- Физика атомов и молекул, ядерная физика Составители: Прокошев В.Г. Прокошева Н.С. Скоробогатова Т.В Шишин С.И.
- ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ СТЕФАНА - БОЛЬЦМАНА Цель работы
- Приборы и оборудование
- Поглощательной способностью
- Экспериментальная установка
- ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 6.2 ИЗУЧЕНИЕ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА И ВАКУУМНЫХ ФОТОЭЛЕМЕНТОВ Цель работы
- Приборы и принадлежности
- Экспериментальная установка.
Методические указания к лабораторным работам по физике физика атомов и молекул, ядерная физика Составители Прокошев В. Г
 Скачать 331.5 Kb.
|
|
1 2
Министерство образования Российской Федерации Владимирский государственный университет Кафедра физики и прикладной математики МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ ПО ФИЗИКЕ Физика атомов и молекул, ядерная физика Составители: Прокошев В.Г. Прокошева Н.С. Скоробогатова Т.В Шишин С.И. Владимир 2002 Методические указания к лабораторным работам по физике. Физика атомов и молекул / Владимирский государственный университет: Сост.: В.Г. Прокошев, Н.С. Прокошева, Т.В. Скоробогатова, С.И. Шишин. Владимир. 2002. 46с. Указания содержат описание 5 лабораторных работ. В каждой работе сформулирована цель, дано краткое описание экспериментальной установки, изложены основные теоретические положения, задания, контрольные вопросы и рекомендуемая литература. Издание предназначено для студентов всех специальностей и видов обучения, изучающих раздел «Физика атомов и молекул» в курсе общей физики. Ил. 22. Библиогр.: 4 назв. Рецензент – доктор физ.-мат. наук, профессор Потехин К.А., Владимирский государственный педагогический университет. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ ПО ФИЗИКЕ Физика атомов и молекул. Под редакцией доцента Прокошева В.Г. Составители: Скоробогатова Татьяна Васильевна Прокошев Валерий Григорьевич Прокошева Надежда Сергеевна Шишин Сергей Иванович Работа в лаборатории требует от студента тщательной подготовки, поэтому кроме описания рекомендуется использовать литературу, указанную в задании. При подготовке к лабораторной работе в тетрадь необходимо внести:
При работе следует быть внимательным и выполнять правила техники безопасности. Инструкция по технике безопасности находится в лаборатории. В процессе измерений результаты заносятся в тетрадь в виде таблиц, разрабатываемых самими студентами. В тех случаях, когда это рекомендуется, необходимо проводить графические построения. Работа заканчивается составлением краткого заключения, в котором следует указать:
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ СТЕФАНА - БОЛЬЦМАНА Цель работы: определение постоянной в законе Стефана - Больцмана по излучению нечерного тела. Приборы и оборудование: установка для разогревания исследуемого образца током, амперметр, вольтметр, фотодиод, образец. Литература: [1] т.3, Гл.1; [2] гл.35; [3] гл.26, § 197-201. Теоретическая часть. Излучение телами электромагнитных волн осуществляется за счет различных видов энергии. Тепловое излучение – испускание электромагнитных волн за счет внутренней энергии тел. Тепловое излучение имеет место при любой температуре: при низких температурах излучаются практически лишь длинные (инфракрасные) электромагнитные волны, а при высоких – короткие (видимые и ультрафиолетовые) электромагнитные волны. Если распределение энергии между телом и излучением остается неизменным для каждой длины волны, состояние системы будет равновесным. Из всех видов излучений равновесным может быть только тепловое излучение. К равновесным состояниям и процессам применимы законы равновесной термодинамики. Интенсивность теплового излучения характеризуется величиной потока энергии, измеряемой в ваттах. Поток энергии, испускаемый единицей поверхности излучающего тела за единицу времени по всем направлениям, называется энергетической светимостью  (1)где  - поток энергии, измеряемый в ваттах, S – площадь излучающей поверхности.