1948

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 48А

Снятие спектральной характеристики фотоэлемента и определение работы выхода электрона

Цель работы: изучение явления селективного фотоэффекта и определение работы выхода электрона.

1. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Главной частью установки является вакуумный фотоэлемент с сурьмяно-цезиевым фотокатодом (рис.6). На него направляется свет разной частоты, что достигается с помощью светофильтров. Светофильтры устанавливаются в рамкодержателе напротив источника белого света (лампочки в фонаре). Каждому светофильтру соответствует эффективная частота пропускаемого света. Микроамперметр измеряет силу фототока в цепи фотоэлемента.

На

одной

оптической

скамье

Рамкодержатель

Фонарь

установлены фонарь с рамкодержателем для

Фотоэлемент

светофильтров

и

фотоэлемент.

Для

установления

величины работы

выхода

электрона А

используем

определение

мкА

понятия «красная граница». Числовое

~220В

значение «красной границы» фотоэффекта λо

находим из графика зависимости величины

Выпрямитель

фототока I от длины волны λ падающего

света

(смотри

рис.3

из

раздела

Рис. 6

«Теоретические сведения» к работам №48 и

48а). При этой длине волны λо падающего света фототок I = 0.

2.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1)Снятие спектральной характеристики фотоэлемента.

а) Поставить фотоэлемент перед фонарем, подать на него напряжение 20 В.

б) Поставить в рамкодержатель красный светофильтр, включить фонарь и измерить по микроамперметру силу фототока.

в) Измерение повторить для всех светофильтров, результаты занести в таблицу 1.

		Таблица 1
Светофильтры	Длина волны, нм	Величина фототока, мкА
Красный	623,4
Желтый	578
Зеленый	540
Голубой	491,6
Синий	435,8
Фиолетовый	406,2

г) Построить график зависимости фототока I от длины световой волны λ: I = f(λ). За начало оси абсцисс принять λ=400 нм, за начало оси ординат – I = 0 мкА.

2)Определение работы выхода электрона из сурьмяноцезиевого фотокатода.

а) Используя построенный график, найти длину волны, соответствующую „ красной границе“ фотоэффекта (см. рис.3).

б) По формуле (8) вычислить работу выхода электрона. Результаты выразить в электрон-вольтах.

в) Сравнивая полученное значение с табличным, (Атаб.=1,6эВ), найти абсолютную и относительную ошибки измерения.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1)Что называется фотоэффектом?

2)Почему попадание солнечного света на неизолированные провода электросети не вызывает фотоэффект?

3)От чего зависит количество выбиваемых светом электронов?

4)Как записывается уравнение Эйнштейна для фотоэффекта?

5)Как зависит величина фототока от освещенности поверхности катода?

6)Какую природу света подтверждает фотоэффект?

7)Чему равна энергия фотона?

8)От чего зависит скорость выбиваемых электронов?

9)Как определить красную границу фотоэффекта?

10)Как зависит величина фототока от расстояния между источником света и катодом?

11)В каких единицах измеряется работа выхода?

12)Почему при обычных условиях испускание электронов из металлов практически не имеет место?

13)Почему при попадании света на металл выбиваются электроны?

14)От чего зависит работа выхода?

15)Что называется работой выхода?

16)Что называется внешним фотоэффектом?

17)В чем состоит гипотеза Планка?

18)От чего зависит энергия выбитых светом электронов?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №49

Определение коэффициента поглощения прозрачных тел

Цель работы: изучение законов поглощения света.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Поглощением (абсорбцией) света называется явление потери энергии световой волной, проходящей через вещество, вследствие преобразования энергии волны в другие формы (внутреннюю энергию вещества и в энергию вторичного излучения других направлений и спектрального состава). В результате поглощения интенсивность света при прохождении через вещество уменьшается.

