- •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
1.2. Исследуемые закономерности
В состав экспериментальной установки входит нагретая до высокой (T ~ 1000 K) температуры тонкая металлическая пластина с площадью поверхностиS= . По существующей классификации пластина относится к числу серых тел. Поглощательная способность пластины имеет значение. В процессе эксперимента производится измерение мощности теплового излученияPТИ, создаваемого пластиной, и ее температурыT.
Для измерения температуры пластины в работе используется неконтактный термометр (оптический пирометр). Через окуляр зрительной трубы пирометра наблюдатель видит (рис. 1.1, а) светящуюся нить (основная часть пирометра) на фоне светящейся поверхности исследуемого тела. Увеличение силы тока в нити пирометра приводит к возрастанию ее температуры и яркости свечения. При определенной яркости нить становится невидимой (рис. 1.1,б) на фоне светящейся поверхности. Если бы оба тела (нить и пластина) являлись бы абсолютно черными телами, то одинаковость яркости их свечения свидетельствовало бы о равенстве температур. В экспериментальной же установке нить пирометра является эквивалентом абсолютно черного тела, а нагреваемая пластина относится к классу серых тел.
Рис. 1.1.Видимое изображение нагретой нити2на фоне светящейся поверхности исследуемого тела1при разнойа) и одинаковойб) светимости тел
Яркость определяется как суммарная плотность потока энергии, переносимая электромагнитными волнами разных частот, в пределах телесного единичного угла:
. (1.8)
Одинаковое свечение нити с температурой и пластины с температурой, зафиксированное наблюдателем с помощью пирометра, свидетельствует о выполнении равенства:
. (1.9)
Здесь использованы следующие обозначения: – центральная частота светофильтра, входящего в состав пирометра; – полоса частот пропускания светофильтра ( ); – поглощательная способность поверхности пластины на частоте. Для красного светофильтра пирометрадлина волны в вакууме составляет = 665 нм, для желтого2 = 600 нм.Математические преобразования равенства (1.9), выполненные с учетом малости отношения / 1, приводят к алгебраическому выражению, связывающему искомую температуру пластины Т с измеренным значением температуры нити:
. (1.10)
Основу методики измерения мощности излучения пластины составляет условие теплового равновесия. В состоянии термодинамического равновесия выполняется баланс между приобретаемой и теряемой в единицу времени энергии. Условие равновесия, учитывающее основные механизмы обмена энергией между пластиной и окружающими телами, формулируется в виде равенства
, (1.11)
в котором Р– мощность Джоуля–Ленца, выделяющаяся в пластине при протекании электрического тока;– поглощаемая пластиной мощность теплового излучения, генерируемое окружающими телами;– мощность теплопроводности, которая передается от пластины к другим узлам экспериментальной установки за счет механизма теплопроводности, например, соединительных проводников. Если площадь поверхности пластиныSвелика по сравнению с площадью поперечного сеченияS1проводников (S1<<S) и температура пластиныTпревышает температуруT0окружающей среды в несколько раз, то, а мощность излучения пластинысущественно превышает мощность радиационного поглощенияи мощность теплопроводности. В этом случае мощность излучениясовпадает с мощностью Джоуля–Ленца. Отсюда в соответствии с законом Стефана-Больцмана (1.6) получаем
(1.12)
На основании теоретического прогноза (1.12) исследуемая зависимость мощности излучения от температуры пластины P(T) должна соответствовать степенной функции
, (1.13)
в которой n – показатель степени; — коэффициент пропорциональности, содержащий площадьSповерхности пластины, поглощательную способность1и постоянную Стефана—Больцмана.
Вводя безразмерные величины ; ;и прологарифмировав, получим
. (1.14)
Полученная зависимость имеет вид , где,,и допускает обработку методом наименьших квадратов (линейной регрессии).