Сделай Сам Свою Работу на 5
Главная | Контакты

Порядок выполнения работы

12345678910111213141516




1. Включить установку в сеть. Включить тумблер «сеть» на блоке питания.

2. Убе­дить­ся, что лам­па пи­ро­мет­ра го­рит и на­кал ее мо­ж­но ме­нять ре­о­ста­том 8. До­бить­ся, что­бы в по­ле зре­ния пи­ро­мет­ра на фо­не вер­хуш­ки ни­ти пирометра бы­ла вид­на нить ис­сле­ду­е­мой лам­пы.

3. Вра­щая коль­цо ре­о­ста­та пи­ро­мет­ра, до­бить­ся ис­чез­но­ве­ния ни­ти пи­ро­мет­ра на фо­не ис­сле­ду­е­мой лам­пы (рис.6.6, в).

4. По­лу­чен­ные зна­че­ния яр­ко­ст­ной тем­пе­ра­ту­ры, си­лы то­ка и на­пря­же­ния за­не­сти в табли­цу 6.1.

5. Повторить измерения при других значениях силы тока через лампу (всего 5-6 измерений), добиваясь каждый раз ис­чез­но­ве­ния ни­ти пи­ро­мет­ра на фо­не ис­сле­ду­е­мой лам­пы.

6. По данным таблицы 6.2 построить график зависимости Тдейст.=f(Тярк).

7. Зная яр­костную тем­пе­ра­ту­ру ни­ти ис­сле­ду­е­мой лам­пы, найти по гра­ду­и­ро­во­ч­но­му гра­фи­ку ее действительную тем­пе­ра­ту­ру; все данные занести в табл.6.1.

8. По формуле (6.20) вы­чи­с­лить по­сто­ян­ную Сте­фа­на-Больц­ма­на в каждом опыте. Принять а=0.43; S=25 мм2.

9. Найти среднее значение σсреднее и рассчитать погрешность Δσ. Все результаты занести в табл.6.1.



10. Из формулы (6.16) выразить постоянную Планка, и, воспользовавшись значением σсреднее, вычислить экспериментальное значение h. Сравнить с табличным. Сделать выводы.

 

Таблица 6.1

№ I, A U, B Тярк, К Тдейст, К (Т1) Т2, К σ, σ ср. Δσ h Δh
                 
           
           
           
           
           

 


Таб­ли­ца 6.2

Tярк,К
Tдейст,К

 

Кон­т­роль­ные во­п­ро­сы

1. Дайте определение спектральной плотности энергетической светимости, полной излучательной способности, поглощательной способности. Каковы размерности этих величин?

2. Какое излучение называется тепловым?

3. Что такое абсолютно чёрное тело?

4. Сфор­му­ли­руй­те за­ко­ны те­п­ло­во­го из­лу­че­ния.



5. Напишите формулу Рэлея-Джинса. Что такое «ультрафиолетовая катастрофа»?

6. Сформулируйте гипотезу Планка о квантовании энергии излучения. Запишите формулу Планка.

7. Как из формулы План­ка по­лу­чить законы Стефана-Больцмана и Вина?

8. По­че­му яр­ко­ст­ная тем­пе­ра­ту­ра, из­ме­ря­е­мая пи­ро­мет­ром, не сов­па­да­ет с дей­ст­ви­тель­ной? Объ­я­с­ни­те ус­т­рой­ст­во и прин­цип дей­ст­вия пи­ро­мет­ра.

Используемая ли­те­ра­ту­ра

[1] §§ 35.1-35.3;

[2] §§ 27.1-27.4;

[3] §§ 4.8-4.10;

[6] §§ 1-6;

[7] §§ 197-201.

 

 

Лабораторная работа 3-07

Изучение явления внешнего фотоэффекта

Цель работы:определение характеристик фотоэлемента.

Теоретическое введение

Одним из явлений, подтверждающих гипотезу фотонов, является фотоэлектрический эффект. Явление вырывания электронов с поверхности твёрдых и жидких тел под действием света (электромагнитного излучения) называется внешним фотоэффектом.

