Оптика. Учебно-методическое пособие к выполнению лабораторных работ-1

где z - коэффициент пропорциональности для данного вещества, зависящий от единиц, в которых измеряются l и с, а также от длины волны света .

Значение z определяют, измеряя угол поворота плоскости поляризации в растворе известной концентрации, и толщины слоя. Коэффициент z называют удельным вращением вещества.

3. Описание прибора

Круговой поляриметр СМ-2 (сахариметр) построен по схеме рис. 2.

Рис. 2. Принципиальная схема кругового поляриметра СМ-2

Он включает в себя источник света 1 (натриевая лампа) с длиной волны излучения 589 нм, поляризатор 2, кювету с исследуемой жидкостью 3, анализатор 4 (система из двух поляризаторов) и оптическую систему 5, состоящую из объектива и окуляра. Анализатор может вращаться. Угол поворота определяется по укрепленной на нем 360° шкале.

Монохроматический свет источника поляризуется, проходит кювету с раствором, анализатор и наблюдается через оптическую систему. Для повышения точности измерений применен полутеневой анализатор. Он состоит из двух

поляризаторов, плоскости пропускания которых P1P и P2P

одинаково смещены относительно оси анализатора PP на небольшой угол (рис. 3,а).

42

3.Вставить в поляриметр кювету с раствором известной концентрации.

4.Поворотом анализатора добиться равномерного затемнения двойного поля и произвести отсчет по шкале угла поворота с точностью до 0,04° (по нониусу). Повторить установку

анализатора и отсчет пять раз, найти среднее значение угла ср..

Результаты измерений представить в виде таблицы.

Т а б л и ц а

44

ЛАБОРАТОРНАЯ № 17

ИЗУЧЕНИЕ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА

1.Цель работы. Изучение основных закономерностей внешнего фотоэффекта.

2.Краткая теория.

Внешним фотоэффектом называется испускание электронов под воздействием света с поверхности металла. Согласно квантовым представлениям, фотон, или квант света частоты , падая на поверхность металла, передает свою

энергию, равную h , (где h 6,61 10 27 эрг сек - постоянная

Планка), электронам проводимости. Электроны проводимости внутри металла могут свободно перемещаться, поскольку равнодействующая всех электрических сил со стороны положительно заряженных атомов решетки равна нулю. Отметим, что в целом вся система (свободные электроны - атомы решетки) электронейтральна. Над поверхностью же металла равнодействующая сил со стороны атомов уже не равна нулю и направлена к поверхности металла. Поэтому в обычных условиях электроны не могут самостоятельно вылетать из металла, так как им необходимо затратить значительную энергию на преодоление этих сил. Эта энергия называется работой выхода электрона из данного металла. Получая энергию от фотона, электрон может вылетать из металла, расходуя часть этой энергии на работу выхода из металла А. Оставшаяся часть энергии является кинетической энергией электрона. Таким образом, получаем закон Эйнштейна для фотоэффекта

где - частота фотона; h - постоянная Планка, me и v - масса и скорость электрона; А - работа выхода электрона из металла.

45

Это уравнение выражает закон сохранения энергии. Из него следует, что скорость вылетающих электронов зависит только от частоты падающего на металл света. Вылетая из металла, электроны уносят заряд, в свою очередь положительно заряжая металл. Это приводит к тому, что возникающее дополнительное поле возвращает часть вылетевших электронов обратно в металл. В результате устанавливается равенство между числом вылетающих и возвращающихся в единицу времени электронов. Таким образом, над поверхностью металла образуется "облако" электронов, имеющее определенный пространственный заряд. Если же вблизи поверхности освещаемого металла создать электрическое поле (подавая на металл отрицательный потенциал с внешнего источника тока), то вылетевшие электроны будут двигаться в этом поле, и возникнет фототок. Пространственный заряд электронного "облака", компенсируя внешнее поле, не дает всем электронам участвовать в создании фототока. С увеличением внешнего поля все большее число вылетевших электронов начинает двигаться в этом поле и соответственно уменьшается пространственный заряд. Поэтому с ростом напряжения внешнего поля фототок растет. Однако при некотором значении напряжения все вылетающие с фотокатода (освещаемый металлический электрод, на который подается отрицательный потенциал с источника) электроны, двигаясь в поле, попадают на анод (второй, создающий поле электрод, на который подается положительный потенциал). Дальнейшее нарастание тока с увеличением напряжения прекратится. Этот максимальный ток называется фототоком насыщения. Его величина определяется законом фотоэффекта Столетова, который гласит: фототок насыщения Imax (или число электронов, вылетающих с

фотокатода в единицу времени) пропорционален световому потоку (числу фотонов), падающему на фотокатод

46

где - фоточувствительность катода (коэффициент, зависящий от свойств катода).

