Работа выхода электронов

Элементы квантовой физики

* Атомная единица массы(а.е.м.) является единицей атомных масс химических элементов. 1 а.е.м. равна 1/12 массы изотопа углерода-12.

Характерные размеры атомов

*Линейные размеры атома определяется линейными размерами его электронной оболочки.
**Радиус атома водорода равен радиусу траектории движения электрона в атоме, т.е. радиусу первой электронной орбиты в атоме водорода.

Явление естественной радиоактивности

В состав радиоактивного излучения входят α-лучи (поток алфа-частиц-атомных ядер гелия), β-лучи (поток электронов и позитронов) и γ-лучи (поток фотонов высокой частоты – порядка 108TГц.

* Указана средня скорость, так как β-излучение содержит потоки заряженных частиц со всевозможными скоростями – от скорости, близкой к нулю, до скорости, близкой к скорости света.

Источник: http://www.kilomol.ru/ekf.html

Фотоэффект и определение постоянной планка и работы выхода электронов – физика

ФОТОЭФФЕКТ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ

ПЛАНКА И РАБОТЫ ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНОВ

          Цель работы: ознакомление с явлением внешнего фотоэффекта и определение постоянной Планка и работы выхода электронов из металла.

   Электромагнитное излучение обладает двойственной природой. При взаимодействии с веществом оно проявляет себя как поток частиц — фотонов  с энергией Е и импульсом Р, равными

Е = hν,    Р = kh/2π.                                          (1)

   Под действием электромагнитного излучения электроны могут вылетать из вещества. Это явление называют фотоэффектом.

   С точки зрения квантовой теории света взаимодействие света с электронами вещества можно рассматривать как неупругое столкновение фотона с электроном. При таком столкновении фотон поглощается, а его энергия передается электрону. Таким образом, в результате единичного акта  столкновения электрон приобретает дополнительную энергию.

   Кинетическая энергия электрона частично тратится на совершение выхода А против задерживающих сил, действующих в поверхностном слое вещества, а оставшаяся часть кинетической энергии есть максимальная кинетическая энергия вылетевшего фотоэлектрона. Уравнение Эйнштейна, описывающее баланс энергии для взаимодействия фотона с электроном имеет вид

hν = А + Еmax,                                               (2)

где hν — энергия поглощенного фотона, А — работа выхода электрона, Еmax — максимальная кинетическая энергия вылетевшего фотоэлектрона. Здесь предполагается, что кинетическая энергия электрона в  веществе до поглощения фотона много меньше энергии фотона.

   При экспериментальном изучении фотоэффекта  используется двухэлектродная лампа-диод. Один из электродов — катод, освещается светом определенной частоты. Вылетающие фотоэлектроны достигают анода. При фиксированной частоте и постоянной мощности  падающего света типичная зависимость силы фототока  I от приложенного напряжения U между катодом и анодом приведена на рис.1.

Рис.1

   При некотором отрицательном напряжении Uз, называемом запирающим напряжением, фототок обращается в нуль.

Это связано с тем, что максимальной кинетической энергии вылетающих фотоэлектронов Еmax недостаточно для совершения работы  eUз против тормозящих сил электрического поля между катодом и анодом ( e — заряд электрона).

Согласно уравнению Эйнштейна (1), величина Uз  для  определенного фотокатода прямо пропорциональна частоте ν падающего света

eUз = Еmax= hν – А.                                       (3)

   Для каждого вещества существует  минимальная частота νmin, при превышении которой может наблюдаться фотоэффект. Она определяется из условия  Еmax  = 0  и описывается формулой

νmin    = А/h.                                                         (4)

Соответствующая длина волны, называемая красной границей фотоэффекта, равна

λmax = c /νmin,                                                        (5)

где  с — скорость света.

   В данной работе осуществляется экспериментальная проверка уравнения Эйнштейна (2)  для фотоэффекта и измеряются значения  постоянной Планка h  и работы выхода электронов А для материала катода.

Выполнение измерений

   Схема экспериментальной установки приведена на рис.2.  Свет от источника S через систему оптических фильтров F попадает на фотокатод К фотоэлемента Ф. Между катодом К и анодом А с блока питания Б подается регулируемое тормозящее напряжение U. Тормозящее напряжение измеряется электронным вольтметром V ,  фототок — с помощью  микроамперметра  μА.

           S                           K

                F                 A          V             mA

                                           Б 

Рис.2

   Частота ν (длина волны λ) излучения, падающего  на фотоэлемент, регулируется подбором светофильтров.  Эксперимент заключается в определении зависимости запирающего напряжения Uз   от частоты света hν .  Он проводится следующим образом:

1. Включить осветитель и установить фильтр с определенной полосой пропускания.    

2. Включить блок питания и вольтметр .

3. Управляя напряжением блока питания  снять зависимость фототока, измеряемого микроамперметром, от задерживающего напряжения, измеряемого вольтметром.

4. Провести аналогичные измерения для других светофильтров. Результаты измерений занести в таблицу  1.

                                                                                                               Таблица 1

          Обработка результатов измерений заключается в следующем:

1. Построить графики зависимости фототока I  от задерживающего напряжения U  для различных значений частоты падающего света.

2. Экстраполируя полученные кривые до их пересечения с осью U, определить значения запирающего напряжения Uз для используемых частот света ( см. рис.3 ). При экстраполяции кривых малые значения фототока использовать не следует.

Рис.3

Результаты определения запирающего напряжения занести в таблицу 2.

                                                      Таблица 2

1. Используя табл. 2, построить график зависимости запирающего напряжения Uз от частоты света ν. Согласно уравнению (3) запирающее напряжение линейно зависит от частоты света

Uз  =  hν /c  —  A/e,

причем угловой коэффициент  k  наклона прямой равен   h/e. Это позволяет определить постоянную Планка по формуле

h  =  ke.

