 |
|
|
Архитектура Астрономия Аудит Биология Ботаника Бухгалтерский учёт Войное дело Генетика География Геология Дизайн Искусство История Кино Кулинария Культура Литература Математика Медицина Металлургия Мифология Музыка Психология Религия Спорт Строительство Техника Транспорт Туризм Усадьба Физика Фотография Химия Экология Электричество Электроника Энергетика |
ОБРОБКА РЕЗУЛЬТАТІВ ВИМІРЮВАНЬ
1) Заповнити всі графи таблиці, виконавши необхідні розрахунки. Значення коефіцієнта А(Т) для кожної температури слід брати з графіка, який знаходиться на робочому місці. На тому ж графіку вказані розміри спіралі лампи розжарення. 2) За формулою (11) обчислити 4 – 6 разів значення σ сталої Стефана – Больцмана, вибираючи щоразу для розрахунку результати вимірювань у двох (довільних) дослідах. 3) За результатами розрахунків п. 2 знайти середнє значення сталої σ, та оцінити похибки вимірювань. 4) Записати кінцевий результат. Зробити висновки. КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ 1) Назвіть основні види теплообміну між тілами. Що називають тепловим випромінюванням і яка його відмінність від інших видів випромінювання? 2) Дайте визначення величин, які характеризують випромінювальні та поглинальні властивості нагрітих тіл. В яких одиницях вимірюють ці величини? 3) Що таке абсолютно чорне тіло? Якими законами описується випромінювання абсолютно чорного тіла? 4) Сформулюйте закон Кірхгофа для теплового випромінювання тіл. Поясніть на основі закону Кірхгофа, чим відрізняються випромінювальні та поглинальні властивості нечорних тіл від абсолютно чорного тіла. 5) Оцініть відносно інтервалу видимого спектра положення максимуму спектра теплового випромінювання чорного тіла при температурі: а) тіла людини; б) волоска розжарення електричної лампи, t ~ 2500ºC; в) кратера вуглецевої дуги, t ~ 4000ºC; г) поверхні Сонця, t ~ 5800ºC; д) зони термоядерної реакції, t ~ 108 ºC. Поясніть, чому лампи розжарення відносять до неекономних джерел світла? 6) Як (приблизно) виглядає графік залежності спектральної поглинальної здатності поверхні тіла при кімнатній температурі від довжини хвилі λ, якщо при освітленні білим світлом поверхня має червоний (зелений, синій) колір? Який колір матиме зелена поверхня при освітленні її червоним світлом? 7) Для запобігання надмірного нагріву деяких елементів електричних схем, наприклад, потужних діодів, транзисторів, їх закріплюють на мідних або алюмінієвих радіаторах ребристої форми, а поверхню радіатора піддають чорнінню. Дайте обґрунтування: а) вибору матеріалу для виготовлення радіаторів; б) форми поверхні радіаторів; в) доцільності чорніння поверхні радіаторів. 8) Що таке оптична пірометрія? Назвіть переваги та недоліки пірометричних методів вимірювань. 9) Яка будова та принцип дії оптичного яскравісного пірометра із зникаючою ниткою? 10) Як з закону Планка (8) дістати закон Стефана – Больцмана (6) та закон Віна (5)? ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 32 ВИЗНАЧЕННЯ СТАЛОЇ ПЛАНКА Прилади і матеріали: 1) фотоелемент СЦВ-4; 2) установка для вивчення фотоефекту; 3) набір світлофільтрів; 4) освітлювач.
В роботі вивчається явище зовнішнього фотоефекту. Фотоефектом (фотоелектричним ефектом, фотоелектричною емісією) називають звільнення електронів, що знаходяться в речовині у зв’язаному стані, під дією короткохвильового електромагнітного випромінювання. Розрізняють зовнішній та внутрішній фотоефект. При зовнішньому фотоефекті відбувається випускання (емісія) електронів з поверхні тіла у вакуум під дією випромінювання. Зовнішній фотоефект спостерігається в будь-яких твердих тілах – металах, напівпровідниках, діелектриках, а також у газах на окремих атомах та молекулах (фотоіонізація). Фотоефект – явище суто квантове. Відкриття (Г. Герц, 1887) та дослідження (А. Столетов, Ф. Ленард, 1888-1889) фотоефекту відіграло важливу роль в експериментальному обґрунтуванні квантової теорії. Ейнштейн, розвиваючи гіпотезу Планка, у 1905 р. дійшов висновку про наявність у електромагнітного випромінювання корпускулярних властивостей. Введене ним уявлення про кванти випромінювання – частинки світла, які пізніше одержали назву фотонів 1), – дозволило пояснити незрозумілі в межах електромагнітної теорії експериментальні закономірності фотоефекту. ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ Для експериментального вивчення фотоефекту всередину вакуумної трубки з кварцовим віконцем,рисунок 1, поміщають пластинку досліджуваного металу К, яка називається фотокатодом. Пучок монохроматичного світла, проходячи крізь кварцове віконце, освітлює фотокатод і вибиває з нього електрони е – фотоелектрони. Кварцове скло застосовується тому, що воно пропускає не тільки видиме світло, але і ультрафіолетове випромінювання. Друга металева пластина Аслужить анодом (колектором електронів). Між катодом та анодом створюється електричне поле, під дією якого фотоелектрони прямують до анода і створюють в колі електричний струм – фотострум, величина якого вимірюється гальванометром G. Найважливіші закономірності зовнішнього фотоефекту такі: 1) Максимальна кінетична енергія фотоелектронів не залежить від інтенсивності падаючого світла, а визначається лише його частотою, а саме, лінійно зростає з частотою (перший закон фотоефекту). 2) При фіксованій частоті світла сила фотоструму (тобто повна кількість фотоелектронів, емітованих поверхнею металу за 1с) пропорційна інтенсивності світлового потоку (другий закон фотоефекту). 3) Для кожної речовини існує своя “червона межа” фотоефекту – λ0 або ν0.Фотоефект спостерігається лише тоді, коли довжина хвилі λ падаючого світла не перевищує певного, характерного для даної речовини, значення λ0, або коли частота світла не менше відповідного значення З третього закону витікає, що фотоефект відноситься до так званих порогових явищ. Відмітимо також, що зовнішній фотоефект практично безінерційне явище, тобто фотострум в колі, рисунок 1, виникає і припиняється без затримки в часі, одночасно з початком та припиненням освітлювання фотокатоду навіть при дуже малій інтенсивності світлового потоку. З точки зору класичної хвильової теорії світла закони фотоефекту незбагнені, в той же час квантова теорія дозволяє пояснити їх просто і зрозуміло.