Впервые явление фотоэффекта было открыто Г.Герцем в 1887г.: он заметил, что при освещении ультрафиолетовыми лучами металлическое тело теряет электроны. Первые количественные исследования фотоэффекта сделал А.Г.Столетов, который установил основные законы фотоэффекта. Позже установка Столетова была усовершенствована Ф.Э.А.Ленардом (рис. 7.1).

 

 

Свет, проникающий через кварцевое окно Кв (кварц пропускает ульт­рафиолетовые лучи), освещает катод К, изготовленный из исследуемого материала. Электроны, испущенные вследствие фотоэффекта, перемеща­ются под действием электрического поля к аноду А. В цепи возникает фо­тотек, измеряемый гальванометром Г. С помощью потенциометра П можно изменять напряжение между катодом и анодом, которое показывает вольт­метр В.



Законы фотоэффекта.Проанализируем вольт-амперную характеристику (т.е. зависимость фо­тотока I от напряжения между элект­родами U), которая получается в ре­зультате фотоэлектрического эффек­та. Из кривой на рис. 7.2 видно, что при некотором не очень большом на­пряжении фототок достигает насы­щения – все электроны, испущенные катодом, попадают на анод. Следова­тельно, сила тока насыщения Iн опре­деляется количеством электронов, ис­пускаемых катодом в единицу време­ни под действием света. Поэтому сила тока насыщения Iн прямо пропорциональна световому потоку

Iн = γФ, (7.1)

где γ – коэффициент пропорци­ональности, характеризующий чувст­вительность данной поверхности к свету.

Анализ кривой показывает, что электроны вылетают из катода с раз­личными по величине скоростями. Часть электронов обладает достаточны­ми скоростями, чтобы при U=0 доле­теть до анода «самостоятельно» и со­здать ток I≠0 без помощи ускоряюще­го поля. Для обращения фототока в нуль необходимо приложить некоторое задерживающее напряжение Uз. По ве­личине тормозящей разности потен­циалов U3, при которой фототок обра­щается в нуль, можно определить ско­рость самых быстрых фотоэлектронов:

. (7.2)

Экспериментально было установлено, что максимальная скорость фотоэлект­ронов не зависит от интенсивности света, а зависит только от частоты излучения, и эта зависимость – линейная. Эта экспери­ментальная зависимость не укладыва­ется в рамки классической электроди­намики, так как скорость фотоэлектро­нов по классическим понятиям должна зависеть от интенсивности электромаг­нитной волны, а не от ее частоты.

Классическая электродинамика не смогла объяснить и безынерционность фотоэффекта, а также ещё один закон фотоэффекта – существование красной границы: для каждого материала имеется своя граничная частота ν0, при которой начинается фотоэффект, так что при частоте света ν≥ν0 фотоэффект наблюдается, а при ν< ν0 – нет.

Уравнение Эйнштейна.В 1905 г. А. Эйнштейн показал, что все закономерности фотоэффекта легко объясняются, если предполо­жить, что свет распространяется и поглощается такими же порциями (квантами) , какими он, по предпо­ложению Планка, испускается. Взаи­модействуя с электроном вещества, фотон может обмениваться с ним энергией и импульсом. Фотоэффект возникает при неупругом столкнове­нии фотона с электроном. При таком столкновении фотон поглощается, а его энергия передается электрону. Та­ким образом, электрон приобретает кинетическую энергию не постепен­но, а сразу –в результате единичного акта столкновения. Этим и объясня­ется безынерционность фотоэффекта.

Энергия, полученная электроном, доставляется ему в виде кванта hν. Часть этой энергии электрон тратит на то, чтобы вырваться из метал­ла. Для каждого материала имеет­ся своя работа выхода Авых –наимень­шая энергия, которую необходимо сооб­щить электрону, чтобы удалить его из вещества в вакуум. Остаток энергии фотона (hν–Авых) тратится на кинети­ческую энергию (mv2/2) электрона. Кинетическая энергия максимальна, если электрон образуется вблизи по­верхности вещества и не расходует энергию на случайные столкновения в веществе. В этом случае будет вы­полняться уравнение Эйнштейна:

. (7.3)

