Устройство экспериментальной установки

Изучение законов внешнего фотоэффекта в данной работе проводится на установке, показанной на рисунке 25.2.

Анодное напряжение на ламповом фотоэлементе подается от универсального выпрямителя (ВУПа) и регулируется ручкой потенциометра R, встроенного в ВУП. Измеряется анодное напряжение с помощью вольтметра V, а сила тока в фотоэлементе – с помощью микроамперметра mA. Фотоэлемент освещается с помощью лампового фонаря (Л), яр

Освещенность фотоэлемента измеряется люксметром, работающим на основе внутреннего фотоэффекта. Фотоэлемент люксметра вместе с матовым поглотителем при измерении освещенности следует располагать непосредственно перед исследуемым ламповым фотоэлементом перпендикулярно падающему световому потоку. Численное значение, измеренное по люксметру и умноженное на коэффициент поглощения (N =100), представляет собой освещенность, выраженную в люксах.

Оборудование: ВНИМАНИЕ! Запрещается снимать матовый поглотитель с фотоэлемента люксметра.

2. На лампу накаливания подайте некоторое напряжение через Латр и тем самым осветите фотоэлемент.

3. Изменяя напряжение потенциометром на выпрямителе, снимите зависимость фототока от анодного напряжения при постоянной освещенности (не менее десяти точек). Данные занесите в таблицу 6.1. Освещенность Е₁ измерьте люксметром и полученное значение запишите в таблицу 25.1.

Таблица 25.1 – Экспериментальные данные для освещенности Е ₁

4. Измените освещенность и снимете аналогичную зависимость. Данные занесите в таблицу 25..2.

Таблица 25.2 – Экспериментальные данные для освещенности Е ₂

5. Далее установите с помощью потенциометра ВУПа и вольтметра постоянное анодное напряжение на фотоэлементе в пределах, возможных для данного выпрямителя.

6. Снимите зависимость фототока от освещенности. Для этого, изменяя последовательно напряжение на ЛАТРе и тем самым, меняя освещенность фотоэлемента, измерьте не менее десяти значений силы тока фотоэлемента при различных значениях освещенности. Данные занесите в таблицу 25..3.

Таблица 25.3 – Экспериментальные данные для анодного напряжения U ₁

7. Измените анодное напряжение и проведите аналогичные измерения. Данные занесите в таблицу 25.4.

Таблица 25.4 – Экспериментальные данные для анодного напряжения U ₁

8. По данным таблиц 25.1 и 25.2 зависимости фототока от анодного напряжения постройте вольтамперные характеристики исследуемого фотоэлемента.

9. По данным таблиц 25.3 и 25.4 постройте зависимости фототока от освещенности – люксамперные характеристики фотоэлемента.

1. Внешний фотоэффект и законы Столетова А.Г. для него.

2. Люксамперная характеристика фотоэлемента и объяснение характера этой зависимости.

3. Задерживающее напряжение фотоэлемента и способ определения максимальной кинетической энергии фотоэлектронов.

5. Квантовая природа поглощения света. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

7. Фотоэлемент с внешним фотоэффектом, принципы его работы и характеристики.

8. Вольтамперная характеристика фотоэлемента и объяснение характера этой зависимости.

Лабораторная работа №26: Определение постоянной Стефана – Больцмана

Цель работы: Определить постоянную Стефана -Больцмана

Оборудование: экспериментальная установка, оптический пирометр “Проминь”

Излучение телами электромагнитных волн (свечение тел) может осуществляться за счет различных видов энергии. Самым распространенным является тепловое излучение. Тепловым излучением называется испускание электромагнитных волн за счет внутренней энергии тел. Все остальные виды свечения, возбуждаемые за счет энергии, кроме внутренней (тепловой), объединяются под общим названием «люминесценция».

В данной работе изучаются закономерности теплового излучения. Интенсивность теплового излучения характеризуется энергетической светимостью R, равной потоку энергии, испускаемого единицей поверхности излучающего тела по всем направлениям (в пределах телесного угла 2 π). Энергетическая светимость представляет собой полную мощность теплового излучения с единицы поверхности тела. Энергетическая светимость является функцией температуры.

Тепловое излучение имеет сплошной спектр, оно состоит из волн различных частот ω (или длин λ). Для описания распределения мощности излучения по спектру используются следующие величины.