При взаємодії з одним з електронів речовини фотон цілком передає йому свою енергію і припиняє своє існування (поглинається). Якщо енергія фотона hν достатньо велика, електрон здатен подолати сили, які утримують його в речовині, і вилетіти у вакуум. Застосувавши до електрон-фотонної взаємодії закон збереження енергії, Ейнштейн одержав рівняння для визначення максимальної швидкості vm фотоелектронів:
де m – маса електрона, h = 6,625·10–34 Дж · с – стала Планка, А – робота виходу. Це рівняння добре узгоджується з експериментом і дозволяє зрозуміти основні закономірності фотоефекту. Воно пояснює, зокрема, чому при зменшенні частоти падаючого світла, при деякій певній частоті ν0, фотоемісія електронів припиняється: електрон не може покинути метал, якщо енергія, надана йому фотоном, менша за роботу виходу А. Тому мінімальна частота світла ν0 – червона межа, при котрій ще можливий фотоефект, визначається з співвідношення:
Отже, не будь-яке випромінювання здатне спричинити фотоефект. Наявність червоної межі – одна з суттєвих особливостей фотоефекту. Кількісною характеристикою фотоефекту є квантовий вихід Y–кількість утворених фотоелектронів на один фотон, що падає на поверхню тіла. Величина Y залежить від властивостей тіла, стану його поверхні та енергії фотонів. Поблизу порогу фотоефекту для більшості металів Y~10–4 електрон/фотон. Мале значення квантового виходу обумовлено тим, що світло проникає у метал на глибину ~10–7 м і там в основному поглинається. Фотоелектрони, рухаючись в металі до поверхні, сильно взаємодіють з електронами провідності, котрих в металі багато, і швидко втрачають енергію, одержану від випромінювання. Енергію, достатню для здійснення роботи виходу, збережуть тільки ті фотоелектрони, які були утворені поблизу поверхні на глибині ~10–9 м. Другою причиною зменшення величини Yє властивість поверхні металів сильно відбивати випромінювання у видимій та ближній ультрафіолетових областях. При зростанні енергії фотонів квантовий вихід збільшується. Для чистих поверхонь більшості металів, крім лужних, A>3еВ (таблиця 1). Тому фотоефект на металах спостерігається переважно в ультрафіолетовій, а для лужних металів – у видимій області.
Таблиця 1 – робота виходу електронів при зовнішньому фотоефекті
За допомогою спеціальних покрить можна домогтися різкого зменшення роботи виходу і одночасно збільшення квантового виходу. З цією метою при виготовленні фотокатодів чисту поверхню металів вкривають моноатомним шаром електропозитивних атомів або молекул (Cs, Rb, Na, K, Ag, Cs2Sb), які утворюють на поверхні металу подвійний електричний шар, подібний двом обкладинкам зарядженого конденсатора. Напрям електричного поля всередині подвійного шару (між поверхнею металу та покриттям) сприяє виходу електрона з металу у вакуум, що призводить до зменшення роботи виходу та зростання квантового виходу. Наприклад, робота виходу з чистої поверхні Ni дорівнює 4,50 eB, а в присутності покриття з атомів Cs зменшується до 1,37 eB 2). Адсорбція газів на поверхні фотокатода значно погіршує його характеристики.
Поиск по сайту: |
, де c – швидкість світла (третій закон фотоефекту).
В рамках квантової теорії зовнішній фотоефект розглядається як результат взаємодії фотонів з електронами провідності, які знаходяться поблизу поверхні металу. Як свідчить теорія, електрон у вільному стані не може поглинути фотон, оскільки при цьому не можуть бути одночасно виконані закони збереження енергії та імпульсу. Фотоефект з твердих, рідких тіл, а також з атомів та молекул стає можливим через існування зв'язку електрона з оточенням. Цей зв'язок характеризується роботою виходу А електрона. Під роботою виходу розуміють енергію, яку необхідно затратити для вилучення електрона з твердої або рідкої речовини у вакуум в стан з кінетичною енергією, рівною нулю.
(1)
(2)