Обозначим поток энергии, испускаемый единицей поверхности тела в интервале частот (ω,ω+dω), через dR. При малом интервале dω поток dR, будет пропорционален dω: dR = rω,T dω (2) Величина rω,Tназывается испускательной способностью тела (спектральной плотностью энергетической светимости). Испускательная способность – это поток энергии, излучаемый с единицы площади, в малом интервале частот dω. Она является функцией температуры и частоты. Энергетическая светимость связана с испускательной способностью формулой  (3)Поглощательной способностью (или коэффициентом поглощения) тела а называется отношение поглощенного потока энергии к падающему в узком интервале частот вблизи данной частоты. Для всех тел а < 1. Если тело полностью поглощает падающее на него излучение, а = 1. Такое тело называется абсолютно черным. Согласно закону Кирхгофа, отношение испускательной и поглощательной способностей не зависит от природы тела, оно является для всех тел одной и той же (универсальной) функцией частоты (длины волны) и температуры:  (4) Рис. 1. Распределение энергии в спектре абсолютно черного тела Для абсолютно черного тела  , т.е. функция  , имеет смысл испускательной способности абсолютно черного тела. Спектр излучения абсолютно черного тела (зависимость функции f от частоты) имеет характерный максимум, который сдвигается при повышении температуры в высокочастотную часть спектра теплового излучения (закон смещения Вина) (рис.1).Вид функции , соответствующий опытным данным, удалось найти в 1900г. М. Планку. Для этого М. Планк выдвинул так называемую квантовую гипотезу. В соответствии с этой гипотезой электромагнитное излучение испускается в виде отдельных порций энергии, которые получили название квантов энергии. Величина кванта пропорциональна частоте излучения:ε = ћ ω (5) Коэффициент пропорциональности получил название постоянной Планка. Значение ћ, определенное из экспериментов равно: ћ = 1,054 ·10 -34 Дж · с В последствии эти порции энергии электромагнитного поля были интерпретированы как частицы - фотоны. Испускательная способность абсолютно черного тела в соответствии с квантовой гипотезой Планка имеет следующий вид:   (6)Рис.2. Энергетическую светимость R абсолютно черного тела можно найти из (6) интегрированием по частоте:  (7)Вычислив интеграл, получим  . (8)Это соотношение составляет содержание закона Стефана-Больцмана, где σ = 5,67 ·10-8 Вт/(м2·К4) – постоянная Стефана-Больцмана. Экспериментальная установка Схема установки для определения постоянной Стефана - Больцмана приведена на рис.3. Пластину Пл включают во вторичную обмотку трансформатора Тр, который питается от автотрансформатора АТ. Для измерения больших токов, идущих через пластину Пл, используется трансформатор тока ТТ, через первичную обмотку которого проходит измеряемый ток, а к выводам вторичной обмотки подключен амперметр.  С помощью вольтметра измеряют падение напряжения U на пластинке. На схеме (рис.3) введены обозначения: Пл – раскаленная пластинка, температура которой определяется, СФ – светофильтр, поглощающий излучение с длиной волны меньше 0.6 мкм с целью уменьшения влияния солнечного света и осветительных приборов в лаборатории на фотодиод. Излучение от раскаленной пластинки попадает на фотодиод. Возникающий в цепи фототок регистрируется микроамперметром (рис.4) Измерительная схема проградуирована. Каждому значению фототока поставлена в соответствие температура центральной части раскаленной пластинки. Градуировочный график зависимости температуры Т от силы тока Iф, протекающего через фотодиод, находится на лабораторном столе. Методика измерений Зная ток I, проходящий по пластинке, и падение напряжения U, можно подсчитать энергию, подводимую к пластинке в единицу времени: P = I U (9) Но не вся эта энергия излучается с поверхностей пластины за то же время. Часть ее P1 за счет теплопроводности отводится на сравнительно массивные контакты-зажимы, в которых закреплена разогреваемая током пластина. Часть идет на нагревание воздуха за счет теплообмена и конвекции. Пренебрегая нагреванием воздуха, закон сохранения энергии можно записать в виде: I U = 2 R S + P1, (10) где R – энергетическая светимость, S – площадь пластины. Температура пластины неодинакова на различных участках. В центре она максимальна и минимальна на концах. Это и определяет отвод энергии в форме тепла от центра пластины к краям. Согласно теории теплопроводности за промежуток времени dtк одному зажиму отводится энергия  (11) где χ – коэффициент теплопроводности пластины (для никеля χ = 69,5 Вт/(м∙К), нихрома χ = 16 Вт/(м∙К) ),  − площадь поперечного сечения пластины,  Δx− длина участка пластины, на