Лабораторный практикум по физике оптика

Некоторые табличные величины, используемые в данной работе:

μ= 18∙10-3 кг/моль – молярная масса воды;

ε0 = 8,85∙10-12 Ф/м - электрическая постоянная;

k= 1,38∙10-23 Дж/К – постоянная Больцмана;

ε= 81 – диэлектрическая проницаемость воды;

ρ воды = 103 кг/м3 – плотность воды.

Контрольные вопросы

1.В чем заключается явление полного внутреннего отражения?

2.Согласно квантовой теории, фотоны могут существовать только при движении со скоростью 3∙108м/с (скорость света в вакууме). Как же тогда объяснить, что скорость фотонов в среде с показателем преломления n равна c/n, т.е. меньше c ? Как можно было бы объяснить механизм прохождения фотонов через прозрачный диэлектрик?

3.В чем состоит преимущество метода рефрактометрии по сравнению с другими методами определения показателя преломления?

4.При каком условии существует предельный угол преломления?

5.Почему граница светотени спектрально окрашена? Для какой цели в оптической схеме рефрактометра используются призмы прямого зрения?

6.На измерении какого угла основан принцип действия прибора?

7.Как объяснить зависимость показателя преломления от длины световой волны?

8.Почему одна половина поля зрения трубы остаётся всегда тёмной?

9. Согласно теории Максвелла, ε = n2 . Для воды, например,

ε = 81 и показатель преломления должен быть равен 9, однако его опытное значение намного меньше (1,33299). Как объяснить кажущееся противоречие между теорией и опытом?

10.В каком случае поляризация полярных диэлектриков совпадает

с молекулярной рефракцией?

11.Какие правила техники безопасности следует соблюдать при работе с рефрактометром?

40

Лабораторная работа №5

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ФОТОЭЛЕМЕНТА

Цель работы

Изучение явления фотоэффекта и его законов, знакомство с фотоэлементами и определение их чувствительности.

Основы теории.

Выбивание электронов с поверхности металлов под действием света называется внешним фотоэффектом. Явление было открыто в 1887 г. Г. Герцем и детально на опыте годом позже исследовано А.Г.Столетовым.

Фотоэффект можно наблюдать на установке, схематично изображенной на рис. 1.

Рис. 1.

В сосуде, из которого выкачан воздух, имеются два впаянные электрода. Один из них (катод) присоединяется к отрицательному полюсу источника тока; другой (анод) – к положительному электроду. Между анодом и катодом создается ускоряющее электрическое поле. При освещении катода во внешней цепи появляется ток. Это происходит вследствие того, что падающий свет освобождает из фотокатода частицы, которые движутся под действием электрического поля, создаваемого приложенной

42

разностью потенциалов. Измерение величины удельного заряда частиц показало, что освобождаемые светом из катода частицы есть электроны. Исследования позволили установить следующие основные законы фотоэффекта:

1) сила фототока пропорциональна величине светового потока, т.е. количеству световой энергии, падающей на катод в единицу времени

I~Ф;

2)кинетическая энергия фотоэлектронов распределена от

нуля до некоторого максимального значения

3) максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов при заданном материале катода зависит только от частоты излучения

большей некоторой предельной частоты ν 0 , называемой красной

границей фотоэффекта; 5) фотоэффект - явление безинерционное (ток в цепи

фотоэлемента появляется сразу вслед за облучением и исчезает сразу, если облучение устранить).

Законы фотоэффекта (3,4,5) нельзя объяснить из волновых представлений о свете. Особенно разительное противоречие между теорией и опытом имеет место при рассмотрении четвертого закона.

Затруднения волновой теории света в объяснении фотоэффекта явились одной из причин, побудивших Эйнштейна выдвинуть в 1905г. фотонную теорию света, являющуюся некоторым возвратом к корпускулярным взглядам на природу света. По мысли Эйнштейна, свет - это не электромагнитные волны, а поток частиц, квантов или фотонов, каждый из которых несет энергию

43

где h – постоянная Планка, равная 6,625∙10-34 Дж∙с, а – частота излучения, для видимого света по порядку величины равная 1014 – 1015 с-1.

Фотоны (кванты света) материальны и обладают массой, как и частицы вещества. Однако между ними существует качественная разница. Частицы вещества имеют «массу покоя» и могут двигаться с любыми скоростями, всегда меньшшими скорости света в вакууме. Фотоны не имеют массы покоя и могут существовать только при движении со скоростью света.

