Apêndice Efeito Fotoelétrico, Laboratório de Estrutura da Matéria Fis101. Sobre o aparato instrumental: O kit experimental para estudos do efeito fotoelétrico é composto por um compartimento com uma lâmpada de mercúrio, um trilho ótico, uma fonte de alimentação (DC) ajustável, um amplificador de corrente DC, uma fonte de alimentação para a fonte de luz de mercúrio, fios e cabos diversos, um compartimento para a fotocélula que possui filtros ópticos com cinco freqüências diferentes e um disco de abertura com três diâmetros diferentes, e capas protetoras para os compartimentos da fotocélula e também para fonte de luz. Os compartimentos da fotocélula e da fonte de luz devem ser montados montar no trilho, ver figura 01. O aparelho tem várias características importantes: O amplificador de corrente tem uma elevada sensibilidade e é muito estável, a fim de melhorar a precisão da medição. A fotocélula tem baixos níveis de corrente de fundo e corrente inversa no ânodo. Os filtros ópticos são de alta qualidade, a fim de evitar um erro devido a interferência entre diferentes linhas espectrais. Aparato Instrumental (figura 1): 1. Compartimento com lâmpada de mercúrio (Hg) 2. Trilho de 60cm, 3. Compartimento da fotocélula 4. Fonte de alimentação da lâmpada de mercúrio 5. Amplificador de corrente DC 6. Fonte de alimentação DC (tensão constante) ajustável Elementos óticos (figura 2): 7. Carretilha com filtros com os seguintes comprimentos de onda: 365, 405, 436, 546 e 577 nm 8. Fendas circulares de entrada com os seguintes diâmetros: 2, 4 e 8 mm Tampão do compartimento do fotocélula (não representado) Tampão do compartimento da lâmpada de Hg (não representado)
Cabos e fios (figura 3): 9. Cabo de alimentação (110 V) 10. Cabo de conexão BNC, Fotodiodo 11. Cabo de conexão, Vermelho 12. Cabo de Conexão, Preto 13. Cabo de Interface Figura 1 Figura 2 Figura 3
Fonte de alimentação Sintonizável DC (tensão constante) A fonte de alimentação ajustável fornece potencial para a fotocélula, que é mostrado em um dos visores do voltímetro. A fonte de alimentação tem duas saídas: a tensão DC com duas faixas, -4.5V para 0V e -4.5V a 30V e a tensão de filamento (0-6.3V) que não é usado neste experimento. Power Switch: Desliga a alimentação do instrumento ON ou OFF. Voltmeter Displays: Um visor mostra o potencial através da tubo fotocélula e o outro visor mostra tensão do filamento (não utilizado neste experimento). Voltage Range Switch (DC): Define a faixa de tensão DC como -4.5V de + 30V para traçar características corrente-tensão e -4.5V a 0 V para medir o potencial de parada. Data Interface 8-pin DIN Ports: uma porta é para medir a tensão de CC (-4.5V - 0V / 30V) e podem ser ligadas ao aparelho de processamento de dados (Pasco Interface) e a outra porta serve para medir a tensão de filamentos ( 0 6.3V). ATENÇÃO: não é utilizado nesta experiência. Voltage Adjust Knobs: Um botão ajusta o potencial através da fotocélula para faixas de tensão DC e, o outro botão, ajusta o potencial para o filamento (não utilizado neste experimento). Power Output Ports: Um conjunto de portas é para produção de energia para a fotocélula e a outra é para a tensão de filamento (não utilizado neste experimento).