котором изменяется температура от Т до Т1 ; H, D, L – линейные размеры пластины (рис.5). Рис.5. Приближенно можно считать, что Т1=Т0 , где Т0 − температура окружающей среды. Тогда за одну секунду в обе стороны будет отведена энергия  (12)Согласно формуле (10),  (13)По закону Стефана – Больцмана для нечерного тела: R = A σT 4, (14) где А - степень черноты (в расчетах принять А=0,85). Окончательно расчетная формула для определения постоянной Стефана – Больцмана имеет вид:  (15)Примечание. Если вместо пластинки используется круглая проволока радиусом R, то формула принимает вид:  (15а)Погрешность, с которой определяется постоянная Стефана - Больцмана, вычисляется как погрешность косвенных измерений с учетом погрешностей величин, которые мы измеряем непосредственно. Относительную погрешность для σ можно рассчитать по формуле:  (16)где ΔI, ΔU - абсолютные погрешности измерения I и U, определяемые классом точности измерительных приборов; ΔТ - погрешность измерения температуры Т, которая определяется по графику; ΔТ0 - погрешность измерения комнатной температуры, определяется ценой деления термометра; ΔН, ΔL, ΔD - погрешности измерения линейных размеров образца, определяются ценой деления приборов, которыми производятся измерения. Измерения 1. Ознакомьтесь со схемой. 2. Убедитесь, что регулятор напряжения АТ находится в крайнем левом положении, включите установку. 3. Вращая ручку автотрансформатора, нагреть пластинку до появления свечения. 4. Запишите соответствующие показания амперметра, вольтметра и микроамперметра в таблицу. По показаниям микроамперметра определите по графику температуру пластинки в средней части пластинки..
5. Повторите измерения несколько раз (по указанию преподавателя). 6. Ручку автотрансформатора вновь верните в нулевое положение. 7. Выключите установку из сети. 8. Определите температуру окружающей среды, а также линейные размеры пластины L, H, D. 9. По формуле (15) или (15а) рассчитайте постоянную Стефана - Больцмана, оцените погрешность измерения. Контрольные вопросы 1. Какое излучение называется тепловым, и чем оно отличается от других (перечислите каких) видов излучения? 2. Дайте определения основных характеристик теплового излучения. Какое тело называется абсолютно черным? 3. Сформулируйте закон Кирхгофа. 4. Какой вид имеет распределение энергии в спектре абсолютно черного тела? Нарисуйте кривые распределения в зависимости от длины (или частоты) волны для двух температур (Т2>Т1). 5. Закон Стефана - Больцмана. Законы смещения Вина. 6. Формула Рэлея - Джинса и "ультрафиолетовая катастрофа". 7. Квантовая гипотеза. Формула Планка. 8. Какое из тел, черное или нечерное, имеет выше температуру, если их яркости одинаковы? ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 6.2 ИЗУЧЕНИЕ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА И ВАКУУМНЫХ ФОТОЭЛЕМЕНТОВ Цель работы: изучение вольтамперных и световых характеристик вакуумных фотоэлементов. Приборы и принадлежности: фотоэлемент, микроамперметр, вольтметр, реостат, источник питания, регулируемый осветитель, люксметр. Литература [1] т.3, § 9; [2] гл.36, §§ 1,2; [3] гл.26, §§ 202 - 203. Теоретическая часть. Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием света. Опытным путем установлены следующие основные законы фотоэффекта:
При объяснении первого и второго законов встретились серьезные трудности. Согласно электромагнитной теории, вырывание свободных электронов из металла должно являться результатом их “раскачивания” в электрическом поле световой волны. Однако в этом случае непонятно, почему максимальная начальная скорость и кинетическая энергия вылетающих фотоэлектронов зависят от частоты света, а не от амплитуды колебаний вектора напряженности электрического поля и связанной с ней интенсивностью волны. Эти факты вызывали сомнения в универсальной применимости волновой теории света. Законы фотоэффекта находят свое объяснение в рамках квантовой теории, согласно которой электромагнитное поле квантуется, т.е. может быть представлено как совокупность дискретных частиц – квантов электромагнитного поля – фотонов. Эти кванты могут поглощаться или испускаться только как неделимое целое. Энергетический баланс при фотоэффекте выражается уравнением Эйнштейна  ,где  - энергия светового кванта, переданная электрону. Если эта энергия превышает энергию, необходимую для разрыва связи электрона с данным веществом (работу выхода А), то электрон покидает поверхность вещества, обладая кинетической энергией, максимально возможное значение которой определяется из уравнения Эйнштейна.