- •Практикум по оптике и атомной физике
- •Содержание
- •9. Приложение. Изучение нониусов……………………………………...…57 работа 1 определение постоянной в законе стефана-больцмана при помощи оптического пирометра.
- •Краткая теория.
- •Экспериментальная часть. Описание установки и оптического пирометра
- •Выполнение работы
- •Контрольные вопросы
- •Работа № 2 изучение внешнего фотоэффекта
- •Краткая теория
- •Описание установки.
- •Выполнение работы
- •2. Вычисление работы выхода электронов.
- •Краткая теория
- •2. Оптическая активность.
- •Определение удельного вращения кварца с помощью поляриметра
- •Устройство и принцип работы поляриметра
- •Выполнение работы
- •Контрольные вопросы
- •Работа № 4(6) определение показателей преломления жидкостей с помощью рефрактометра
- •Краткая теория
- •Учитывая (1), закон преломления можно записать в виде
- •Принцип действия рефрактометров
- •Определение показателей преломления жидкостей с помощью рефрактометра рду
- •В ыполнение работы
- •С помощью колец ньютона
- •В местах встречи волн колебания среды, вызванные каждой из волн, складываются друг с другом (можно сказать: волны складываются)
- •Интерференцией света
- •Интерференция света, отраженного от прозрачных пленок
- •Кольца Ньютона
- •Подставляя значение d в уравнение (11),получим:
- •Выполнение работы
- •Контрольные вопросы
- •Работа № 6(9) определение длины световой волны при помощи дифракционной решетки
- •Краткая теория
- •Выполнение работы
- •Контрольные вопросы
- •Работа № 7 (10) изучение работы mohoxpомаtopa и его градуировка
- •Устройстве монохроматора
- •Градуировка монохроматора
- •Выполнение работы
- •Контрольные вопросы
- •Приложение. Изучение нониусов
- •Круговой нониус
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
“ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ”
Практикум по оптике и атомной физике
Учебное пособие для вузов
Издательско-полиграфический центр
Воронежского государственного университета
2009
Утверждено Научно-методическими советами биолого-почвенного (протокол № 6 от 21.02.2008 г.), геологического (протокол № 3 от 22.01.2009 г.) и химического (протокол № 6 от 05.03.2009 г.) факультетов
Составители: С.Д. Миловидова, А.С. Сидоркин,
О.В. Рогазинская, Л.П. Нестеренко
Учебное пособие подготовлено на кафедре экспериментальной физики физического факультета Воронежского государственного университета.
Рекомендуется в качестве учебного пособия к лабораторным работам по оптике и атомной физике для студентов 1 и 2 курсов дневного отделения биолого-почвенного, геологического и химического факультетов.
Работа выполнена при поддержке гранта VZ-010 Американского фонда гражданских исследований и развития (CRDF) и по программе «Фундаментальные исследования и высшее образование»
Для специальностей:
020101 – Химия
020301 – Геология
020306 – Экологическая геология
020304 – Гидрогеология и инженерная геология
020302 – Геофизика
020201 – Биология
020701 – Почвоведение
020801 – Экология
Содержание
1. Определение постоянной в законе Стефана-Больцмана при помощи
оптического пирометра……………………………………………………....4
2. Изучение внешнего фотоэффекта ……………………………………….. 11
3. Изучение явления вращения плоскости колебаний
плоскополяризованного света …………………………………………….18
4. Определение показателей преломления жидкостей с помощью рефрактометра …………………………………………………………….24
5.Уравнение волны. Интерференция волн Определение длины световой
волны с помощью колец Ньютона …………………………………….....30
6. Определение длины световой волны при помощи дифракционной
решетки ………………………………………………………………….... .39
7. Изучение работы монохроматора и его градуировка…………………....46
8. Изучение спектров испускания атома водорода и определение
некоторых внутриатомных констант ………..…………..………………. 51
9. Приложение. Изучение нониусов……………………………………...…57 работа 1 определение постоянной в законе стефана-больцмана при помощи оптического пирометра.
Приборы и принадлежности: оптический пирометр, установка для накала спирали лампы и питания пирометра.
Краткая теория.
Излучение нагретых тел так же, как свет, радиоволны и т.д., относится к электромагнитным явлениям. Всякое излучение телом электромагнитных волн сопровождается потерей им энергии и происходит либо за счет внутренней энергии, либо за счет получения энергии извне. Оно зависит от температуры тела, т.к. является следствием хаотического теплового движения молекул и атомов среды.
Излучение, причиной которого является возбуждение атомов и молекул их тепловым движением, называется тепловым или температурным излучением.
Разные тела в зависимости от температуры и химического состава испускают лучи различных длин волн и различной интенсивности. Для количественной оценки процессов теплового излучения вводятся две основные характеристики:
полная, или интегральная, лучеиспускательная способность тела R (Т) - энергия, испускаемая с единицы площади поверхности тела за одну секунду по всем длинам волн при данной температуре
спектральная лучеиспускательная способность (спектральная плотность излучения) rT - энергия, излучаемая телом при данной температуре в единичном интервале длин волн от λ до λ+ dλ:
(1)
Всякое тело часть падающей на него энергии поглощает, а часть отражает. Отношение лучистой энергии, поглощенной телом ко всей падающей на него энергии, называется коэффициентом поглощения α.
Тело, полностью поглощающее всю падающую на него энергию, называется абсолютно черным, и коэффициент поглощения для него α=1. Для абсолютно зеркальной поверхности, отражающей всю падающую на нее энергию, α=0. На практике для разных тел 0< α < 1. В природе не существует тел, являющихся абсолютно черными. Они могут только приближаться по своим свойствам к абсолютно черным лишь в ограниченном интервале длин волн.