Поглощение света в веществе описывается законом Бугера:

I = Io ×e -α×x ,

(1)

где Io и I – интенсивности плоской монохроматической световой волны на входе и выходе слоя поглощающего вещества толщиной x, α – коэффициент поглощения, зависящий от длины волны света, химической природы и состояния поверхности вещества и не зависящий от интенсивности света. При x = 1/α интенсивность света I по сравнению с Io уменьшается в e раз.

Коэффициент поглощения зависит от длины волны λ (или частоты) и для различных веществ различен. Например, одноатомные газы и пары металлов (т.е. вещества, в которых атомы расположены на значительных расстояниях друг от друга, и

их можно считать изолированными) обладают близким к нулю коэффициентом поглощения и лишь для очень узких спектральных областей (примерно 10-12 – 10 -11м) наблюдаются резкие максимумы (так называемый линейчатый спектр поглощения). Эти линии соответствуют частотам собственных колебаний электронов в атомах. Спектр поглощения молекул, определяемый колебаниями атомов в молекулах, характеризуется полосами поглощения (примерно 10-10 – 10 -7м).

Коэффициент поглощения для диэлектриков невелик (примерно 10-3 – 10 -5 см-1), однако у них наблюдается селективное поглощение света в определенных интервалах длин волн, когда α резко возрастает, и наблюдаются сравнительно широкие полосы поглощения, т.е. диэлектрики имеют сплошной спектр поглощения. Это связано с тем, что в диэлектриках нет свободных электронов, и поглощение света обусловлено явлением резонанса при возбужденных колебаниях электронов в атомах и атомов в молекулах диэлектрика.

Коэффициент поглощения для металлов имеет большие значения (примерно 103 –

105 см -1),	и поэтому металлы являются непрозрачными для света. В металлах из-за
α, n					наличия свободных электронов, движущихся под
		α			действием	электрического		поля световой		волны,
					возникают		быстропеременные			токи,
					сопровождающиеся излучением электромагнитных
					волн и выделением джоулевой теплоты. Причем
			n
					фаза вновь		излучаемой	волны	сдвинута на
				λ	половину длины волны. Поэтому энергия световой
					волны быстро уменьшается, частично превращаясь
		Рис. 1			во внутреннюю энергию металла, но в большей
					степени	в	отраженную	волну.	Чем	выше

проводимость металла, тем сильнее в нем затухание и больше коэффициент отражения света.

На рис. 1 представлены типичная зависимость коэффициента поглощения α от длины волны света λ и зависимость показателя преломления n от λ в области поглощения. Из рисунка следует, что внутри полосы поглощения наблюдается аномальная дисперсия (n убывает с уменьшением λ). Однако поглощение вещества должно быть значительным, чтобы повлиять на зависимость показателя преломления от длины волны.

Зависимостью коэффициента поглощения от длины волны объясняется окрашенность поглощающих тел. Например, стекло, слабо поглощающее красные и оранжевые лучи и сильно поглощающее зеленые и синие, при освещении белым светом будет казаться красным. Если на такое стекло направить зеленый и синий свет, то из-за сильного поглощения света этих длин волн стекло будет казаться черным. Это явление используется для изготовления светофильтров, которые в зависимости от химического состава (стекла с присадками различных солей, пленки из пластмасс, содержащие красители, растворы красителей и т.д.) пропускают свет только определенных длин волн, поглощая остальные. Разнообразие пределов селективного (избирательного) поглощения у различных веществ объясняет разнообразие и богатство цветов и красок, наблюдающееся в окружающем мире.

Явление поглощения широко используется в абсорбционном спектральном анализе смеси газов, основанном на измерениях спектров частот и интенсивностей линий (полос) поглощения. Структура спектров поглощения определяется составом и строением

молекул, поэтому изучение спектров поглощения является одним из основных методов количественного и качественного исследования веществ.

2. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ На рис. 2 представлена схема установки:

1)источник света, представляющий собой лампу накаливания;

2)поглощающая среда (представляющая собой набор пластинок из целлулоида);

3)приемник света (полупроводниковый фотоэлемент), являющийся источником фотоЭДС, т.е., электродвижущей силой, наводимой светом;

4)гальванометр для измерения фотоЭДС.

