Методика измерений и обработка результатов

Измерение потока энергии излучения Ф платиновой нити заменяется измерением подводимой к ней электрической мощности Р = I  U, где I – сила тока, а U – падение напряжения в цепи накала нити. Площадь (цилиндрической поверхности нити , гдеd = 0,2 мм – диаметр, а l = 7 7 см – длина платиновой нити. Таким образом, в соответствии с выражением (1.1), величина энергетической светимости нагретого тела в данной работе рассчитывается по формуле: R = I  U/S.

Чтобы определить температуру платиновой нити, необходимо располагать градуировочным графиком термопары (зависимость температуры от ТЭДС). В хорошем приближении в данной работе можно считать, что зависимость ТЭДС используемой термопары от абсолютной температуры Т носит линейный характер:

ТЭДС = k  (T – T_ср), (1.6)

где Т_ср – абсолютная температура окружающей среды, а коэффициент пропорциональности k = 0,074 мВ/⁰К (для данной температуры). С помощью формулы (1.6) в настоящей работе рассчитывается абсолютная температура нити Т по измеренным значениям ТЭДС термопары.

После того, как экспериментальным путем получена зависимость энергетической светимости R от абсолютной температуры Т, необходимо найти неизвестные α и z графическим путем. Для этого нужно:

1. Построить график зависимости энергетической светимости отТ.

2. Определить коэффициент серости  платиновой нити и показатель степени температуры z. С этой целью прологарифмируем обе части выражения (1.5), предварительно разделив обе части на . Получим:

ln T. (1.7)

график выражения (1.7) представляет линейную функцию вида:

y = в + кx.

В данной работе нас интересует второй член в (1.7), где z=k – угловой коэффициент.

Рис. 1.2

График зависимости энергетической светимости от температуры нагретого тела в координатах

По экспериментальным точкам провести прямую. Находим z по тангенсу угла наклона прямой tg  =z, z .

Порядок нахождения α – коэффициент серости. Выразим из (1.7) размерность

[R]=[α][]۬·[T^z]

Контрольные вопросы

1. Какова особенность теплового излучения?

2. Назовите основные характеристики теплового излучения.

3. Сформулируйте основные законы теплового излучения.

4. Определите понятие абсолютно черного тела, серого тела, коэффициента серости.

5. Как объяснила теория М. Планка экспериментальные законы теплового излучения абсолютно черного тела?

6. Как провести расчет искомых величин  и z.

7. Зная величины  и z провести анализ, как излучение, данное нагретого тела отличается от излучения абсолютно черного тела.

8. Вывод. Проанализируйте полученные результаты.

Список литературы

1. Детлаф, А.А. Курс физики / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский. – М.: Высшая школа, 1989. – 607 с. Т.3.

2. Ландсберг, Г.С. Оптика / Г.С. Ландсберг. – М.: Наука, 1976. – 926 с.

3. Иродов, И.Е. Квантовая физика. Основные законы: Учеб. пособие для вузов / И.Е. Иродов. – М.: Лаборатория базовых знаний, 2001. – 27 с.

1. Савельев, И.В. Курс физики. Т. 3. Квантовая оптика / И.В. Савельев. – М.: Наука, 1989. – 301 с.

Лабораторная работа № 2

ВНЕШНИЙ ФОТОЭФФЕКТ.

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНА СТОЛЕТОВА

И ПРОВЕРКА ФОРМУЛЫ ЭЙНШТЕЙНА

Цель работы:

изучение основных законов внешнего фотоэффекта на основе измерения световой и вольт-амперной характеристик вакуумного фотоэлемента.

Краткая теория внешнего фотоэффекта

Внешним фотоэффектом называется явление испускания электронов металлом под действием света. Закономерности, которым подчиняется явление фотоэффекта, формулируются в виде трех законов Столетова:

1. Фототок насыщения (I_нас) пропорционален световому потоку.

2. Максимальная скорость фотоэлектронов определяется частотой света и не зависит от его интенсивности.

3. Для каждого материала существует минимальная частота света (максимальная длина волны), при которой еще возможен внешний фотоэффект, т.е. существует «красная граница фотоэффекта».