Уравнение Эйнштей­на позволяет объяснить законы фото­эффекта. Действительно, из соотно­шения Эйнштейна непосредственно следует, что максимальная кинетиче­ская энергия фотоэлектрона линейно возрастает с увеличением частоты па­дающего излучения и не зависит от его интенсивности. Так как с умень­шением частоты падающего света ки­нетическая энергия фотоэлектронов уменьшается (для данного вещества катода Авых постоянна), то при дости­жении некоторой критической часто­ты ν=ν0 кинетическая энергия фо­тоэлектронов станет равной нулю и фотоэффект прекратится. Согласно Эйнштейну, частота

. (7.4)

Эта частота и связанная с нею длина волны :

(7.5)

называется красной гра­ни­цей фо­то­эф­фе­к­та. Она зависит лишь от работы выхода электронов, то есть от химической природы вещества и состояния его поверхности.

 

Экспериментальная часть

Старая установка

Приборы и обо­ру­до­ва­ние:фо­то­эле­мент, ос­ве­ти­тель, вы­пря­ми­тель, галь­ва­но­метр, из­ме­ри­тель­ная ли­ней­ка.

 

Методика измерений

На яв­ле­нии фо­то­эф­фе­к­та ос­но­ва­но дей­ст­вие фо­то­эле­мен­тов – прибо­ров, на­хо­дя­щих ши­ро­кое при­ме­не­ние в на­у­ке, тех­ни­ке, на­род­ном хо­зяйстве. Ка­ж­дый фо­то­эле­мент ха­ра­к­те­ри­зу­ет­ся ря­дом па­ра­ме­т­ров, оп­ре­де­ля­ю­щих не толь­ко его свой­ст­ва, но и пре­де­лы при­ме­ни­мо­сти.

Ва­ж­ней­ши­ми па­ра­метра­ми фо­то­эле­мен­тов яв­ля­ют­ся: ин­те­граль­ная и спек­т­раль­ная чув­ст­ви­тельно­с­ти, вольт-­ам­пер­ная характеристика, ра­бо­чее на­пряже­ние и др. Под ин­те­граль­ной чув­ст­ви­тель­но­стью g понимают величину фототока, ко­то­рый те­чет в ко­рот­ко­замк­ну­той це­пи фо­то­эле­мен­та при па­де­нии на не­го еди­ни­чного по­то­ка лу­чи­стой энер­гии, со­сто­я­щей из волн раз­ли­ч­ной дли­ны. Та­ким об­ра­зом,

, (7.6)

где I – ток в цепи фотоэлемента, Ф – падающий на фотоэлемент световой поток. Ко­г­да при­хо­дит­ся иметь де­ло с ви­ди­мой об­ла­стью спек­т­ра, ве­ли­чи­ну све­то­во­го по­то­ка вы­ра­жа­ют в лю­ме­нах, и в этом случае [g]=А/лм.

Освещённость Е поверхности фотоэлемента площадью S равна

. (7.7)

Освещённость, создаваемая точечным изотропным источником света на расстоянии r от него при нормальном падении света:

, (7.8)

где Iсв. – сила све­та то­че­ч­но­го ис­то­ч­ни­ка. Тогда чувствительность

. (7.9)

Дру­гой ва­ж­ной ха­ра­к­те­ри­сти­кой фо­то­эле­мен­та яв­ля­ет­ся све­то­вая ха­ра­к­те­ри­сти­ка. Она по­ка­зы­ва­ет, как из­ме­ня­ет­ся фо­то­ток I при из­мене­нии ос­ве­щен­но­сти фо­то­эле­мен­та Е. Гра­фик за­ви­си­мо­сти I=f(Е) позво­ля­ет су­дить об об­ла­с­ти при­ме­ни­мо­сти то­го или ино­го фо­то­при­ем­ни­ка. Све­то­вая ха­ра­к­те­ри­сти­ка фо­то­эле­мен­та, дей­ст­вие ко­то­ро­го ос­но­ва­но на внеш­нем фо­то­эф­фе­к­те, по­з­во­ля­ет убе­дить­ся в од­ном из за­ко­нов фо­то­эффе­к­та: ко­ли­че­ст­во вы­ле­та­ю­щих элек­т­ро­нов про­пор­ци­о­наль­но ко­ли­че­ст­ву па­да­ю­щих на ве­ще­ст­во фо­то­нов; ка­ж­дый фо­тон вза­и­мо­дей­ст­ву­ет с од­ним элек­т­ро­ном.

