Содержание работы

В данной работе определяют постоянную  в законе Стефана – Больцмана. В качестве абсолютно черного тела используют никелевую пластинку. Излучение никеля, который покрывается окалиной, близко к излучению абсолютно черного тела. Если излучение происходит в среде, имеющей температуру Т₀, то никелевая пластинка излучает во все стороны в 1с энергию (по закону Стефана – Больцмана):

. (3.8.4)

Для нагревания пластинку включают в цепь переменного тока (рис.4). Изменяя трансформатором Тр ток в цепи пластинки, получают различную степень нагретости пластинки.

Мощность, затрачиваемая на поддержание пластинки в нагретом состоянии, определяется ваттметром. Приравнивая эту мощность W_эл количеству энергии в соответствии с законом Стефана – Больцмана ( 4 ), получают:

,

где S – общая поверхность раскаленной пластинки.

Отсюда постоянная величина

. (3.8.5)

Описание оборудования и порядок работы

1. Собирают электрическую цепь по схеме (рис.4) для накала пластинки Ni .

2. Подготавливают оптический пирометр к работе, для чего:

а) проверяют положение стрелки электроизмерительного прибора на нуле.

б) Вводят все сопротивления реостата А пирометра, поворачивая кольцо К влево до упора.

в) Подсоединяют пирометр а аккумуляторной батарее Б .

г) Передвигая тубус окуляра О₂, добиваются резкости изображения нити.

д) Направив объектив пирометра О₁ на пластинку так, чтобы вершина волоска лампы проецировалась на середине пластинки и передвигая тубус объектива, устанавливают на резкость изображение пластинки. Это изображение должно быть в той же плоскости, что и нить лампы. Смещая немного глаз перед окуляром, можно проверить, выполняется ли это условие. Если проекция нити не смещается по отношению к изображению пластинки – установка сделана правильно.

3. Устанавливают трансформатором Т_р данное значение мощности W, потребляемой пластинкой и измеряемой ваттметром.

4. Измеряют температуру пластинки пирометром, для чего : изменяют яркость нити эталонной лампы поворотом кольца реостата до того момента, пока средний участок ( середина дуги ) нити лампы не исчезнет на фоне раскаленной пластинки. В этот момент делают отсчет температуры по электроизмерительному прибору (по нижней шкале отсчета температур).

5. К измеряемой температуре пластинки надо прибавить поправку t определенную по графику, и обусловленную тем, что пластинка не является абсолютно черным телом.

Рис. 3.8.5.

3. Подставляют в формулу (5) измеренную температуру , комнатную температуру , площадь пластинки S и мощность тока, вычисляют .

4. Под наблюдением преподавателя увеличивают накал пластинки и находят второе значение , снимая соответствующие показания температуры Т и мощности W .

5. Из полученных значений ₁ и ₂, находят среднее значение . Все данные заносят в таблицу :

Т0, K	T, K	W, Вт	, ВтК-4м-2			ист
Ср. зн.

Контрольные вопросы

1. Что такое тепловое излучение и каковы его характеристики?

2. Что такое абсолютно черное тело?

3. Как формулируются законы Кирхгофа, Стефана – Боль­цмана и Вина?

4. В чем заключалась «ультрафиолетовая катастрофа».

5. Какое выражение получил Планк для спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела?

6. Как устроен оптический пирометр?

Литература

1. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.2.Учеб. пособие для студентов втузов. – М.: КНОРУС, 2009, 576 с.

2. Трофимова Т.И. Курс физики. Учеб. пособ. для вузов.- 15-е изд., стереотип. – М.: Издательский центр «Академия», 2007. – 560 с.

3. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. Учеб пособие для втузов. – М: Высш. Шк., 1989. – 608 с.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.9

ИЗУЧЕНИЕ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА

Цель работы: снятие ВАХ фотоэлемента, определение его интегральной чувствительности и проверка законов фотоэффекта.

Теоретические положения

Одним из проявлений взаимодействия света с веществом является фотоэлектрический эффект (фотоэффект).

Фотоэффектом называется полное или частичное освобождение электронов от связей с атомами вещества под действием света.

Если электроны выходят за пределы освещаемого образца (полное освобождение), фотоэффект называется внешним. Если же электроны теряют связь только со своими атомами и молекулами, но остаются внутри освещенного вещества в качестве « свободных » электронов (частичное освобождение), фотоэффект называется внутренним. Освобожденные светом электроны называются фотоэлектронами.

Фотоэффект присущ всем без исключения телам (твердым, жидким, газообразным). В газах фотоэффект сопровождается ионизацией молекул газа и называется фотоионизацией.

Внешний фотоэффект открыл в 1887 г. немецкий ученый Генрих Герц и подробно исследовал в 1890 г. русский ученый Столетов.