Amplificador de Corrente Constante Power Switch: Desliga a alimentação ao instrumento ON ou OFF. Data Interface 8-pin DIN Port: Porta para ligação do aparelho de processamento de dados (PASCO Interface). Current Range Switch: Define o intervalo de amplificação(10-8 to 10-13 A). Signal Switch: Ajusta o sinal para a calibragem da fotocélula (botão IN) ou MEDIDA (botão OUT). Current Calibration Knob: Ajusta a corrente através do instrumento para zero. Ammeter Display: Mostra a fotocorrente através da fotocélula. Input Signal: Porta de entrada BNC para o sinal do fotodiodo Montagem do fotodiodo e a Fonte de Luz (lâmpada de Hg) Os compartimentos do fotodiodo e da fonte de luz (lâmpada de Hg) devem ser montadas no trilho de 60 cm. Solte o parafuso que é perto da parte inferior do painel lateral de cada gabinete. Posicione as aberturas uma de frente para a outra de modo que eles distem 35 cm. Aperte o parafuso na parte inferior de cada gabinete para firmá-lo no trilho. Sobre a precisão na medidas Dois fatores podem afetar a precisão da medida. Em primeiro lugar, a fotocorrente que é extremamente pequena. Em segundo lugar, a teoria que desenvolvida para este experimento baseia-
se no fato de que apenas o cátodo é iluminado pela fonte de luz. Na fotocélula usada no experimento, o ânodo também recebe luz, direta ou refletida no próprio cátodo de modo que o ânodo também emite elétrons. A fotocorrente produzida pelo ânodo é menor que a fotocorrente produzida pelo cátodo. Essa corrente pode ser medida na situação em que o ânodo é colocado em um potencial negativo com relação ao cátodo, aumentando-se esse potencial reverso além do ponto em que a corrente é anulada, até que a corrente inversa chegue a uma situação de saturação.como consequência da existência da corrente do ânodo, o Potencial de parada V 0, obtido ao anular a corrente, não é o potencial que anula a fotocorrente do cátodo, ele anula a corrente resultante. (Para mais informações, consulte Experiências em Física Moderna por A. Melissinos, copyright 1966, Harcourt Brace Jovanovich) O aparelho tem um amplificador de corrente muito sensível e estável, de modo que uma pequena fotocorrente pode ser medida com precisão. O tubo fotodiodo tem um baixo nível de corrente escura e voltagem inversa no ânodo. Além disso, porque o potencial de parada em função da frequência é representada para várias linhas espectrais e o declive de potencial em função da frequência de parada é utilizada para calcular a constante de Planck, o método de inclinação dá um resultado preciso, mesmo se o potencial de parada não é exactamente correcta. Experimento 1: Medição e Cálculo da Constante de Planck Preparação para as medidas: 1. Cubra a janela da fonte de luz (lâmpada de Hg) com o tampão. Cobrir também a janela do gabinete do fotodiodo com o tampão. 2. Ajustar a distância entre o fonte de luz e o gabinete do fotodiodo entre 30,0 cm a 40,0 cm. Sendo a distância recomendada de 35,0 cm. 3. Na fonte da lâmpada de Hg, pressione o botão para ligar. Na fonte sintonizável DC (tensão constante) e no amplificador de corrente DC, pressione o botão POWER para a posição ON. 4. Espere que a fonte de luz e o aparelho aqueça por 10 minutos. 5. Na fonte de alimentação, coloque o interruptor no intervalo de voltagem -4.5V - 0 V. No amplificador de corrente, selecione a faixa de corrente de 10-13 A. 6. No amplificador de corrente, empurre o botão INPUT SIGNAL para a posição "in" para fazer a calibração. 7. Ajuste o botão CURRENT RANGE até que o amperímetro mostre uma corrente nula (zero).