Источник	Гальванометр
света	Приемник

Светофильтр	Поглощ.	света
	среда
	Рис. 2

3.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1)Включить источник света.

2)По показанию гальванометра определить величину фотоЭДС, пропорциональную интенсивности света, падающего на приемник света.

3)Между источником и приемником света поместить одну, затем две, три и т.д. пластины исследуемого поглощающего вещества, определяя каждый раз величину фотоЭДС.

4)Определить толщину одной пластины исследуемого поглощающего вещества.

5)Построить график зависимости величины фотоЭДС ε, пропорциональной интенсивности света I, от толщины поглощающего слоя x: ε ~ I(x).

6)Из формулы I = Io ×e −αx следует I Io = e −αx . Прологарифмируем это выражение

ln	IO	= α× x .	(2)
	I

Из (2) определим α = ln ( Io I) . По графику I = f(x) определим толщину x x

исследуемого слоя, при котором интенсивность световой волны уменьшается в два раза, т.е. Io/I = 2, и по этим данным определить величину коэффициента поглощения

αисследуемого вещества. Тип исследуемого вещества указывает преподаватель.

7)Проделать данные измерения для белого света и света разной длины волны, используя для этого разные светофильтры по указанию преподавателя.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1)Какое явление называется поглощением света?

2)Сформулируйте закон Бугера.

3)Каков физический смысл коэффициента поглощения?

4)От чего зависит коэффициент поглощения?

5)В каких веществах наблюдается линейчатые спектры поглощения; полосатые; сплошные?

6)Чем обусловлено поглощение света в металлах?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 50

Определение температурной зависимости интенсивности излучения нити лампы накаливания

Цель работы: изучение законов теплового излучения.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Тепловым излучением называется электромагнитное излучение тела, которое обусловлено возбуждением атомов или молекул тела вследствие их теплового движения. Количество R энергии, излучаемой поверхностью тела с единицы площади (в СИ: 1м2) за единицу времени (1 сек) по всем длинам волн, называется интегральной испускательной способностью излучающего тела. По физическому смыслу эта величина – плотность мощности, теряемой телом вследствие излучения, т.е., мощность излучения с единицы поверхности тела. Измерения показывают, что энергия излучения распределяется неравномерно между длинами волн, которые испускаются нагретым телом. Функция распределения энергии по длинам волн λ зависит от температуры тела T (как параметра неравномерности). Эта функция распределения r(λ,T) называется спектральной плотностью излучения, и ее аргументы λ и T обычно записываются как просто индексы: rλT. По определению интегральной испускательной способности величины R и rλT связаны соотношением:

∞	(1)
R( T ) = ∫rλT dλ ,

0

Аналогично определению потока жидкости в гидромеханике введем понятие потока энергии, которое определим как произведение энергии в единице объема (плотность энергии) на скорость перемещения энергии (скорость света). Если на тело падает поток лучистой энергии, то часть этого потока поглощается телом. Поглощательной способностью тела a λ,T называют величину равную отношению потока излучения, поглощенного единицей площади поверхности тела в узком спектральном интервале частот от ν до ν+ dν, к потоку излучения, падающему на единичную площадку поверхности тела в этом же интервале частот.

Кирхгоф установил, что для всех тел, независимо от их природы, отношение испускательной способности тела к поглощающей способности тела при той же температуре и для тех же длин волн есть величина постоянная, равная испускательной

способности rλ0T абсолютно черного тела, (тела, которое поглощает все падающие на него лучи во всем интервале частот при любой температуре, т.е., aλ0T =1):

rλT	= r	0	,	(2)
	λT
aλT

где aλ0T - поглощательная способность абсолютно черного тела. В природе нет

абсолютно черных тел, поэтому для реальных тел a λ,T <1. Функция rλ0T называется также

функцией Кирхгофа.

