Determinarea experimentală a constantei lui Planck prin metoda câmpului întârzietor

1. Scopul lucrării

În această lucrare se urmăreste determinarea constantei lui Planck, a

energiei de extracție We pentru un electron din catodul celulei fotoelectrice

si a lungimii de undă a pragului fotoelectric, folosind efectul fotoelectric.

2. Teoria lucrării

Prin efect fotoelectric se înțelege fenomenul de punere în libertate a

electronilor dintr-un metal supus acțiunii radiațiilor din domeniu vizibil sau

ultraviolet, ca urmare a interacțiunilor dintre radiații si electronii liberi ai

metalului. Acest efect se mai numeste si efect fotoelectric extern si a fost

descoperit experimental de către fizicianul H. Hertz (1887).

Studii sistematice asupra acestui fenomen au fost efectuate de A. G.

Staletov (1898) si A. Einstein (1905) care au stabilit experimental legile

acestui fenomen.

Interpretarea teoretică a acestui fenomen a fost realizată de A. Einstein

pe baza teoriei cuantelor, prin extinderea ipotezei lui Planck, care a stabilit

totodată si o relație matematică pe baza legii conservării energiei:

hυ = hυ 0 + Ec (1)

unde E = hυ este energia fotonului incident, We = hυ0 este energia de

extracție al electronului din metal aflat la suprafața acestuia (h fiind

constanta lui Planck),

2

mv2

Ec = este energia cinetică inițială a

2

fotoelectronului emis iar υ0 - este frecvența minimă (limită) pentru care se

mai produce efectul fotoelectric si care se numeste frecvență de prag sau

pragul rosu al efectului fotoelectric.

Pentru studiul efectului fotoelectric se foloseste o celulă fotoelectrică

care este construită dintr-un tub vidat, având în interiorul său doi electrozi:

catodul K construit din metalul ce emite electroni sub acțiunea luminii si

anodul A, care este un inel metalic ce colectează electronii emisi de catod.

Datorită unei diferențe de potențial între anod si catod fotoelectronii

ce ajung la anod determină în circuitul exterior (fig. 1) un curent electric pus

în evidență de un galvanometru G.

Fig. 1 Fig. 2

Dependența intensității curentului fotoelectric de tensiunea aplicată

între electrozi este dată de curba prezentată în figura 2. Trebuie remarcat că

dacă condițiile experimentale rămân neschimbate atunci intensitatea curentului

fotoelectric de saturație Imax este proporțională cu intensitatea ℑ a radiației

incidente.

Această curbă pune în evidență următoarele proprietăți:

a) Dacă tensiunea aplicată U este nulă (U = 0), valoarea curentului

fotoelectric I = I0 ≠ 0.

b) Dacă tensiunea dintre electrozi creste luând valori pozitive curentul

I creste până atinge pentru valoarea U = Umax o valoare maximă Imax. În

continuare, dacă se măreste tensiunea U , curentul rămâne staționar. Dacă însă

tensiunea creste prea mult catodul poate fi distrus (străpuns).

c) Dacă U ia valori negative, intensitatea I scade si se anulează pentru

o valoare negativă a tensiunii (-U0) , unde U0 se numeste tensiunea inversă

maximă.

Pentru această valoare, lucrul mecanic al câmpului electric invers

(- eU0) devine egal în valoare absolută cu energia cinetică inițială a

electronului, adică înlocuind în legea de variație a energiei cinetice, rezultă: