Описание экспериментальной установки

В работе используется лампа с нитью накала из вольфрама, помещенная в специальный кожух. Лампа подключается к сети переменного тока через автотрансформатор. Сила тока и напряжение на лампе измеряются с помощью амперметра со шкалой на 10 А и вольтметра - на 15 В.

Измерения и обработка результатов

Упражнение 1. Определение постоянной Стефана–Больцмана.

При 6-8 различных значениях рассеиваемой лампой мощности тока определите сопротивление лампы R=U/I. Соответствующие значения температуры излучающего тела находятся по известной зависимости сопротивления металлов от температуры: R=R₀(1+ t). Здесь t - температура металла по шкале Цельсия, R₀ – сопротивление при t = 0 С, – температурный коэффициент сопротивления. Для вольфрама = 0,0048 (^оС)^-1. (Данные об излучающей поверхности лампы и ее электрическом сопротивлении при t = 0 ^оС прилагаются).

Во избежание перегрева лампы не подавайте на нее напряжение свыше 10 В.

Постройте график зависимости рассеиваемой лампой мощности тока от . (Т - температура нити накала лампы по шкале Кельвина!)

Выделите на графике ту область, где мощность Р_Э пропорциональна . Выбрав произвольную точку на этом графике, найдите соответствующие ей значения Р_Э и T⁴ и по формуле (6) определите постоянную Стефана-Больцмана, полагая k = 0,31.

Результаты измерений и вычислений сведите в таблицу:

I, А	U, В	R0, Ом	R, Ом	t,0С	T, К	,	P, Вт	S, мм2

Полученное в работе значение постоянной Стефана-Больцмана сравните с табличным значением.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение энергетической светимости тела.

2. Что называется спектральной плотностью энергетической светимости? В каких единицах она измеряется?

3. Что называется монохроматической поглощательной способностью тела? Какое тело называется абсолютно черным?

4. Сформулируйте законы теплового излучения.

5. На белую фарфоровую пластинку наносится темный рисунок. Затем пластинка нагревается до температуры, при которой она становится излучателем света. Какую картину увидит наблюдатель и почему?

6. В чем состояла гипотеза Планка, которая позволила объяснить законы теплового излучения тел и явилась основой квантовой физики?

Лабораторная работа № 12 Изучение внешнего фотоэффекта

Цель работы: изучение вольтамперной характеристики вакуумного фотоэлемента; проверка справедливости первого закона фотоэффекта.

Приборы и принадлежности: установка для изучения вакуумного фотоэлемента, микроамперметр М95, вольтметр, выпрямитель на 250 В, реостат.

Литература: [1], § 202 – 204; [2], § 68; [3], § 56; [4], § 35 –37; [5], § 357.

В в е д е н и е

Поглощение света веществом часто сопровождается электрическими явлениями, которые называются фотоэффектом. При внешнем фотоэффекте электроны вылетают через поверхность освещенного тела; при внутреннем фотоэффекте увеличивается концентрация носителей тока внутри тела.

Для внешнего фотоэффекта установлены следующие основные закономерности:

1. Количество электронов, вылетающих из поверхности металла за единицу времени, пропорционально световому потоку, падающему на эту поверхность, при неизменном его спектральном составе.

2. При освещении монохроматическим светом скорости фотоэлектронов различны. Максимальная скорость фотоэлектронов не зависит от светового потока, а зависит для данного вещества лишь от частоты света. Эта зависимость линейная.

3. Для каждого вещества существует определенная частота света ν_кр, ниже которой фотоэффект не происходит. Эта частота (или длина волны) называется красной границей фотоэффекта.

4. Внешний фотоэффект имеет очень низкую инерционность.

Классическая электродинамика, которая рассматривает свет как электромагнитные волны, не может объяснить всех закономерностей фотоэффекта. Сущность его вскрывается квантовой теорией излучения. Согласно теории Эйнштейна свет представляет собой поток корпускул (фотонов), энергия которых пропорциональна частоте ν: E = hν, где h – постоянная Планка. Фотон при взаимодействии с электроном в поверхностном слое металла передает ему всю свою энергию. Часть этой энергии, равная работе выхода (А), затрачивается на то, чтобы электрон мог покинуть металл. Другая часть энергии (W) вследствие случайных столкновений электрона внутри металла теряется. Оставшаяся часть энергии образует кинетическую энергию фотоэлектрона. Если взаимодействие фотона с электроном происходит у самой поверхности металла, то W = 0, и скорость фотоэлектрона максимальна (υ_m). В этом случае справедливо соотношение

hν =mυ_m²/2 + A. (1)

Квантовая теория излучения объясняет все закономерности фотоэффекта. Действительно, с ростом светового потока пропорционально растет число фотонов, падающих на поверхность металла за единицу времени. Соответственно растет число вырванных фотоэлектронов. Из уравнения Эйнштейна (1) следует, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от светового потока, но линейно зависит от частоты излучения:

mυ_m²/2 = hν - A. (2)

При уменьшении частоты света максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается и при hν = A становится равной нулю. При частоте фотоэффект происходить не может.

Внешний фотоэффект используется в вакуумных и газонаполненных фотоэлементах.

В данной работе используется фотоумножитель ФЭУ–1, работающий в режиме простого вакуумного фотоэлемента (для этого разность потенциалов создается между катодом и анодом фотоумножителя, третий электрод – эмиттер – в схему не включается). Фотоумножитель представляет собой стеклянный откачанный до глубокого вакуума сферический баллон, в нижней части которого расположен анод. На одну половину внутренней поверхности нанесен тонкий слой сурьмы, а затем тонкий слой цезия путем последовательной конденсации паров этих металлов в вакууме. Образующееся соединение сурьмы и цезия Cs₃Sb служит катодом фотоэлемента. Красная граница фотоэффекта для этого фотокатода находится в видимой части спектра. Электрические выводы от катода и анода впаяны в нижнюю часть баллона и вмонтированы в его цоколь.