4. Порядок выполнения работы

1. Установить термостолбик так, чтобы втулка на передней панели термостолбика вошла в отверстие на переднй панели печи. При этом расстояние от излучателя с площадью до приёмника с площадью равно м.

2. Включить устройство измерительное выключателем СЕТЬ на его задней панели и дать прогреться в течение 5 мин (при этом на индикаторах должны установиться значения 000 и 0,00 соответственно).

3. Включить печь с помощью выключателя СЕТЬ ( при этом ручка «СКОРОСТЬ НАГРЕВА» должна находиться в положении MIN), а для исключения перегрева корпуса печи включите с помощью выключателя ВЕНТ. вентилятор охлаждения. Крутя ручку «СКОРОСТЬ НАГРЕВА» добейтесь того, чтобы печь начала нагреваться.

4. Постепенно нагревая печь снимите зависимость напряжения термостолбика от температуры в печи. Показания напряжения термостолбика снимать при изменении температуры на С. Отсчёты следует производить, когда напряжение с термостолбика и температура в печи будут очень медленно меняться. Поэтому, если нагрев очень быстрый, перед отсчётом следует уменьшить скорость нагрева. Данные измерений занести в таблицу 1.

Более качественные результаты получаются, когда отсчёт производят во время теплового равновесия печи. При этом показания температуры в печи и показания напряжения с термостолбика не меняются.

5. После достижения максимально заданной температуры печи, поверните ручку регулирования скорости нагрева в положение MIN, выключите выключатель СЕТЬ на передней панели печи, при этом начнётся охлаждение печи (вентилятор должен работать).

6. С помощью калибровочной таблицы (рис. 7) определить поток (мощность замещения ), соответствующий полученным значениям напряжения термостолбика.

7. Построить в масштабе график зависимости от температуры. Взяв на графике две произвольные точки, определить соответствующие им значения потоков и температур.

8. Произвести расчёт постоянной Больцмана для полученных значений по формуле:

9. Сравнить полученное значение с табличным и сделать вывод по проделанной работе.

Таблица 1.

№ п/п	С	,К	,мВ	,Вт
1
2
3
4
5

Калибровочная характеристика термостолбика

Рисунок 7.

5. Контрольные вопросы

1. Дайте определение теплового излучения.

2. Какие величины характеризуют тепловое излучение?

3. Что называется потоком энергии, энергетической светимостью, спектральной плотностью энергетической светимости (испускательной способностью)?

4. Как связаны между собой энергетическая светимость и спектральная плотность энергетической светимости?

5. Что называется абсолютно черным телом? Какова идеальная модель абсолютно черного тела?

6. Сформулируйте и запишите законы теплового излучения абсолютно черного тела:

 закон Стефана - Больцмана;

 законы Вина;

 закон Планка.

7. Объясните методику проверки закона Стефана – Больцмана.

Работа 65. Изучение внешнего фотоэффекта

Цель работы

Исследовать вольтамперные характеристики фотоэлементов; произвести численную оценку постоянной Планка.

1. Оборудование

Установка для изучения внешнего фотоэффекта ФПК- 10, фотоэлемент СЦВ-4.

6. Краткая теория.

Фотоэффект – это процесс взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, в результате которого энергия фотонов передаётся электронам вещества.

Виды фотоэффекта:

1) Внутренний. Он наблюдается в диэлектриках и полупроводниках. При этом происходит перераспределение электронов по энергетическим уровням без вылета их наружу.

2) Вентильный – возникновение Э. Д. С. вследствие внутреннего фотоэффекта.

3) Ядерный – расщепление ядер гамма излучением.

4) Внешний - это явление вырывания электронов из твёрдых и жидких веществ под действием света. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами.

Внешний фотоэффект был открыт в 1887 году Г. Герцем, а первые исследования выполнены Столетовым в 1888 – 90 годах.

Экспериментально были открыты три закона внешнего фотоэффекта.

I. Закон Столетова: при фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых из катода в единицу времени, пропорционально интенсивности света. (Сила фототока насыщения пропорциональна падающему световому потоку).

II. Максимальная начальная скорость (кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только частотой света .

III. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота ₀света, с которой начинается фотоэффект.

Схема опыта Столетова.(Рис.1.)Вольт-амперная характеристика фотоэффекта( зависимость фототока от напряжения) при различных освещенностях катода (Рис.2.)

Рис. 1. Рис 2.

Установка для исследования фотоэффекта представлена на рис. 1. В сосуде, в котором находятся катод и анод, создается вакуум. Свет падает на катод. Электроны поглощают энергию световой волны и выходят из катода. Под действием электрического поля между катодом и анодом электроны попадают на анод, замыкая цепь. В цепи идет электрический ток.

Объяснение первого закона фотоэффекта связано с вольтамперной характеристикой фотоэффекта, представленной на рис. 2. Световой поток численно равен энергии света, падающего на катод в единицу времени

.

Эта энергия света складывается из энергии N фотонов

,

здесь энергия одного фотона.

Сила тока в цепи равна

,

где Nчисло электронов, попавших на анод.

Чем больше электронов попадает на анод, тем больше сила тока в цепи. Когда все электроны, вышедшие из катода, попадают на анод, ток становится максимальным. Он называется током насыщения. По графику (рис. 2), полученному экспериментально, видно: чем больше световой поток (Ф₁>Ф₂), тем больше будет фототок насыщения (I_1нас>I_2нас), т.е. выполняется первый закон фотоэффекта.

Чтобы ни один электрон не попал на анод, необходимо приложить отрицательную разность потенциалов. В этом случае электрическое поле должно задерживать самые быстрые электроны, тогда работа электрического поля будет равна кинетической энергии самых быстрых электронов.

,

здесь  задерживающее напряжение.

Второй и третий законы фотоэффекта нашли объяснение в квантовой теории фотоэффекта А. Эйнштейна (1905г.).

Эйнштейн, развивая квантовые идеи М. Планка, предположил, что свет не только излучается квантами (порциями), но и поглощается квантами.

При фотоэффекте энергия поглощенного кванта расходуется на работу выхода электрона из металла А_вых и на кинетическую энергию электрона

А_вых + . (1)

Формула (1) называется уравнением Эйнштейна для фотоэффекта. Из формулыследует, что максимальная скорость (кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только частотой света.Уравнение Эйнштейна выражает закон сохранения энергии.При столкновении фотона с электроном фотокатода энергия фотона полностью передаётсяэлектрону и фотон прекращает своё существование.

Фотоэффект наблюдается, даже если кинетическая энергия электрона равна нулю, т.к. электрическое поле между катодом и анодом доведет электрон до анода. Из уравнения Эйнштейна получаем

А_вых; А_вых/h. (2)

- красная граница (порог) фотоэффекта.

При частоте падающего на катод света больше красной границы фотоэффект наблюдается, а при фотоэффекта нет.

Подставляя выражение в формулу (2), получаем для красной границы выражение А_вых.

Фотоэффект наблюдается, если , фотоэффекта нет при .

Принцип действия установки основан на измерении тока через фотоэлемент при изменении полярности и величины приложенного к нему напряжения и изменения спектрального состава и величины освещенности катода фотоэлемента.

В процессе выполнения лабораторной работы снимаются зависимости тока через фотоэлемент от приложенного к нему напряжения. При этом меняется полярность напряжения. Характеристики снимаются при различных значениях освещенности и при изменении длины волны освещения фотоэлемента. По результатам измерений строятся семейства вольтамперных характеристик и, используя соответствующие методы расчета, численно оценивается значение постоянной Планка.