8. Pressione o botão INPUT SIGNAL para que ele se mova para a posição "out" para efetuar as medidas. 9. Faça a conexão do gabinete do fotodiodo com as portas de saída -4.5V - 0 V da fonte de alimentação DC utilizando os cabos-bananas vermelhos e pretos. 10. Conecte o cabo BNC entre o fotodiodo e a porta BNC do Amplificador de corrente DC. Medidas: 1. Com cuidado, puxe o seletor de fendas do gabinete do fotodiodo e gire o disco de modo que a abertura de 4 mm de diâmetro esteja alinhado com a linha branca. Em seguida girar o cassete de filtros até que o filtro de 365 nm esteja alinhado com a linha branca. Finalmente, retire a tampão de cobertura. 2. Descobrir a janela da fonte de Luz. Linhas espectrais de comprimento de onda de 365 nm vai iluminar o cátodo na fotocélula. 3. Ajuste o botão VOLTAGE ADJUST na fonte de alimentação até que o medidor digital no Amplificador mostrar uma corrente nula (zero). Anote o valor do potencial de parada. 4. Repita o procedimento de medição para os outros filtros. 10. Desligue o interruptor de alimentação da lâmpada de mercúrio e o interruptor de alimentação das outras peças do kit. Girar o cassete de filtros até que o filtro de 0 nm esteja alinhada com a linha branca. Cubra as janelas da fonte de Luz e do fotodiodo. 11. Repetir a medidas para os outros diâmetros de abertura, 2 mm e 8 mm. Tratamento de dados 1. Traçar a curva do Potencial de parada (V) versus frequência (x 10 14 Hz). 2. Fazer o ajuste da curva obtida, que deve ser linear, e encontrar a inclinação do gráfico. Nota: A inclinação da curva é igual a razão h/e. 4. Calcule o valor da constante de Planck, h. E também o seu desvio avaliado. Compare seu valor calculado de h para o valor aceito, h0, 6,626 x 10-34 J s. 5. Obtenha a sua diferença percentual (h - h0) / h0 x 100% 6. Repita a análise de dados para as outras aberturas de fendas. Perguntas
1. Como o seu valor calculado de h compara com o valor aceito? 2. O que você acha que pode explicar a diferença - se alguma existir- entre o seu valor calculado de h e o valor aceito? 3. Como você pode encontrar o valor da função de trabalho a partir do gráfico do Potencial de Parada versus frequência? 4. Como o seu valor calculado de h, para cada abertura diferente, compara-se com o valor aceito? 2. Como é que a intensidade da luz afeta o potencial de parada? Experimento 2 - Características da corrente e tensão 1 Medidas das características da corrente e tensão de linhas espectrais - freqüência constante, de intensidade diferentes. Esta seção descreve as instruções para medir e comparar o atual versus características de tensão de uma linha espectral em três intensidades de luz diferentes. Preparação para as Medidas: 1. Cubra a janela da fonte de luz (lâmpada de Hg) com o tampão. Cobrir também a janela do gabinete do fotodiodo com o tampão. 2. Ajustar a distância entre o fonte de luz e o gabinete do fotodiodo entre 30,0 cm a 40,0 cm. Sendo a distância recomendada de 35,0 cm. 3. Na fonte da lâmpada de Hg, pressione o botão para ligar. Na fonte sintonizável DC (tensão constante) e no amplificador de corrente DC, pressione o botão POWER para a posição ON. 4. Espere que a fonte de luz e o aparelho aqueça por 10 minutos. 5. Na fonte de alimentação, coloque o interruptor no intervalo de voltagem -4.5V - 30 V. No amplificador de corrente, selecione a faixa de corrente de 10-11 A. (Se 10-11 A não for grande suficiente, por favor, vire a faixa de corrente para 10-10 A). 6. No amplificador de corrente, empurre o botão INPUT SIGNAL para a posição "in" para fazer a calibração. 7. Ajuste o botão CURRENT RANGE até que o amperímetro mostre uma corrente nula (zero). 8. Pressione o botão INPUT SIGNAL para que ele se mova para a posição "out" para efetuar as medidas.
9. Faça a conexão do gabinete do fotodiodo com as portas de saída -4.5V - 30 V da fonte de alimentação DC utilizando os cabos-bananas vermelhos e pretos. 10. Conecte o cabo BNC entre o fotodiodo e a porta BNC do Amplificador de corrente DC. Medidas - Freqüência Constante, diferentes intensidades. 1. Com cuidado, puxe o seletor de fendas do gabinete do fotodiodo e gire o disco de modo que a abertura de 2 mm de diâmetro esteja alinhado com a linha branca. Em seguida girar o cassete de filtros até que o filtro de 436 nm esteja alinhado com a linha branca. Finalmente, retire a tampão de cobertura. 2. Descobrir a janela da fonte de Luz. Linhas espectrais de comprimento de onda de 436 nm vai iluminar o cátodo na fotocélula. 3. Ajuste no botão VOLTAGE ADJUST a voltagem até que a corrente no amperímetro seja nula. Anote este valor. 4. Aumentar a tensão por uma pequena quantidade (por exemplo, 2 V). Anote a nova tensão e corrente numa Tabela. 5. Continuar a aumentar a tensão pelo mesmo pequeno incremento. Anotando a nova tensão e corrente na Tabela. Pare quando você chegar ao final da faixa de tensão. 6. Cubra as janelas da fonte de luz e do fotodiodo. 7. Repita os passos 1 a 7 selecionando as outras aberturas (4 e 8 mm). Análise 1. Plote os gráficos de corrente (eixo y) versus tensão (eixo x) para a linha espectral, 436 nm, com as três intensidades diferentes. Perguntas 1. Como as curvas de corrente versus tensão para a linha espectral, em três intensidades diferentes, podem ser comparadas? Em outras palavras, as curvas são semelhantes? 2. Como as curvas de corrente versus tensão para a linha espectral, em três intensidades diferentes, se diferenciam?