В результате исследований опытным путем были сформулированы законы излучения абсолютно черного тела.

Закон Стефана - Больцмана: интегральная испускательная способность абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры

R0 = σ ×T 4 ,

(3)

где σ = 5,67·10-8 Вт/м2·К4 – постоянная Стефана - Больцмана.

Закон смещения Вина: длина волны λmax , на которую приходится максимум функции Кирхгофа, обратно пропорциональна абсолютной температуре абсолютно

черного тела:
λmax	=	b	,	(4)
где b = 2,9·10-3 м·К – постоянная Вина.		T
Формула Планка. Основываясь на представлении,				что излучение и поглощение

электромагнитных волн атомами и молекулами происходит в виде отдельных порций или квантов, Планк получил формулу:

	r 0	=	2π × h × c 2	×		1			,
			λ5		h ×ω
	λT							(5)
					exp			-1
					k ×T
где h –	постоянная Планка;
c –	скорость света в вакууме;
λ –	длина волны;
ω –	круговая частота волны;
k –	постоянная Больцмана;
T –	абсолютная температура.
Законы Стефана –		Больцмана и Вина являются следствиями из закона излучения

электромагнитных волн (в представлении Планка) и могут быть выведены из формулы Планка (5).

Рассмотрим лампу накаливания. Лампа состоит из стеклянной колбочки и цоколя. В стеклянной колбе лампы накаливания имеется нить накаливания, натянутая между двумя токоподводящими траверсами. Для поддержания раскаленной нити без провисания применяются несколько дополнительных траверсов. Для предотвращения окисления вольфрамовой нити первые модели ламп накаливания имели откачанный до высокой степени разрежения стеклянный баллон. В последних моделях для уменьшения скорости испарения металла нити обычно в баллоны добавляется небольшое количество инертных газов.

Согласно закона Джоуля-Ленца при протекании электрического тока мощность выделения тепла q равна:

q = I 2 × r = I ×U .

(7)

где I и U – величины тока и напряжения на нити сопротивлением r.

Эта тепловая мощность должна рассеиваться, иначе температура нити накаливания нарастала бы линейно со временем:

q × t = I ×U × t = c ×[T(t) -T0 ],

(8)

где t – время, с – теплоемкость нити, T0 и Т(t) – температуры нити в начальный момент и в момент времени t. Температура Т(t) при включении лампы в электрическую цепь действительно начинает увеличиваться, но при увеличении температуры увеличиваются скорости теплоотдачи в окружающую среду, причем доля энергетических потерь за счет излучения растет согласно закона Стефана-Больцмана пропорционально Т4. При увеличении температуры от комнатной (~300К) до рабочей температуры (~2500К) интенсивность излучения возрастет в (2500/300)4 ~ 8,34 ~ 4745,8 раз. А интенсивность теплопроводности увеличивается пропорционально разности температур, т.е. ~ Т ~. 8,3. Поэтому можно уравнение теплового баланса можно записать в виде:

I ×U » σ×T 4 .

(9)

С другой стороны с ростом температуры растет омическое, активное сопротивление нити накаливания:

r = r0 ×(1 +α × T ) = r0 + r0 ×α ×( T -T0 ) = A + B ×T .

(10)

где a - температурный коэффициент сопротивления, А и В – постоянные. Тогда выразив сопротивление, как r = U / I = A + B×T, можем построить график зависимости корня

1

четвертой степени от электрической мощности 4U × I = ( σ) 4 ×T = C1 ×T от величины

электрического сопротивления r = U / I. = A + B×T. При выполнении вышеупомянутых приближений график будет представлять прямую линию, наклон которой будет зависеть от величины постоянной Стефана-Больцмана. Если же построим график мощности в

логарифмических координатах, т.е. если вычислить

зависимости от сопротивления r = U / I = A + B×T, то прямую линию с углом наклона равным 4.

