Zestaw doświadczalny do prezentowania zjawiska fotoelektrycznego

Nigdy więcej problemów ze znalezieniem filtrów i przysłon, gdyż wbudowane są na stałe.

Zestaw doświadczalny do przeprowadzenia eksperymentu fotoelektrycznego
Wyznaczanie stałej Plancka z dokładnością 5%
Wygodne przeprowadzenie doświadczenia dzięki wbudowanemu pierścieniowi obrotowemu na filtry i przesłony

Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne:
to zjawisko emitowania naładowanych elektrycznie cząstek z materiału wystawionego na działanie promieniowania elektromagnetycznego (światła widzialnego lub promieniowania ultrafioletowego). Zjawisko jako pierwszy zaobserwował w roku 1886 Heinrich Hertz, zaś później badał je Friedrich Hallwachs. Metale emitują elektrony o ładunku ujemnym, gdy na ich powierzchnię oddziałuje światło. Energia kinetyczna elektronów zależy od częstotliwości nie zaś od natężenia światła. Zjawisko przeczyło ówczesnemu pojmowaniu energii wypracowanemu w ramach teorii fal. Dzięki teorii o kwantowej naturze światła opracowanej w roku 1905 przez Alberta Einsteina udało się wyjaśnić powyższe zjawisko. Einstein argumentował, że należy sobie wyobrazić światło jako strumień cząsteczek (fotonów), z których każdy oddziałuje na elektrony w metalu i posiada energię proporcjonalną do częstotliwości.
Koncepcyjna prostota zjawiska fotoelektrycznego i sposób wyjaśnienia kwantowej natury światła przez Einsteina predestynują ten eksperyment do stosowania w toku nauczania opartego na doświadczeniach.
Przebieg doświadczenia dzięki odwołaniu do kwantów dostarcza jasnego i zrozumiałego dowodu na niedoskonałość klasycznej fizyki. Umożliwia ponadto dokładne wyznaczenie stałej Plancka.
Trudności wiążące się z klasycznym podejściem:
W tradycyjnym eksperymencie światło pobudza emisję elektronów z katody i owe fotoelektrony płyną do anody. Następnie między katodą a anodą przykłada się napięcie hamujące. Energia kinetyczna rośnie dzięki różnicy potencjału do chwili, w której prąd osiągnie wartość zerową.
Przeprowadzenie powyższego, tradycyjnego eksperymentu jest niezwykle skomplikowane, ponieważ zarówno regulacja położenia zera w przypadku prądu o niskim natężeniu, jak również kontrolowana emisja z anody są bardzo trudne.
Proponowany zestaw doświadczalny eliminuje pierwszą i znacząco redukuje drugą trudność.
1. Napięcie hamujące jest mierzone bezpośrednio przy pomocy wzmacniacza o bardzo wysokiej rezystancji (>10^12 Ω), dzięki czemu można mierzyć prądy o najniższych nawet natężeniach.
2. Fotokomórki są skonstruowane specjalnie do tego użytku i wyselekcjonowane na potrzeby tego doświadczenia. Powyższy fakt oraz budowa głowicy fotoelektrycznej ze ścisłym zachowaniem granic tolerancji utrzymuje strumień płynący z anody na minimalnym poziomie. Z tego względu możliwy jest pomiar stałej Plancka z wysoką dokładnością powtórzeń (+/- 5%).
Jak to funkcjonuje?
Fotony światła monochromatycznego uderzają w katodę w rurze próżniowej i pobudzają ją do emisji elektronów. Energia kinetyczna Ek każdego elektronu jest równa energii oddawanej przez foton h, zredukowanej o pracę wyjścia lub energię wiązania katody W0, zgodnie z poniższym równaniem:
Ek = hv * W0
gdzie h to stała Plancka a W to częstotliwość padającego światła.
Niektóre z emitowanych elektronów uderzają w anodę, która uzyskuje ładunek ujemny względem katody. Gdy potencjał V0 anody jest wystarczająco duży, fotoelektrony nie mają dość energii, by pokonać różnicę potencjałów, do anody nie docierają więc kolejne elektrony, a potencjał anody wyrównuje się. Dzieje się tak, gdy:
eV0 = Ek= hv * W0
V0 mierzy się wmontowanym wzmacniaczem o bardzo wysokiej rezystancji. Gdy przedstawi się graficznie V0 jako funkcję częstotliwości padającego światła, wówczas wynik jest prostą o nachyleniu odpowiadającemu h/e i przebiegu na osi y równym W0 / e.
Filtry i przesłony są trwale zamontowane na obrotowej nakładce w obudowie z fotodiodą. Dzięki temu w nowym urządzeniu nie jest już niezbędna dodatkowa skrzynka na przesłony i filtry. Zmniejsza to znacząco ryzyko zabrudzenia.

Dane techniczne:

Wzmacniacz:
Zakres pomiaru: 100 nA do 0,1 pA, w 6 zakresach,
3,5-miejscowy wyświetlacz cyfrowy.
Pełzanie zera ≤ ± 0,2% zakresu pomiaru w czasie 30 min. w zakresie 0,1 pA (po 20 min. nagrzewania)

Wyjście na fotokomórkę:
± 2V i -2 do +30 V w dwóch zakresach,
3,5-miejscowy wyświetlacz cyfrowy.
Stabilność ≤ 0,1%

Fotokomórka:
Zakres widma: 300 - 700 nm
Czułość katody ≥ 1µA/Lm
Prąd ciemny: ≤ 0,2 pA

Filtry optyczne:
5 filtrów 365,0 nm / 404,7 nm / 435,8 nm / 546,1 nm / 578,0 nm

Lampa rtęciowa:
widmo z liniami spektralnymi 365,0 nm / 404,7 nm / 435,8 nm / 546,1 nm / 578,0 nm

Zawartość:

Lampa rtęciowa z zasilaczem, lampa fotoelektryczna z wbudowanym pierścieniem na filtry, zasilacz stałoprądowy, zasilanie DC, instrukcja w języku angielskim.