- •Атомная физика
- •© СПбГэту«лэти», 2006 Работа 1 (1.4). Исследование закономерностей теплового излучения нагретого тела
- •1.1. Общие сведения
- •1.2. Исследуемые закономерности
- •1.3. Экспериментальная установка
- •1.4. Задание по подготовке к работе
- •1.5. Указания к выполнению работы
- •1.6. Указания для обработки результатов
- •1.7. Контрольные вопросы
- •Список литературы
- •Работа 2. Исследование спектральной лучеиспускательной способности излучения нагретого тела
- •2.2. Экспериментальная установка
- •2.3. Указания по проведению эксперимента
- •2.4. Указания по обработке результатов
- •2.5. Контрольные вопросы
- •Работа 3(3.4). Исследование внешнего фотоэффекта
- •3.1. Общие сведения
- •3.2. Исследуемые закономерности
- •3.3. Задание для подготовки к работе
- •2.4. Указания к выполнению работы
- •3.5. Указания по обработке результатов
- •3.6. Контрольные вопросы
- •Список литературы
- •Работа 4 (8.4). Исследование эффекта зеемана методом индуцированных квантовых переходов электронов в атоме
- •4.1. Общие сведения
- •4.2. Исследуемые закономерности
- •4.3. Установка исследования эффекта резонансного поглощения, индуцированного магнитным полем
- •3.4. Задание для подготовки к работе
- •4.5. Указания по выполнению наблюдений
- •4.6. Указания по обработке результатов
- •4.7. Контрольные вопросы
- •Список литературы
- •Работа 5 (16.4). Исследование ядерного магнитного резонанса и определение магнитного момента ядра атома
- •5.1. Общие сведения и исследуемые закономерности
- •5.2. Экспериментальная установка и методика наблюдения ямр
- •5.3. Задание по подготовке к работе
- •5.4. Указания по выполнению наблюдений
- •5.5. Указания по обработке результатов
- •5.6. Контрольные вопросы
- •Список литературы
- •Работа 6 (9.4). Исследование внутреннего фотоэффекта
- •6.1. Общие сведения
- •6.2. Исследуемые закономерности
- •6.3. Экспериментальная установка
- •6.4. Указания по выполнению работы и содержанию отчета
- •Список литературы
- •Работа 7 (11.4). Исследование туннельного эффекта в вырожденном p–nПереходе
- •7.1. Общие сведения
- •7.2. Исследуемые закономерности
- •7.3. Экспериментальная установка
- •7.4. Указания по подготовке к работе
- •7.5. Указания по выполнению наблюдений
- •7.6. Указания по обработке результатов и содержанию отчета
- •Список литературы
- •Работа 8. Компьютерное моделирование туннельного эффекта
- •Моделируемые закономерности
- •Задание на подготовку к работе
- •Указания к выполнению работы
- •Указания по обработке результатов
- •Контрольные вопросы
- •Список литературы
- •Содержание
- •Работа 2. Исследование спектральной лучеиспускательной способности излучения нагретого тела
- •197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5
Министерство образования и науки РФ
_______________
Санкт-Петербургский государственный электротехнический
университет «ЛЭТИ»
____________________________________________________
Атомная физика
Методические указания
к выполнению лабораторных работ
Санкт-Петербург
Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»
2006
УДК 531+537 (079)
Атомная физика: Методические указания к лабораторным работам по курсу “Общая физика” /Сост.: А. М. Альтмарк, Г. А. Коноплев, И. А.Черемухина, И. Л. Шейнман; Под ред. А. М. Прудана. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2006. 48 с.
Методические указания содержат описание теории и методики экспериментального исследования корпускулярной природы электромагнитного излучения, квантовой природы магнитных свойств атома и ядра атома. Описания к работам содержит задание на подготовку и перечень контрольных вопросов.
Предназначено для студентов 2-го курса всех факультетов СПбГЭТУ.
Утверждено
редакционно-издательским советом университета
в качестве методических указаний
© СПбГэту«лэти», 2006 Работа 1 (1.4). Исследование закономерностей теплового излучения нагретого тела
Цель работы: экспериментальное исследование зависимости мощности теплового излучения от температуры; проверка закона Стефана—Больцмана.
Приборы и принадлежности: неконтактный термометр (пирометр); нагреваемое тело, имеющее форму тонкой пластины; приборы (амперметр, вольтметр) для измерения мощности источника тепловой энергии в пластине.
1.1. Общие сведения
Тепловое излучение представляет собой явление генерации электромагнитных волн нагретым телом. Основу эффекта составляют процессы преобразования тепловой энергии макроскопической системы (нагретого тела) в энергию электромагнитного поля.
В качестве меры преобразования энергии обычно используется мощность , где– количество энергии, которое в течение интервала времениdtпреобразуется из одного вида в другой. В связи с тем, что излучение электромагнитных волн происходит с поверхности тела, а мощность теплового излученияпропорциональна площади поверхности, в качестве характеристики используютинтегральную энергетическую светимостьтела:
, Вт / м2 (1.1)
Правая часть равенства (1.1) задает суммарную плотность потока энергии электромагнитных волн всех частот, испускаемой поверхностью нагретого тела.
Для характеристики зависимости светимости нагретого тела от частоты вводится спектральная лучеиспускательная способность r, T тела:
, (1.2)
где – суммарная плотность потока энергии, переносимой волнами, частоты которых находятся в узком интервале (…).
Наряду с излучением может происходить и обратное преобразование энергии: энергия электромагнитного излучения поглощается веществом, т.е. трансформируется в тепловую энергию макроскопической системы. Мерой обратного преобразования энергии служит спектральная поглощательная способность T, определяемая как:
(1.3)
где – поток энергии, который поглощается телом,– величина падающего потока в интервале частот….
Тело, которое полностью поглощает энергию электромагнитных волн (), называют абсолютно черным телом. Если поглощательная способность в некоторой области частот меньше единицы () и не зависит от частоты, то в этой области спектра тело считаетсясерым.
Излучение и поглощение веществом электромагнитных волн представляют собой формы проявления способности частиц вещества (атомов, молекул) к взаимодействию с электромагнитным полем. Оба эффекта сосуществуют неразрывно. Это утверждение составляет основу закона Кирхгофа: для любого тела отношение лучеиспускательной способности к поглощательной способноститела – это универсальная функция, аргументами которой являются температураи частотаэлектромагнитной волны:
. (1.4)
Теория эффекта теплового излучения, созданная М. Планком, определяет эту функцию в следующем виде:
. (1.5)
Универсальность функции (1.5) связана с тем, что в ее состав входят только фундаментальные физические константы: фазовая скорость электромагнитной волны в вакуумес, постоянная Планка , постоянная Больцмана. Отметим, что функция не содержит параметры, которые несут информацию об атомах и молекулах вещества, а также о форме тела.
Тепловое излучение обладает двумя особенностями. Увеличение температуры приводит к резкому возрастанию энергетической светимости тела и к изменению цветности излучения от темно-красного – до ярко-белого. Математическое обоснование этих закономерностей (законы Стефана – Больцмана (1.6) и Вина – Голицина (1.7)) дано в теории М. Планка для абсолютно черного () тела:
, (1.6)
, (1.7)
где –постоянная Стефана –Больцмана; – частота, при которой функцияимеет максимальное значение;–постоянная Вина.