U		max	× I	max		и построить график
ln
		U × I

график так же должен представлять

2. ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ.

Для определения температурной зависимости интенсивности излучения нити

лампы накаливания в данной работе используется лабораторная

V

установка (рис.1). Основными частями установки являются:

2)

1)

лампа накаливания;

2)

измерительные приборы – вольтметр и миллиамперметр;

1)

3)

лабораторный автотрансформатор (ЛАТР), с помощью

A

2)

которого устанавливаются разные яркости накаливания нити

лампы.

3)

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

ЛАТР

1)

Подключить приборы согласно схеме на рис. 1.

Рис. 1

2)

Ручку регулятора напряжения (ЛАТР) поставить в крайнее

левое положение.

3)Постепенно увеличивая напряжение, поступающее на лампу, снять около 30 показаний тока. Внимание! Напряжение не должно превышать номинальное для ламп »220 Вольт! Результаты записать в таблицу 1.

Таблица 1

Напряжение U, В Ток I, мА

Мощность U×I, Вт

Сопротивление r=U/I, Ом

Отношение (U×I)max/ U×I

Логарифм ln|(U×I)max/ U×I|

Корень 4U × I

4)Построить два графика зависимостей: ln|(U·I)max/ U·I| и 4U × I от сопротивления r. По графику оценить величину показателя степени в законе Стефана– Больцмана.

4.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1)Каковы основные характеристики теплового излучения?

2)Почему нить накаливания может быть принята за абсолютно черное тело?

3)Каково различие в тепловом балансе нити накаливания в вакууме и в атмосфере инертного газа?

4)Как связаны температура нити и его электрическое сопротивление?

5)Какова доля лучистой энергии, приходящаяся на видимый диапазон?

6)Сформулируйте закон Стефана-Больцмана

7)Объясните физический смысл σ в законе Стефана-Больцмана.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 52

Проверка закона Малюса

Цель работы: изучение свойств поляризованного света.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ Согласно классической теории, свет представляет собой поперечную

электромагнитную волну. В такой волне векторы напряженности электрического поля Е и напряженности магнитного поля H колеблются во взаимно перпендикулярных

плоскостях (рис. 1). Векторы Е и H жестко связаны между собой, поэтому достаточно рассматривать только один из этих векторов. При изучении оптических явлений обычно

рассматривают вектор Е , который называется световым вектором.

Световая волна, испускаемая источником света, слагается из множества волн, испускаемых отдельными атомами независимо друг от друга.

Плоскости колебаний векторов Е и для каждой волны, испущенной разными атомами, ориентированы случайным образом. Поэтому в световом луче, который испускают солнце, лампы

накаливания и другие источники света, колебания вектора Е представлены с равной вероятностью. Такой свет называется естественным.

Если колебания светового вектора во всех элементарных волнах как-либо

упорядочены, то свет называется поляризованным. Например, если колебания вектора Е происходят только в одной плоскости, то свет называется плоско поляризованным. Если

большая часть векторов Е совершают колебания в одной плоскости, то свет называется

Рис. 2

частично (в большей или меньшей степени) поляризованным.

Плоскость, в которой происходят колебания вектора H , называется плоскостью

поляризации. Колебания вектора Е происходят в плоскости колебаний.

Плоско поляризованный свет можно получить из естественного с помощью приборов, которые называются поляризаторами. Процесс получения поляризованного света из естественного называется поляризацией света. Поляризация света наблюдается при отражении и преломлении естественного света на границе диэлектрика, а также при его прохождении через анизотропные среды (вещества, свойства которых зависят от направления). Взаимное расположение молекул и структура их таковы, что показатель преломления таких веществ зависит от направления распространения света.

Если на пластинку, вырезанную определенным образом из

анизотропного кристалла, падает нормально естественный луч, то он

расщепляется на два луча - обыкновенный и необыкновенный, как

показано на рис. 2. Такое раздвоение луча получило название

явления двойного лучепреломления.