Вольт­ам­пер­ные ха­ра­к­те­ри­сти­ки от­ра­жа­ют за­ви­си­мость фо­то­то­ка от при­ло­жен­но­го к фо­то­эле­мен­ту на­пря­же­ния при не­из­мен­ном све­то­вом по­то­ке. Эта ха­ра­к­те­ри­сти­ка по­з­во­ля­ет пра­виль­но вы­брать ра­бо­чее на­пря­же­ние фото­э­ле­мен­та. Се­мей­ст­во кри­вых I=f(U), сня­тых при раз­ли­ч­ных уров­нях ос­ве­щен­но­сти, хо­ро­шо ил­лю­ст­ри­ру­ют те­о­рию фо­то­эф­фе­к­та Эйн­штей­на.

Экспериментальная ус­та­нов­ка

 

 


Схе­ма экс­пе­ри­мен­таль­ной ус­та­нов­ки при­ве­де­на на рис.7.3. В ра­бо­те ис­поль­зу­ет­ся ва­ку­ум­ный фо­то­эле­мент СЦВ-3 (1). Для за­щи­ты от по­сто­ронне­го све­та он смон­ти­ро­ван в ко­жу­хе. Фо­то­эле­мент пред­ста­в­ля­ет со­бой сте­к­лян­ный бал­лон, из ко­то­ро­го до оп­ре­де­лен­но­го да­в­ле­ния от­ка­чан воз­дух. На по­ло­ви­ну вну­т­рен­ней по­верх­но­сти бал­ло­на на­пы­ле­ни­ем на­но­сит­ся слой ме­тал­ла (в СЦВ-3 – це­зий), яв­ля­ю­щий­ся фото­ка­то­дом. Анод име­ет фор­му ме­тал­ли­че­с­кой сфе­ры и рас­по­ло­жен в централь­ной ча­с­ти бал­ло­на. Элек­т­ри­че­с­кие ча­с­ти ка­то­да и ано­да впа­я­ны в ни­ж­нюю часть бал­ло­на и вмон­ти­ро­ва­ны в цо­коль фо­то­эле­мен­та.

Фо­то­эле­мент и ос­ве­ти­тель (2) рас­по­ло­же­ны на рель­сах так, что рас­сто­я­ние ме­ж­ду ни­ми мо­ж­но ме­нять. При ос­ве­ще­нии фо­то­ка­то­да в це­пи фо­то­эле­мен­та воз­ни­ка­ет ток, из­ме­ря­е­мый галь­ва­но­мет­ром (3). На­пря­же­ние по­да­ет­ся от вы­пря­ми­те­ля (4), смон­ти­ро­ван­но­го с вольт­мет­ром (5) в од­ном кор­пу­се. Вы­пря­ми­тель вклю­ча­ет­ся в сеть пе­ре­мен­но­го то­ка про­во­дом (6) и тумб­ле­ром SA1. Ве­ли­чи­ну на­пря­же­ния мо­ж­но из­ме­нять по­тен­цио­мет­ром R и из­ме­рять вольт­мет­ром.

С по­мо­щью дан­ной ус­та­нов­ки мо­ж­но снять вольт­ам­пер­ную ха­ра­к­тери­с­ти­ку фо­то­эле­мен­та (за­ви­си­мость си­лы фо­то­то­ка от на­пря­же­ния при по­сто­ян­ном рас­сто­я­нии ме­ж­ду ос­ве­ти­те­лем и фо­то­эле­мен­том: I=f(U)) и све­то­вую ха­ра­к­те­ри­сти­ку (за­ви­си­мость фо­то­то­ка на­сы­ще­ния от ос­ве­щен­но­сти: I=f(Е)).

Пе­ред на­ча­лом из­ме­ре­ний сле­ду­ет ус­та­но­вить пре­де­лы из­ме­ре­ний ам­пер­мет­ра и вольт­мет­ра и оп­ре­де­лить це­ну их де­ле­ний.

 



12345678910111213141516




Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.