl. 2.2: Spektar idealnog crnog tijela (gustoa spektralne energije unutar upljine idealnog crnog tijela).Planckova ideja o kvantiziranosti energije ne moe se shvatiti ni opravdati zakonima klasine fizike. Planckova formula (3-6) prelazi u Wienovu formulu:(2-8)za frekvencije na jednom kraju spektra, a u Rayleigh-Jeansovu formulu:(2-9)Na drugom kraju spektra. Kada je , tada je, pa je stoga formula (1-6) prelazi u:(2-10)Ili(2-11)A to je upravo Rayleigh-Jeansova formula (2-9).Slino, za , te je i formula (2-6) prelazi u:(2-12)Ili,(2-13)a to je Wienova formula (2-8) za zraenje crnog tijela.1. 2. 2.1. Odreivanje Planckove konstante pomou fotoelektrinog efektaFoton frekvencije v koji uleti na katodu, moe izbaciti elektron iz metala ako mu je energija vea od izlaznog rada katode (vanjski fotoelektrini uinak). Neki od tako izbaenih elektrona dou na (neosvijetljenu) anodu uslijed ega se javlja napon izmeu anode i katode U , koji poprima odreenu graninu vrijednost nakon kratkog vremena izbijanja. Elektroni se gibaju u suprotnom smjeru od smjera elektrinog polja, stvorenog naponom U , a imaju maksimalnu kinetiku energiju odreenu frekvencijom svjetlosti: (Einsteionva jednadba) (2-14)gdje je A - izlazni rad s povrine katode, v- brzina elektrona, m - masa mirovanja elektrona. Elektroni e zbog toga dosezati anodu sve dok je njihova energija u elektrinom polju jednaka kinetikoj energiji:. (2-15)gdje je C - elementarni naboj.Ako su katoda i anoda od razliitih materijala javlja se dodatni kontaktni potencijal : (2-16)Uz pretpostavku da A i ne ovise o frekvenciji, jednadbe (2-15) i (2-17) daju linearnu ovisnost napona fotoelije U o frekvenciji upadne svjetlosti v:v, (2-17)

tj. u ovom eksperimentu koristimo relaciju: (2-18)Dobivena jednadba (2-18) je oito jednadba pravca oblika: (2-19)Iz jednadbi (2-18) i (2-19) slijedi: (2-20)Gdje je a - koeficijent smjera pravca, a C - elementarni naboj. Dakle, Planckova konstanta h se moe odrediti iz koeficijenta smijera pravca a: (2-21)

3. ODREIVANJE PLANCKOVE KONSTANTE -EKSPERIMENTALNI DIOEksperiment se postavlja prema slici 3.1. Najprije se postavlja optiko profilno postolje. Na jedan kraj postolja postavi se pukotina, a na drugi kraj foto-elija. Svjetiljka sa ivinim parama se postavi iza pukotine tako da meusobna udaljenost pukotine i svjetiljke bude oko . Difrakcijska reetka se postavi na dra pregrade, te se montira na okretni zglob. Koristei konveksne lee (postavljene na oko 20 cm), pukotina se fokusira tono na mjesto pregrade fotoelije. Odabere se irina pukotine tako da projekcija te pukotine bude iroka priblino 1 cm. Nakon postave opreme potrebno je u prostoriji napraviti to bolje uvjete za odvijanje eksperimenta, odnosno potpuno zamraiti prostoriju u kojoj se radi eksperiment. Za bolje praenje eksperimenta, isto tako potrebno je stalno koritenje bijelog papira kako bi se moglo vidjeti gdje tono pada snop svjetlosti, odnosno pada li na foto-eliju. Tako e, inae nevidljive UV linije postati vidljive zbog blage fluorescencije papira.

Sl. 3.1: Eksperimentalni postavTablica 3.1 Popis koritene opremeFoto-elija, za -detekciju, s kuitem h Spojni vodi, 250 mm, plavi

Difrakcijska reetka, 600 linija/mm Dra pregrade, mogunost privrivanja Pukotina, podesiva Dra lea Lee, namjetene, f + 100 mm ivina visokotlana svjetiljka 80 W Kabel za svjetiljku, BNC, l = 300 mm Spojni vodi, 250 mm, crveni

Dra svjetiljke, na postoljuNapajanje za spektralnu svjetiljku Univerzalno mjerno pojaaloDigitalni multimetarOptiko profilno postolje l = 60 cm (2 kom.)Nosa optikog profilnog postolja, podesivOkretni zglob optikog profilnog postoljaKlizni stalak za profilno postolje, h = 80 mm

Zakretanjem jednog kraja optikog postolja, gdje se nalazi foto-elija, na pregradu foto-elije se postupno superponiraju projekcije pukotine u boji, a nakon nekog vremena se odreuju stabilne razine napona. Prije svakog mjerenja, isprazni se kondenzator mjernog pojaala i provjeri njegova nulta razina sa zatvorenom pregradom foto-elije. Mjerno pojaalo je spremno za uporabu kada je ve prethodno ukljueno priblino 10 minuta. Za mjerni postupak podese se parametri mjernog pojaala i voltmetra.Mjerno pojaalo: elektrometar = Re> 1013 pojaanje = 100 vremenska konstanta = 0.Voltmetar 2V DC Postupak pri mjerenju sastoji se od nekoliko koraka:

1. korak: Provjerite eksperimentalni postav.

2. korak: Zatvoriti otvor na foto-eliji te pritisnuti tipku za pranjenje kondenzatora na mjernom pojaalu (drati tipku dok se na voltmetru ne pokae napon 0 V).

3. korak: Pomiui dio klupe s foto-elijom, namjestiti foto-eliju tako da odgovarajua boja pada na otvor foto-elije.

4. korak: Otvoriti otvor foto-elije.

5. korak: Priekati da se napon na voltmetru stabilizira te oitati vrijednost napona i upisati u tablicu.

6. korak: Ponoviti postupak od toke (2) pet puta za svaku boju i popuniti tablicu.

3.1. Rezultati mjerenjaTablica 3.1.1. Spektar crvene bojeSpektar crvene boje[nm]

Broj mjerenjaU [V]h [Js]10-34615

10.6031.98

20.6061.99

30.6142.02

40.6092

50.5951.96

Srednja vrijednost0.60541.99

Tablica 3.1.2. Spektar ute bojeSpektar ute boje[nm]

Broj mjerenjaU [V]h [Js]10-34580

10.6001.85

20.5971.849

30.5961.845

40.5981.852

50.5971.849

Srednja vrijednost0.5981.849

Tablica 3.1.3. Spektar zelene bojeSpektar zelene boje[nm]

Broj mjerenjaU [V]h [Js]10-34545

10.6101.78

20.6011.75

30.6131.78

40.6071.77

50.6141.79

Srednja vrijednost0.6091.774

Tablica 3.1