Коэффициент  k   наклона прямой  определяется с помощью построенной зависимости Uз(ν).

1. Экстраполируя график зависимости Uз(ν) до пересечения с осью абсцисс, определить частоту νmin, при которой запирающее напряжение обращается в нуль. Определить работу выхода электронов на основе формулы (4)

A  = hνmin

1. Оценить ошибку измерения работы выхода  DА.

Контрольные вопросы

1. Что такое фотоэффект?

2. Чем определяется максимальная кинетическая энергия вылетающих фотоэлектронов?

3. Что такое красная граница фотоэффекта?

4. Как оценить напряжение запирания?

Список рекомендуемой литературы

1. Савельев И.В.  Курс общей физики.  М.: Наука, т.3,  гл.2.

2. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Атомная и ядерная физика. ч.1,  М.: Наука, гл.1.

Источник: https://fizika-student.ru/fotoeffekt-i-opredelenie-postoyannoy-planka-i-raboty-vyhoda-elektronov.html

Работа выхода электронов из металлов, не металлов и неорганических соединений (Таблица)

В металлах имеются электроны проводимости, образующие электронный газ и участвующие в тепловом движении.

Так как электроны проводимости удерживаются внутри металла, то, следовательно, вблизи поверхности существуют силы, действующие на электроны и направленные внутрь металла.

Чтобы электрон мог выйти из металла за его пределы, должна быть совершена определенная работа А против этих сил, которая получила название работа выхода электрона из металла. Эта работа, естественно, различна для разных металлов.

Потенциальная энергия электрона внутри металла постоянна и равна:

Wp = -eφ , где j – потенциал электрического поля внутри металла.

При переходе электрона через поверхностный электронный слой потенциальная энергия быстро уменьшается на величину работы выхода и становится вне металла равной нулю. Распределение энергии электрона внутри металла можно представить в виде потенциальной ямы.

В рассмотренной выше трактовке работа выхода электрона равна глубине потенциальной ямы, т.е.

Aвых = eφ

Этот результат соответствует классической электронной теории металлов, в которой предполагается, что скорость электронов в металле подчиняется закону распределения Максвелла и при температуре абсолютного нуля равна нулю. Однако в действительности электроны проводимости подчиняются квантовой статистике Ферми-Дирака, согласно которой при абсолютном нуле скорость электронов и соответственно их энергия отлична от нуля. 

Максимальное значение энергии, которой обладают электроны при абсолютном нуле, называется энергией Ферми EF . Квантовая теория проводимости металлов, основанная на этой статистике, дает иную трактовку работы выхода. Работа выхода электрона из металла равна разности высоты потенциального барьера eφ  и энергии Ферми.

Aвых = eφ' – EF

где φ' – среднее значение потенциала электрического поля внутри металла.

Таблица работа выхода электронов из простых веществ

В таблице приведены значения работы выхода электронов, относящихся к поликристаллическим образцам, поверхность которых очищена в вакууме прокаливанием или механической обработкой. Недостаточно надежные данные заключены в скобки.

Таблица работа выхода электронов из неорганических соединений

В таблице приведены значения работы выхода электронов, относящихся к поликристаллическим образцам, поверхность которых очищена в вакууме прокаливанием или механической обработкой. Недостаточно надежные данные заключены в скобки.

_______________

Источник информации:

1. Landolt-Borstein's Zahlenwerte und Funktionen aus Phsik, Chemie, Astrunumie, Geophysik, Thechnik, 6-е издание., Берлин, т. I, ч.4, 1955; т. II, ч.6, разд. 1, 1959.

2. В.С. Фоменко. Эмиссионные свойства элементов и химических соединений. Изд. АН УСССР, Киев, 1961.

Источник: https://infotables.ru/fizika/132-rabota-vykhoda-elektronov-iz-metallov-tablitsa

Таблица: Работа выхода электронов из металлов, не металлов и неорганических соединений

В металлах имеются электроны проводимости, образующие электронный газ и участвующие в тепловом движении.

Так как электроны проводимости удерживаются внутри металла, то, следовательно, вблизи поверхности существуют силы, действующие на электроны и направленные внутрь металла.

Чтобы электрон мог выйти из металла за его пределы, должна быть совершена определенная работа А против этих сил, которая получила название работа выхода электрона из металла. Эта работа, естественно, различна для разных металлов.

Потенциальная энергия электрона внутри металла постоянна и равна:

Wp = -eφ , где j – потенциал электрического поля внутри металла.

При переходе электрона через поверхностный электронный слой потенциальная энергия быстро уменьшается на величину работы выхода и становится вне металла равной нулю. Распределение энергии электрона внутри металла можно представить в виде потенциальной ямы.

В рассмотренной выше трактовке работа выхода электрона равна глубине потенциальной ямы, т.е.

Aвых = eφ

Этот результат соответствует классической электронной теории металлов, в которой предполагается, что скорость электронов в металле подчиняется закону распределения Максвелла и при температуре абсолютного нуля равна нулю. Однако в действительности электроны проводимости подчиняются квантовой статистике Ферми-Дирака, согласно которой при абсолютном нуле скорость электронов и соответственно их энергия отлична от нуля.

Максимальное значение энергии, которой обладают электроны при абсолютном нуле, называется энергией Ферми EF . Квантовая теория проводимости металлов, основанная на этой статистике, дает иную трактовку работы выхода. Работа выхода электрона из металла равна разности высоты потенциального барьера eφ и энергии Ферми.

Aвых = eφ’ — EF

где φ’ – среднее значение потенциала электрического поля внутри металла.