Обозначим поток энергии, испускаемый единицей поверхности тела в интервале частот dω, через dR_ω. При малом интервале dω поток dR_ω будет пропорционален dω:

Величина

называется испускательной способностью тела и является функцией частоты и температуры.

Энергетическая светимость связана с испускательной способностью формулой

Излучение можно характеризовать вместо частоты ω длиной волны λ. Из соотношения

(с – скорость света в вакууме) следует

Знак минус не имеет существенного значения и в дальнейшем может быть опущен. Так как интервалы dω и dλ связаны выше указанным соотношением, то они относятся к одному и тому же участку спектра, а следовательно, величины

должны совпадать:

Пусть на элементарную площадку поверхности тела падает поток лучистой энергии

, обусловленный электромагнитными волнами, частота которых заключена в интервале dω. Часть этого потока

будет поглощена телом. Безразмерная величина

называется поглощающей способностью тела.

По определению

не может быть больше единицы. Тело, которое полностью поглощает упавшее на него излучение всех частот, называется абсолютно черным. Для него

. Тело, для которого

, называют серым.

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:

Из определения абсолютно черного тела следует, что для него

, т.е. универсальная функция Кирхгофа есть не что иное, как испускательная способность абсолютно черного тела.

При теоретических исследованиях для характеристики спектрального состава равновесного теплового излучения удобнее пользоваться функцией частоты

. В экспериментальных работах удобнее пользоваться функцией длины волны

. Обе функции связаны соотношением

Экспериментальный вид функции

показан на рисунке 26.1. Площадь, охватываемая кривой, дает энергетическую светимость абсолютно черного тела. Как видно из рисунка 26.1, эта площадь быстро увеличивается с ростом температуры, а максимум функции

смещается в сторон коротких волн.

Первая из этих особенностей поведения универсальной функции Кирхгофа отражена в законе Стефана – Больцмана, по которому энергетическая светимость

абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры:

Вторая из этих особенностей поведения (энергетическая светимость

абсолютно черного тела сильно возрастает с температурой, максимум испускательной способности с увеличением температуры сдвигается в сторону более коротких волн) описывается законом смещения Вина: длина волны

,на которую приходится максимум испускательной способности абсолютно черного тела (максимум функции

, обратно пропорциональна абсолютной температуре

где

– постоянная смещения Вина, экспериментально определенная константа.

Попытку определить испускательную способность абсолютно черного тела, исходя из теоремы классической статистики о равнораспределении энергии по степеням свободы, сделали Рэлей и Джинс.

называется формулой Рэлея – Джинса. Эта формула удовлетворительно согласуется с экспериментальными данными лишь при больших длинах волн и резко расходится с опытом для малых длин волн.

Интегрирование этого выражения по в пределах от 0 до ∞ дает для энергетической светимости бесконечно большое значение. Этот результат, получивший название ультрафиолетовой катастрофы, также находится в противоречии с опытом.

С классической точки зрения вывод формулы Релея – Джинса является безупречным. Поэтому расхождение этой формулы с опытом указывало на существование каких-то закономерностей, не совместимых с представлениями классической физики.

Вид функции

, в точности соответствующий экспериментальным данным, удалось найти Планку. Для этого ему пришлось сделать предположение, совершенно чуждое классическим представлением, а именно допустить, что электромагнитное излучение испускается в виде отдельных порций энергии (квантов), величина которых пропорциональна частоте излучения:

Коэффициент пропорциональности

получил название постоянной Планка.

Планк получил выражение для универсальной функции Кирхгофа:

Это выражение носит название формулы Планка. Она хорошо согласуется с экспериментальными данными во всем интервале частот от 0 до ∞. При малых частотах эта формула переходит в формулу Рэлея – Джинса. Она так же полностью согласуется с законом Стефана – Больцмана и законом смещения Вина. Таким образом, формула Планка дает исчерпывающее описание равновесного теплового излучения.

Целью настоящей работы является экспериментальное определение постоянной Стефана – Больцмана.

В природе абсолютно черных тел не существует. Для серых тел в закон Стефана – Больцмана вводится коэффициент поглощения а <1:

Источником излучения в данной работе является вольфрамовая нить лампы накаливания. Если принять, что окружающую среду можно считать абсолютно черным телом, то мощность излучения, отдаваемая нитью, имеющую температуру Т ₁, в окружающую среду с температурой Т ₂, может быть определена по формуле

С другой стороны, эта мощность, по закону сохранения энергии, должна быть равна подводимой к нити электрической мощности:

где I, U – сила тока в нити и падение напряжения на ней.