Таким образом, внешний фотоэффект возможен только в том случае, когда энергия фотона больше или, в крайнем случае, равна работе выхода А. Следовательно, соответствующая красной границе фотоэффекта частота равна  . Она зависит только от работы выхода электрона, т.е. от химической природы металла и состояния его поверхности.В  нешний фотоэффект находит широкое практическое применение. Приборы, действие которых основано на явлении фотоэлектрического эффекта, называются фотоэлементами. Простейший тип вакуумного фотоэлемента представлен на рис.1. Рис.1. Это откачанный стеклянный баллон, одна половина которого покрыта изнутри металлом, играющим роль фотокатода К. Анод А обычно выполняется в виде кольца. Между анодом и катодом с помощью батареи Б создается разность потенциалов. При неосвещенном катоде ток в цепи фотоэлемента отсутствует. Чем больше световой поток Ф, т.е. больше фотонов падает на фотокатод, тем больше испускается электронов. Эти электроны захватываются анодом полностью только при достижении определенного напряжения U на фотоэлементе. При дальнейшем увеличении напряжения U ток в цепи практически не увеличивается, достигая насыщения. Ток насыщения Iнпри постоянном световом потоке Ф и напряжении U увеличивается при увеличении частоты света ω, начиная от пороговой красной границы ω0 до некоторого максимального значения ωн , а затем уменьшается. Последнее является следствием уменьшения вероятности процесса фотоэффекта. Е  сли изменить знак напряжения на фотоэлементе, то при достижении определенного значения Uзад можно добиться, что даже самые энергичные электроны не смогут преодолеть задерживающего поля, и фототок будет равен нулю (рис.2). Рис. 2. Вольт – амперная характеристика фотоэлемента. Сила фототока насыщения пропорциональна световому потоку Iн = jФ. Коэффициент j – мера чувствительности облучаемого участка. Чувствительность зависит от спектрального состава излучения. Для многих металлов явление фотоэффекта существует только в ультрафиолетовой области спектра. Для получения фотоэффекта в видимой части спектра пользуются щелочными и щелочноземельными металлами (натрий, калий, цезий, барий, рубидий и т.д.). Для ряда металлов, у которых красная граница лежит далеко в видимой части спектра, и которые, следовательно, чувствительны к широкому интервалу волн, наблюдается следующая особенность: фотоэффект имеет резкий максимум для определенного спектрального участка (селективный или избирательный фотоэффект). Чувствительность вакуумных фотоэлементов не превышает 150 мкА/ лм. Экспериментальная установка. Э  кспериментальная установка состоит из регулируемого осветителя в виде набора одинаковых ламп. Фотоэлемент и датчик люксметра размещены внутри установки. На переднюю панель вынесены тумблеры для включения ламп. Таким образом меняется освещенность на фотоэлементе и расположенном в непосредственной близости от фотоэлемента датчике люксметра. Определенная освещенность подбирается комбинацией включенных ламп осветителя. Схема включения фотоэлемента и измерительных приборов приведена на рис.3: ИП - источник регулируемого напряжения, V – вольтметр для измерения напряжения в цепи, А – микроамперметр для измерения фототока, ФЭ - фотоэлемент. Рис. 3. Схема экспериментальной установки Измерения 1. Снимите вольтамперную характеристику фотоэлемента. Установите зависимость фототока от напряжения при нескольких постоянных значениях светового потока (по указанию преподавателя). Постройте графики зависимостей I = f(U) по 10 - 12 точкам. Определите токи насыщения. 2. Снимите световые характеристики. Установите зависимость фототока от светового потока при нескольких постоянных значениях напряжения (по указанию преподавателя). Постройте графики по 10-12 точкам. 3. По данным световых характеристик рассчитайте чувствительность фотоэлемента:  , Ф = Е·S.,где Е – освещенность фотоэлемента, измеряемая с помощью люксметра, S– площадь светочувствительного слоя фотоэлемента (S = 1см2).
 .Контрольные вопросы
3. Как качественно, следуя волновой картине излучения, объяснить фотоэффект?
1 2
|