3. Описание установки Используемый в установке вакуумный сурьмяно-цезиевый

фотоэлемент представляет собой стеклянную запаянную колбу, внутри которой создан высокий вакуум. На одну половину внутренней поверхности нанесен слой сурьмы, а поверх него слой цезия. Этот двойной слой обладает малой работой выхода и служит фотокатодом. В противоположную прозрачную стенку колбы впаян электрод, являющийся анодом. Если приложить напряжение между анодом (+) и фотокатодом (-), а затем осветить фотокатод через прозрачную стенку колбы, то в цепи потечет ток, который можно измерить микроамперметром ( A ). Схема

установки показана на рис. 1.

Рис.1. Принципиальная схема установки

Приложенное к фотоэлементу напряжение изменяется реостатом R1 и регистрируется вольтметром (V). Переключатель

K1, подключая к вольтметру шунтирующее сопротивление R3 , позволяет производить измерения напряжений как от 0 до 20 В,

47

так и от 20 до 80 В. Измерения проводятся одним вольтметром, имеющим две соответствующие шкалы.

4. Порядок выполнения работы

Упражнение 1. Изучение зависимости фототока от напряжения, приложенного к фотоэлементу.

1. Включить осветитель шкалы микроамперметра, включить блок питания, переключатель K1 поставить в положение

20 В, вращая ручку потенциометра R1, вывести напряжение на ноль.

2.Поставить осветитель на расстоянии 15 см от фотоэлемента и включить лампочку.

3.С помощью потенциометра R1 увеличивать напряжение

V от 0 до 20 В, через каждые 5 В записывая соответствующие значения фототока I.

4. Переключив переключатель K1 в положение 80 В

увеличивать напряжение V от 20 до 80 В, через каждые 10 В записывая величину фототока.

5.Проделать те же операции в обратном порядке, уменьшая напряжение.

6.Проделать такие же измерения при двух других расстояниях от осветителя до фотоэлемента.

Упражнение 2. Исследование зависимости фототока насыщения от освещенности фотокатода.

Согласно закону Столетова (2), величина фототока насыщения Imax пропорциональна световому потоку ,

48

Освещенность фотокатода обратно пропорциональна квадрату расстояния (r 2) осветителя от фотоэлемента

Во втором упражнении проверяется данная зависимость.

1.Подать на фотоэлемент максимальное напряжение 80 В.

2.Поместить осветитель на расстоянии 15 см от фотоэлемента и включить его. Записать значение тока насыщения.

3.Удаляя осветитель каждый раз на 5 см, записать

значения Imax. Максимальное удаление осветителя - 60 см.

4. Проделать те же измерения в обратном порядке, приближая осветитель.

5. Обработка результатов

По данным упражнений построить график зависимости I от V и Imax от (1/r 2).

49

С О Д Е Р Ж А Н И Е

Лабораторная работа № 1. Определение фокусного расстояния тонких линз ....................................……………………..3

Лабораторная работа № 4. Определение увеличения микроскопа ...........................................……………………………..11 Лабораторная работа № 5. Определение показателя преломления и дисперсии призмы ....................…………………...15 Лабораторная работа № 6. Определение радиуса

кривизны линзы с помощью колец Ньютона ..……………………23 Лабораторная работа № 7. Определение длины

световой волны с помощью бипризмы Френеля ....……….......…..31 Лабораторная работа № 10. Изучение дифракционной

решетки и определение длин световых волн с ее помощью .…….36 Лабораторная работа № 13. Определение концентрации

сахара в растворе сахариметром ........................…………………...40 Лабораторная работа № 17. Изучение внешнего

фотоэффекта ..........................................………………………….…45

50