Обыкновенный луч 0 подчиняется закону преломления: показатель преломления для этого луча n0 не зависит от направления его распространения в кристалле. Скорость такого луча в кристалле

v0	=	c	= const ,	(1)
		n 0

где с скорость распространения света в вакууме. Другой луч, который называется необыкновенным - е, в зависимости от направления распространяется с различными скоростями

ve	=	c	.	(2)
		n e

В рассматриваемом случае обыкновенный луч проходит, не преломляясь (т.к. падает на поверхность по нормали). Необыкновенный луч внутри кристалла отклоняется, а на выходе идет параллельно обыкновенному, но смещается относительно последнего тем сильнее, чем больше толщина пластинки. Оба луча являются плоско поляризованными во взаимно перпендикулярных плоскостях. На рис. 2 точками

обозначена плоскость колебаний вектора Е (перпендикулярная плоскости рисунка) в обыкновенном луче, а стрелкой (колебания происходят в плоскости рисунка) - в необыкновенном.

В некоторых кристаллах существует одно направление, в котором двойного лучепреломления не происходит. Прямая, проведенная в таком направлении, называется оптической осью кристалла, а сам кристалл называется одноосным. Плоскость в одноосном кристалле, проходящая через оптическую ось и падающий луч, называется главным сечением, или главной плоскостью кристалла для этого луча. К числу одноосных кристаллов относятся исландский шпат, турмалин, герапатит и др.

На основе рассмотренного явления созданы приборы, пропускающие световые

волны, в которых вектор электрической напряженности Е колеблется в строго определенных направлениях. Эти приборы называются поляризаторами. Такие же устройства используются для определения характера и степени поляризации света. В этом случае они называются анализаторами.

В данной работе для получения и исследования плоско поляризованного света применяются поляризаторы, изготовленные из мелких, одинаково ориентированных кристаллов герапатита (сернокислого йод хинина), нанесенных на прозрачную пленку. Такой поляризатор называется поляроидом. Кристаллы герапатита почти полностью поглощают обыкновенный луч и пропускают необыкновенный (это явление называется дихроизмом). Поэтому естественный свет, прошедший через поляризатор становится

поляризованным.

┴

Пусть

колебания вектора

в пучке

Е

поляризованного света (полученного с помощью

Плоскость

поляризатора) происходят в плоскости, которая

колебаний

образует угол ϕ с главным сечением анализатора, на

который падает этот свет. Этот вектор можно

Е

φ

Е┴

разложить на

две составляющие:

параллельную и

А

А

перпендикулярную главному сечению анализатора с

амплитудами ЕА и Е

┴, соответственно. Колебание с

ЕА

амплитудой Е

┴ будет задержано анализатором, а с

ЕА полностью проходит через анализатор. Из

рисунка 3 видно, что амплитуда выходящего из

анализатора света равна

┴

Рис. 3

E A = E cosϕ .

(3)

Так как интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды, то

I = I 0 cos 2 ϕ ,

(4)

где I - интенсивность света, вышедшего из анализатора;

I0 - интенсивность поляризованного света, падающего на анализатор.

Это и есть закон Малюса. Он читается так: интенсивность света, прошедшего через анализатор, пропорциональна квадрату косинуса угла ϕ между главными сечениями анализатора и поляризатора. Если ϕ = 0°, то I = I0, т.к. cos0° = 1 , то есть максимальная интенсивность света, проходящего через анализатор, наблюдается при совпадении главных направлений поляризатора и анализатора. При ϕ = π/2 свет через анализатор не проходит.

2. ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ, ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ.

Два поляроида, источник света, фотоэлемент, гальванометр.

Схема установки представлена на рис. 4. Она состоит из источника естественного света S, двух поляроидов П и А и фотоэлемента Ф. К выходу фотоэлемента подключен

Рис. 4

Удалено: ЕП,

Удалено: ЕП