Из приведенных уравнений (26.10) и (26.11) находим расчетную формулу для постоянной Стефана – Больцмана:

Измерение температуры нити лампы накаливания в данной работе осуществляется оптическим пирометром “Проминь”. Принцип действия пирометра основан на уравнивании яркости изображения исследуемого тела и яркости нити пирометрической лампы. Равенство яркостей воспринимается наблюдателем как исчезновение нити лампы на фоне изображения объекта. Конструкция прибора схематически показана на рисунке 26.2. Корпус пирометра состоит из камеры 1 и рукоятки 2. Камера закрывается крышкой 3, имеющей ручку 4 для регулирования силы тока в пирометрической лампе. Стрелка 5 на камере указывает направление поворота ручки, соответствующее увеличению тока. В верхней части камеры находятся узел окуляра 6, узел объектива 7 и переключатель диапазона 8. В средней части камеры со стороны окуляра смонтирована шкала 9 для отсчета измеренной температуры. В верхней части рукоятки расположена кнопка 10 включения прибора.

При проведении измерений перемещением окуляра добиваются резкой видимости нити пирометрической лампы, визируют пирометр на измеряемое тело, передвижением объектива наводят пирометр на резкость. После фотометрирования (уравнивания яркостей) производят отсчет температуры с учетом установленного предела измерения.

Электрическая схема экспериментальной установки показана на рисунке 26.3. Вольфрамовая нить лампы накаливания подключена к выходу ЛАТРа. Амперметр и вольтметр позволяют измерять ток и напряжение на лампе. Данные для вычисления площади лампы указаны на установке.

1. Ознакомьтесь с пирометром и экспериментальной установкой, получите разрешение на включение установки.

2. Запишите в таблицу параметры нити лампы накаливания: длину нити L, диаметр нити D, а также температуру окружающей среды (воздуха) Т_2..

3. Измерьте силу тока I, напряжение U и температуру нити Т ₁лампы накаливания. Эксперимент проведите для трех различных температур. Данные заносите в таблицу.

4. Рассчитайте значение площади поверхности нити по формуле .

5. По формуле (26.12) рассчитайте значение постоянной Стефана – Больцмана и внесите его в таблицу. Для вольфрама в используемом диапазоне частот коэффициент а =0,85.

6. Определите среднее значение постоянной Стефана – Больцмана:

7. Определите абсолютную погрешность постоянной Стефана – Больцмана:

и ее среднее значение Внесите их в таблицу.

8. Определите относительную погрешность постоянной Стефана – Больцмана:

. Внесите ее в таблицу.

2. Энергетическая светимость, испускательная и поглощательная способности тел.

3. Закон Кирхгофа для теплового излучения. Универсальные функции Кирхгофа для частоты и длины волны. Связь между ними.

4. Закон Стефана – Больцмана для абсолютно черного и серого тел.

6. Формула Рэлея – Джинса и ее расхождения с экспериментальными данными.

7. В чем заключается понятие ультрафиолетовой катастрофы?

9. В чем заключается различие идей, положенных в основу вывода формул Рэлея – Джинса и Планка?

Лабораторная работа №27: Изучение спектра водорода и определение постоянной Ридберга

Цель работы: изучить сериальные закономерности, проградуировать монохроматор и по измеренным длинам волн вычислить постоянную Ридберга.

Оборудование: монохроматор, ртутная и водородная лампы, линза.

Источником, испускающим электромагнитные волны оптического диапазона, является атом. Поэтому важно изучить структуру атома по закономерностям, которым подчиняется его излучение, или спектрам излучения.

Существует три типа спектров: сплошные, полосатые и линейчатые. Раскаленные твердые и жидкие тела, а также газы под большим давлением дают сплошной спектр, в котором один цвет постепенно переходит в другой. Полосатый спектр имеет вид отдельных полос, четких с одного края и размытых с другого. Полосатые спектры характерны для молекул нагретых газов и паров и являются результатом изменения электронной, колебательной и вращательной энергии молекул.