436 nm; 2 mm 436 nm; 4 mm 436 nm; 8 mm Experimento 3 - Características da corrente e tensão 2 Medidas das características da corrente e tensão de linhas espectrais - diferentes freqüências, intensidade constante. Esta seção descreve as instruções para medir e comparar a corrente versus tensão características de três linhas espectrais, 365 nm, 405 nm e 436 nm, mas com a mesma intensidade de luz. Preparação para as Medidas: 1. Cubra a janela da fonte de luz (lâmpada de Hg) com o tampão. Cobrir também a janela do gabinete do fotodiodo com o tampão. 2. Ajustar a distância entre o fonte de luz e o gabinete do fotodiodo entre 30,0 cm a 40,0 cm. Sendo a distância recomendada de 35,0 cm. 3. Na fonte da lâmpada de Hg, pressione o botão para ligar. Na fonte sintonizável DC (tensão constante) e no amplificador de corrente DC, pressione o botão POWER para a posição ON. 4. Espere que a fonte de luz e o aparelho aqueça por 10 minutos. 5. Na fonte de alimentação, coloque o interruptor no intervalo de voltagem -4.5V - 30 V. No amplificador de corrente, selecione a faixa de corrente de 10-11 A. (Se 10-11 A não for grande suficiente, por favor, vire a faixa de corrente para 10-10 A). 6. No amplificador de corrente, empurre o botão INPUT SIGNAL para a posição "in" para fazer a calibração. 7. Ajuste o botão CURRENT RANGE até que o amperímetro mostre uma corrente nula (zero). 8. Pressione o botão INPUT SIGNAL para que ele se mova para a posição "out" para efetuar as medidas. 9. Faça a conexão do gabinete do fotodiodo com as portas de saída -4.5V - 30 V da fonte de alimentação DC utilizando os cabos-bananas vermelhos e pretos. 10. Conecte o cabo BNC entre o fotodiodo e a porta BNC do Amplificador de corrente DC.
Medidas - Intensidade Constante, diferentes frequências. 1. Com cuidado, puxe o seletor de fendas do gabinete do fotodiodo e gire o disco de modo que a abertura de 4 mm de diâmetro esteja alinhado com a linha branca. Em seguida girar o cassete de filtros até que o filtro de 365 nm esteja alinhado com a linha branca. Finalmente, retire a tampão de cobertura. 2. Descobrir a janela da fonte de Luz. Linhas espectrais de comprimento de onda de 365 nm vai iluminar o cátodo na fotocélula. 3. Ajuste no botão VOLTAGE ADJUST a voltagem até que a corrente no amperímetro seja nula. Anote este valor. 4. Aumentar a tensão por uma pequena quantidade (por exemplo, 2 V). Anote a nova tensão e corrente numa Tabela. 5. Continuar a aumentar a tensão pelo mesmo pequeno incremento. Anotando a nova tensão e corrente na Tabela. Pare quando você chegar ao final da faixa de tensão. 6. Cubra as janelas da fonte de luz e do fotodiodo. 7. Repita os passos 1 a 7 selecionando os outros filtros no cassete (405 e 436 nm). Análise 1. Plote os gráficos de corrente (eixo y) versus tensão (eixo x) para as três linha espectrais (365, 405 e 436 nm) e única abertura de fenda escolhida. Perguntas 1. Como as curvas de corrente versus tensão para as três linhas espectrais, e intensidade constante, podem ser comparadas? Em outras palavras, as curvas são semelhantes? 2. Como as curvas de corrente versus tensão para as três linhas espectrais, e intensidade constante, se diferenciam uma da outra? 365 nm; 4 mm 405 nm; 4 mm 436 nm; 4 mm