Механизм фотоэффекта по фотонной теории состоит в следующем. Электрон, находящийся в некоторой точке внутри фотокатода, поглотив фотон в единичном акте, увеличивает свою кинетическую энергию на величину энергии фотона hν . Двигаясь к поверхности катода, электрон растратит часть своей энергии на взаимодействие с другими электронами и ионами решетки. Его энергия уменьшится на величину K и вблизи поверхности катода сделается равной

K′ = hν − K .

Если оставшейся у электрона энергии K′ достаточно, чтобы совершить работу выхода A, то он может выйти за пределы поверхности катода в качестве фотоэлектрона с кинетической энергией, равной

Пользуясь формулой (2), легко объяснить законы фотоэффекта (студенту следует сделать это самостоятельно). На опыте K трудно определить, так как не известно, с каким количеством электронов провзаимодействует электрон, поглотивший квант света. Максимальными кинетическими энергиями (2) будут обладать поверхностные электроны, для которых K = 0. В этом случае

фотоэффекта. Оно является законом сохранения энергии для процессов атомного масштаба. Фотоэффект можно рассматривать как экспериментальное доказательство квантовых

44

(корпускулярных) свойств света. В виде формулы (3) уравнение Эйнштейна справедливо только для свободных поверхностных электронов.

Приборы, предназначенные для преобразования световой энергии в электрическую на основе явления фотоэффекта, называются фотоэлементами; их назначение состоит в преобразовании световой энергии в электрическую. Фотоэлементы очень разнообразны по своей конструкции и типу и находят широкое применение в технике. Различают фотоэлементы с внешним фотоэффектом и фотоэлементы, основанные на внутреннем фотоэффекте в запирающем слое. Каждый фотоэлемент как технический прибор характеризуется чувствительностью.

Чувствительностью фотоэлемента γ называется отношение величины тока I , даваемого фотоэлементом, к величине падающего светового потока Ф:

фотоэлемента, на которую падает световой поток, равная в данной работе 3∙10-3 м2.

Экспериментальная часть

Описание установки

В данной работе используется селеновый фотоэлемент с запирающим слоем. Он изображен на рис. 2 и состоит из железной подложки М, покрытой слоем селена С, на который нанесен напылением сверху полупрозрачный слой металла А.

На границе между слоем селена и полупрозрачной пленкой металла образуется запирающий слой В. Если металлическую пленку соединить через гальванометр с железной подложкой и освещать селен, то кванты света будут вырывать электроны из селена и переводить в металлическую пленку через запирающий

45

Рис. 2

слой. В результате гальванометр покажет наличие тока в цепи. Электроны могут переходить только в указанном направлении, обратный переход для них закрыт, отсюда и название – запирающий слой.

На рис. 3 изображена схема установки.

Рис. 3

46

Порядок выполнения работы

1.Убедиться в том, что установка работает нормально: при освещении фотоэлемента гальванометр показывает наличие тока

вцепи, при затемнении – тока нет.

2.Меняя расстояния между источником света и фотоэлементом, определить значения тока в микроамперах.

3.Тумблером переключить фотоэлемент с микроамперметра

на люксметр. При тех же расстояниях найти освещенность E фотоэлемента по люксметру.

4.Подставляя в формулу (6) значения I и E , взятые из каждого отдельного опыта, вычислить значения γ .

Все полученные результаты заносятся в таблицу.

Таблица

Контрольные вопросы

1.В чем заключается явление фотоэффекта?

2.Сформулируйте основные законы фотоэффекта.

3.Как выглядит уравнение Эйнштейна для свободных поверхностных электронов? Выведите данное уравнение.

4.С помощью уравнения Эйнштейна объясните все законы фотоэффекта. Запишите уравнение Эйнштейна для красной границы фотоэффекта.

47

5. Какие требования по технике безопасности предусматривает данная работа?

48

Лабораторная работа № 7

СВЕТОТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И СВЕТОВОЕ ПОЛЕ ЛАМПЫ НАКАЛИВАНИЯ

Цель работы

Знакомство с основными светотехническими величинами и проверка закона обратных квадратов.

Основы теории

Свет оказывает действие на тела благодаря тому, что он переносит энергию. Согласно теории Максвелла световая энергия

– это энергия электромагнитных волн. Методы измерения световой энергии составляют раздел оптики, называемый фотометрией. Прикладная часть фотометрии – светотехника, в которой для характеристики света используются определенные понятия и величины. Рассмотрим некоторые из них.

Поток световой энергии (световой поток) Ф

Ряд величин характеризуют свет с точки зрения переносимой им энергии. Построим бесконечно малый телесный угол dω , в вершине которого расположен точечный источник света L (рис.1).

Рис. 1.

49