Опыты показывают, что тела, обладающие большим коэффициентом поглощения, соответственно обладают и большей лучеиспускательной способностью. Поэтому излучательная способность абсолютно черного тела максимальна по сравнению с другими телами.
Кирхгофом был сформулирован закон, устанавливающий указанное выше положение: отношение лучеиспускательной способности к коэффициенту поглощения не зависит от рода тел и является для всех тел одной и той же функций от длины волны и температуры:
(2)
Так как для абсолютно черного тела α. =1, то отношение лучеиспускательной способности к коэффициенту поглощения для данной длины волны и данной температуры для всех тел есть величина постоянная, равная лучеиспускательной способности абсолютно черного тела u для той же длины волны и температуры, т.е.
(3)
Из этой формулы следует, что rT = TuT (4)
т.е. лучеиспускательная способность любого тела равна лучеиспускательной способности абсолютно черного тела для той же длины волны и температуры, умноженной на коэффициент поглощения.
Для практических целей из закона Кирхгофа можно сделать следующие заключения:
1. Тела, обладающие темной и шероховатой поверхностью, имеют коэффициент поглощения, близкий к единице. Такие тела обладают и соответственно большей полной лучеиспускательной способностью, которую иногда называют энергетической светимостью.
2
uT
Н а рис.1 изображено распределение спектральной плотности излучения uT абсолютно черного тела по длинам волн для различных температур. Заштрихованная накрест полоска имеет площадь uTdλ и предcтавляет собой энергию dR(Т), излучаемую в данном интервале длин волн dλ при температуре Т1. Полная лучеиспускательная способность тела R будет равна:
,
где интеграл распространен на весь бесконечный интервал всевозможных длин волн и изображается для температуры Т1 на рис. 1 всей заштрихованной
площадью под кривой uT. С ростом температуры увеличивается интенсивность теплового движения частиц тела и возрастает энергия, излучаемая телом как на данной длине волны , так и во всем интервале длин волн. Поэтому при Т3 > T2 > T1 поднимается вся спектральная кривая uT теплового излучения, как показано на рис.1.
Однако объяснить рассмотренную зависимость спектральной плотности излучения от длины волны долгое время не удавалось. Полученные в рамках классической физики закон Вина хорошо совпадал с экспериментом в коротковолновой области, а закон Релея-Джинса, наоборот, давал хорошее совпадение в длинноволновой части спектра.
Формула для спектральной плотности равновесного излучения, хорошо согласующаяся с опытом при всех длинах волн, была получена Планком в 1900 году. Оказалось, что для теоретического вывода этой формулы необходима гипотеза, коренным образом противоречащая представлениям классической физики. Планк предположил, что энергия колебаний атомов или молекул может принимать не любые, а только вполне определенные дискретные значения (Е = hν), отделенные друг от друга конечными интервалами. Это означает, что энергия не непрерывна, а квантуется, т.е. существует лишь в строго определенных дискретных порциях. Наименьшая порция энергии Е = hν называется квантом энергии.
Формула Планка может быть записана или через частоту ν или через длину волны λ ( = c/):
Все известные ранее законы теплового излучения могут быть получены из формулы Планка.
Закон Стефана - Больцмана определяет полную энергию излучения. Для получения полной энергии надо проинтегрировать выражение (6) по всем длинам волн:
R
= σ Т 4
Полная энергия, излучаемая абсолютно черным телом за одну секунду, пропорциональна четвертой степени температуры.
Константа σ в формуле (7) называется постоянной Стефана – Больцмана и измеряется в Дж/(м2с К4) или в Вт/(м2 К4)
Очевидно, что суммарная энергия излучения по всем длинам волн, испускаемая площадкой S абсолютно черного тела, равна:
R = σ Т4 S
Из формулы Планка можно сделать вывод о распределении энергии излучения абсолютно черного тела по длинам волн.
Максимум спектральной плотности излучения можно определить, если продифференцировать выражение (6) и приравнять к нулю:
, что приводит к двум законам Вина:
(8) и uT = c1T5 (9),
где b и c1 - численные постоянные.
Иными словами, длина волны, на которую приходится максимум интенсивности излучения, обратно пропорциональна температуре (8) и, следовательно, максимум излучения с увеличением температуры смещается в сторону коротких длин волн (1-й закон Вина).
Максимальная интенсивность излучения (9)пропорциональна пятой степени температуры (2-й закон Вина).
Графически законы Стефана-Больцмана и Вина представлены на рис.1, из которого следует, что количество излучаемой телом энергии зависит от температуры.
Если известна длина волны λmax , соответствующая максимуму интенсивности излучения тела, то, используя 1-й закон Вина можно определить температуру тела. Определенная таким образом температура называется его цветовой температурой.
Используя закон Стефана-Больцмана, можно определить энергетическую или радиационную температуру тела. Измерение этой температуры основано на излучении интегральной интенсивности излучения, т.е. полной энергий излучения R.
Из закона Стефана-Больцмана следует, что количество тепловой энергии, передаваемое единицей поверхности абсолютно черного тела, находящегося при температуре Т1, в окружающую среду имеющую температуру Т2 (если среду можно рассматривать как абсолютно чёрное тело), равно:
(10)
Излучение всех остальных тел подчиняется такой же закономерности.
Метод определения температуры раскалённых тел по спектру излучения на основе использования законов теплового излучения называется оптической пирометрией. Соответствующие приборы называются оптическими пирометрами.