Он описывается тремя законами.

1 закон. Число фотоэлектронов, вылетающих с единицы поверхности освещенного вещества за единицу времени, пропорционально интенсивности света.

2 закон. Скорость фотоэлектронов увеличивается с ростом частоты света и не зависит от интенсивности света.

3 закон. Фотоэффект возникает при определенной для данного вещества минимальной частоте или максимальной длине волны света, называемой «красной границей» фотоэффекта .

Возникновение и первый закон фотоэффекта можно объяснить волновой теорией света, согласно которой свет излучается, распространяется и поглощается в виде непрерывной электромагнитной волны, которая может переносить любую энергию. Электрическое поле световой волны, воздействуя на электроны внутри освещаемого вещества, возбуждает их колебания. Амплитуда вынужденных колебаний электронов пропорциональна амплитуде световой волны и может достичь такого значения, при котором связь электронов с веществом нарушается, и электроны покидают вещество – тогда и наблюдается фотоэффект.

Однако 2 и 3 законы не только не объясняются волновой теорией света, но и противоречат ей. В самом деле, скорость вылетевших фотоэлектронов должна возрастать с амплитудой электромагнитной волны, а, следовательно, с увеличением ее интенсивности (интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды световой волны). Но опыт показывает, что скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности света.

Все законы фотоэффекта легко объясняются квантовой теорией света, разработанной Эйнштейном в 1905 году на основе квантовой теории излучения, созданной Планком в 1900 г. По квантовой теории излучения энергии телом происходит не непрерывно, а порциями (квантами). Энергия каждой порции электромагнитного излучения:

, (3.9.1)

где Дж с – постоянная Планка,  – частота,  – длина волны излучения.

Эйнштейн развил теорию Планка, предположив, что свет не только излучает, но и распространяется и поглощается веществом такими же порциями (квантами). Позже они были названы фотонами. Применяя к явлению фотоэффекта в металлах закон сохранения энергии, Эйнштейн предложил следующую формулу:

, (3.9.2)

где A – работа выхода электрона из металла, - максимальная скорость фотоэлектрона, m – масса электрона .

Согласно Эйнштейну каждый фотон поглощается только одним электроном, причем часть энергии падающего фотона расходуется на совершение работы выхода электрона из металла, а оставшаяся часть сообщает электрону кинетическую энергию .

Заметим, что вылетевшие из металла фотоэлектроны обладают различной скоростью, т.к. кинетическая энергия электронов в металле различна, и для удаления за пределы металла разным электронам надо сообщить неодинаковую энергию. Наибольшей скоростью обладают те вылетевшие из металла электроны, для вырывания которых нужно затратить наименьшую энергию, равную работе выхода.

Формула Эйнштейна хорошо объясняет законы фотоэффекта. Из нее видно, что скорость фотоэлектронов увеличивается с ростом частоты падающего света и не зависит от его интенсивности (т.к. А и ν не зависят от интенсивности). Фотоэффект в металле может произойти при условии, если . В противном случае энергия фотона будет недостаточна для вырывания электрона.

Наименьшая частота света , под действием которого происходит фотоэффект, называется красной границей фотоэффекта.

Она определяется из условия:

, откуда . (3.9.3)

Обычно ее выражают через максимальную длину волны:

. (3.9.4)

Численные значения красной границы фотоэффекта для некоторых материалов приведены в таблице:

Металл	Платина	Цинк	Натрий	Цезий
, мкм	0,235	0,290	0,552	0,620

Из квантовой теории следует, что интенсивность света пропорциональна числу квантов. Поэтому число выбитых фотонов пропорциональна интенсивности света, – так объясняется 1 закон фотоэффекта.

В полупроводниках и диэлектриках помимо внешнего фотоэффекта наблюдается внутренний. Он происходит при условии и сопровождается образованием свободных электронов, увеличивающих проводимость вещества, − работа отрыва электрона от атома. В металлах внутренний фотоэффект не наблюдается, т.к. в них имеется много свободных электронов и незначительное увеличение их числа за счет внутреннего фотоэффекта практически не отражается на электропроводности металла. В диэлектриках энергия связи электрона с атомами велика, поэтому ни внутренний, ни внешний фотоэффект в диэлектриках практического применения не имеет .

В заключение подчеркнем, что фотоэффект, вскрывая квантовую природу света, не отвергает волновую природу, а дополняет ее. Свет сложный электромагнитный процесс, обладающий двойственной (корпускулярно-волновой) природой. В одних явлениях, таких как интерференция, дифракция, поляризация, проявляется волновая природа света, в других – излучение, фотоэффект и др. – квантовая природа света.