Laboratorium Fizyka Współczesna I

Sprawozdanie z ćwiczeń z dnia 29.11.2013

Przyroda II rok

Gdańsk, 04.12.2013

1. Układ doświadczalny - korpuskularna natura światła

Przeprowadzaliśmy doświadczenie przy użyciu lampy spektralnej rtęciowo-kadmowej (HgCd), emitowała ona światło białe, które następnie wpadało do monochromatora SPM2 (szczegółowy schemat - Rys.1.2.), tam wiązka uległa rozszczepieniu, zaś monochromator umożliwił wyjście tylko temu światłu, które miało pożądaną długość fali (tzw. światło monochromatyczne - mono). Wychodzące światło monochromatyczne wychodzące z monochromatora padało na fotokomórkę (FK), która zasilana była zasilaczem laboratoryjnym (Z). Manipulując napięciem próbowaliśmy ustawić takie, które spowodowało spadek natężenia fotoelektrycznego (na elektrometrze) do zera. Zmiany te obserwowaliśmy na multimetrze cyfrowym podłączonym do elektrometru, gdy wskazywał on 0V wtedy odczytywaliśmy wartość napięcia na zasilaczu - odczytana wartość to tak zwana wartość napięcia hamującego.

Rys.1.1. Schemat układu doświadczalnego

Źródło: opracowanie własne

Ważnym elementem umożliwiającym zbadanie napięcia hamującego dla wybranej długości fali jest wyżej wspomniany monochromator SPM2. Jest to układ zwierciadeł wraz z elementem dyspersyjnym, który umożliwia wyodrębnienie poszczególnych długości fal. Przez szczelinę 1 pada wiązka, która następnie odbita zostaje przez zwierciadło sferyczne (Zs1) do zwierciadła płaskiego (Zp), wiązka światła białego ponownie zostaje odbita - po odbiciu pada na umieszczony w środku element dyspersyjny (pryzmat) i zostaje rozszczepiona na kilka wiązek o różnych kolorach, długościach i prędkościach fal. Wiązki te wychodzą z pryzmatu po załamaniu, następnie odbijają się od kolejnego zwierciadła sferycznego (Zs2) i padają na ustawioną przeszkodę ze szczeliną (szczelina 2). Przez szczelinę tę przechodzi jedna wiązka, o konkretnej długości fali. Schemat ten został przedstawiony na Rys.1.2.

Rys.1.2. Schemat działania monochromatora SPM2

Źródło: opracowanie własne

Monochromator SPM2 umożliwia sprzężenie obrotu pryzmatu z przesuwem skali długości fali. Urządzanie jest bardzo wygodne w użyciu, ponieważ posiada pokrętło ze skalą, a mechanizm sam dostosowuje położenie pryzmatu do wybranej długości fali.

Wartość napięcia hamującego rośnie wtedy, gdy maleje długość fali, co dane jest zależnością:

Uh - napięcie hamujące

h - stała Plancka

e - ładunek elektronu

v - częstość padania fali

c - prędkość światła w próżni

λ - długość fali

vo - częstość graniczna

2. Wyznaczenie stałej Plancka h i pracy wyjścia W

l.p.	λ [nm]	Uh[V]	v[1/s]
1	578	0,436	5,2*10^14
2	546	0,567	5,5*10^14
3	508	0,701	5,9*10^14
4	434	0,984	6,9*10^14
5	404	1,114	7,4*10^14
6	366	1,485	8,2*10^14

Korzystając z wyżej wymienionych wzorów obliczamy częstotliwość poszczególnych długości fal świetlnych. Umożliwia nam to wykreślenie zależności pomiędzy napięciem hamującym, a częstotliwością. Zależność ta została przedstawiona poniżej (Rys.2.1).

Rys.2.1. Wykres zależności Uh do v

Źródło: opracowanie własne

Poprowadzona linia regresji ma wzór: Uh=3*10^-15v - 1,2546, zatem podstawiając do oryginalnego wzoru na napięcie hamujące otrzymujemy wartości z odchyleniami:

h/e = 3*10^-15 ± 0,177*10^-15 [J*s*C^-1]

-W/e = -1,2546 ± 0,117 [J*C^-1]

dla

e = 1,6022*10^-19 [C]

Wyliczając wartości stałej Plancka h i pracy wyjścia W otrzymujemy:

h = e*3*10^-15

h = 1,6022*10^-19 *3*10^-15

h = 4,81 *10^-34 [J*s]

W = e*1,2546

W = 1,6022*10^-19*1,2546

W = 2,01*10^-19[J]

Obliczona wartość stałej Plancka h (h = 4,81 *10^-34 [J*s]) znacznie różni się od wartości teoretycznej (h_t = 6,63 *10^-34 [J*s]), co może wynikać z niedokładności naszych pomiarów i błędów w odczycie. Pokrętło zasilacza było bardzo wrażliwe na najdrobniejszy ruch, co mogło spowodować, iż wyniki przez nas otrzymane nie są prawidłowe.

Kolejnym krokiem było obliczenie częstotliwości granicznej, poniżej której zjawisko fotoelektryczne nie zachodzi wcale. Wynika to z faktu, iż efekty fotoelektryczny zachodzi tylko wtedy, kiedy jego energia jest większa od pracy wyjścia, W.

Zatem korzystając z naszych wyliczeń otrzymujemy:

W = 2,01*10^-19[J]

h = 4,81 *10^-34 [J*s]

v_o = (2,01*10^-19)/( 4,81 *10^-34)

v_o = 4,182*10¹⁴ [1/s]

Wartość graniczna dla h = 6,63 *10^-34 [J*s]

v_o = 3,032*10¹⁴ [1/s]

Wartość graniczna częstości (v_o) dla naszych wyliczeń to v_o = 4,182*10¹⁴ [1/s].

4

---