свет (h)

Рис. 2.1

Внешний фотоэффект в данной работе наблюдается в фотоэлементе. Используется сурьмяно-цезиевый вакуумный фотоэлемент типа СЦВ-4 (рис. 2.1). Фотоэлемент состоит из стеклянного баллона (1), фотокатода (2) в виде тонкого слоя сурьмяно-цезиевого сплава на внутренней поверхности баллона, металлического анода (3) и внешних выводов (4).

Согласно современным воззрениям, свет обладает корпускулярно - волновым дуализмом, энергия каждого фотона равна h ( – частота света, h – постоянная Планка). При поглощении света веществом фотон отдает свою энергию только одному электрону (монофотонный фотоэффект), который может покинуть вещество, если энергия электрона h больше работы выхода А_вых из катода. Количество фотоэлектронов, покидающих вещество в единицу времени, а значит, и фототок прямо пропорциональны числу фотонов, падающих на поверхность вещества в единицу времени, т.е. и световому потоку. При этом энергия фотона не оказывает влияния на количество фотоэлектронов.

Проверка первого закона фотоэффекта заключается в подтверждении линейной зависимости между фототоком насыщения I_нас и световым потоком, падающим на фотоэлемент. Изменять световой поток можно изменением расстояния r между источником света и фотоэлементом. Действительно, если N – число фотонов, испускаемых точечным источником света в единицу времени, то число фотонов N₁, попадающих на фотоэлемент (которое пропорционально световому потоку), равно

(2.1)

где S– площадь катода фотоэлемента.

Таким образом, задача сводится к подтверждению линейной зависимости между фототоком насыщения I_нас и 1/r², поскольку коэффициент перед 1/r² в выражении (2.2) есть константа в условиях постоянства накала источника света:

(2.2)

где сonst = N/4 · S.

Получив энергию от фотона, электрон теряет часть ее вследствие случайных столкновений в веществе. Энергия, равная работе выхода А_вых, идет на преодоление потенциального барьера на границе металл – вакуум. Максимальной кинетической энергией обладают фотоэлектроны, вышедшие в вакуум непосредственно с поверхности вещества. Для таких электронов потери на столкновения равны нулю, и их кинетическая энергия Т связана с энергией фотона h и работой выхода А формулой Эйнштейна:

Т = h – A. (2.3)

Или h = А_вых +, т.е энергияh кванта света, падающего на катод расходуется на работу выхода электрона и сообщения ему кинетической энергии.

Проверка выражения (2.3) состоит в установлении линейной зависимости между кинетической энергией фотоэлектронов и частотой света, а саму зависимость (2.3) можно использовать для определения постоянной Планка h и работы выхода А. Частоту света можно изменять плавно, используя монохроматор, или дискретно, располагая перед фотоэлементом светофильтры. В настоящей работе используется второй способ. При этом следует иметь в виду, что светофильтры пропускают свет только в некотором интервале длин волн. Максимальной кинетической энергией обладают фотоэлектроны, выбитые фотонами с наименьшей длиной волны. Наименьшую длину волны света, пропускаемого светофильтром, называют граничной длиной волны _гр, а соответствующую ей частоту – верхней частотой _в. Определение кинетической энергии фотоэлектронов проще всего произвести методом задерживающего потенциала, подавая на фотоэлемент напряжение в запорном направлении и увеличивая его до тех пор, пока фототок не станет равным нулю. При этом максимальная кинетическая энергия Т фотоэлектронов и напряжение запирания U₃ фотоэлемента оказываются связанными соотношением:

eU₃ = Т =, (2.4)

где eU₃ – энергия электрического поля, препятствующая продвижению фотоэлектронов к аноду,

e – заряд электрона.

В этом случае кинетической энергии фотоэлектрона хватает только на то, чтобы преодолеть задерживающий потенциал и выйти из катода на поверхность.

С учетом (2.4), выражение (2.3) преобразуется в

еU₃ = h – А. (2.5)

После деления на e, получим:

(2.6)

Выражение (2.6) отражает линейную зависимость задерживающего потенциала U₃ от частоты .

Сравнить с линейным уравнением вида: y=kx-b