Спектры молекул совершенно не похожи спектры атомов, входящих в их состав. Атомы раскаленных газов, находящихся в разряженном состоянии, дают свет, при разложении которого получается спектр, состоящий из отдельных цветных линий, разделенных темными участками. Такие спектры называются линейчатыми. Они появляются в результате электронных переходов внутри атомов и ионов различных элементов, причем каждому элементу соответствует свой индивидуальный спектр (на этом свойстве основан спектральный анализ).

В настоящей работе изучается линейчатый спектр водорода. Теория водородного спектра основывается на следующих постулатах Бора:

1. Электрон может вращаться вокруг ядра только по таким орбитам, на которых момент количества движения электрона равен целому кратному величины h/ 2 p,т.е.

–его скорость на k -й орбите, дозволенная первым постулатом;

k – любое целое число (1, 2, 3, …), называемое главным квантовым числом;

2. Электрон, движущийся по любой орбите, дозволенной первым постулатом, не излучает энергии.

3. Атом при переходе электрона с какой-либо дальней орбиты n на орбиту k, расположенную ближе к ядру, излучает фотон – один квант лучистой энергии, равный

где n и k –номера орбит,дозволенных первым постулатом, причем

;

E_n, E_k – энергия атома до и после излучения соответственно;

– частота излучения атома при переходе электрона с n- й орбиты на k- ю орбиту.

Из этого постулата следует, что атом может излучать только некоторые дискретные значения энергии, которым соответствуют строго определенные значения частот, характерные для данного химического элемента (дискретный ряд частот). Атом находится в невозбужденном устойчивом состоянии, если его электроны располагаются на стационарных орбитах. Если атом получает запас энергии (через нагревание или столкновение с быстро движущейся частицей и др.), то он возбуждается, его электроны переходят на другие орбиты с большим радиусом, и весь атом находится на более высоком энергетическом уровне. Это состояние атома неустойчиво, его электроны возвращаются с возбужденных орбит на стационарные, устойчивые, расположенные ближе к ядру. При этом энергетический уровень атома понижается.

Избыток энергии выделяется в окружающее пространство в виде кванта монохроматического излучения

, что доказывается третьим постулатом Бора.

Применяя постулаты Бора, можно вывести для атома водорода следующую формулу:

Преобразуем эту формулу, учитывая, что

, где с – скорость света в вакууме, а l – длина волны и, выводя понятие о волновом числе N, (волновое число – это величина, обратную длине волны и характеризующая число волн, укладывающихся на длине 1 м) будем иметь

Множитель, стоящий перед скобкой, называется постоянной Ридберга (обозначим через R):

Численные значения величин, входящих в формулу, т.е. масса электрона m, заряд электрона е, скорость света в вакууме с, постоянная планка h и электрическая постоянная e ₀ берутся из таблиц.

Таким образом, формула (27.4) дляволновых чисел будет иметь вид:

Эта формула называется сериальной формулой. Из теории Бора следует, что все линии спектра водорода, которые получаются при переходе электронов с любой орбиты n на первую орбиту (k= 1), представляют собой линии одной серии. Эта серия находится в ультрафиолетовой части спектра и называется серией Лаймана. Линии спектра, получающиеся при переходе электронов на вторую орбиту (k= 2), составляют видимую серию: она носит название серии Бальмера (рис. 27.1). Эта серия и изучается в настоящей работе. Установлено, что формула (27.6) дает значение волновых чисел для всех 29 известных сейчас линий водородного спектра.

Сериальные закономерности являются ярким проявлением квантовых свойств атомных излучающих систем. Именно квантовая теория строения атома объяснила физическую сущность сериальных закономерностей. Для видимой части спектра водорода формула (27.6) имеет вид:

Очевидно, что волновое число любой спектральной серии можно получить, если взять разность двух чисел

Числа R/k ² и R/n ² называются спектральными термами, физический смысл терм в том, что они пропорциональны энергии атома. Систематическое изучение спектров ряда других элементов позволило установить закономерность в других веществах, при чем

Эта формула по виду похожа на формулу (27.6). Как видно, отличие сводится к поправочным членам x и у, имеющим для водорода значения, равные нулю. Наличие такой закономерности открыло путь спектральному анализу, который имеет большое значение в исследовании состава недоступных объектов, например: Солнца, звезд и других небесных тел.

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: