МЭИ(ТУ) Физика

2.Вычислить мощность, подводимую к спирали исследуемой лампы, для каждого значения термодинамической температуры этой спирали.

3.Построить график зависимости потребляемой лампой мощности W от термодинамической температуры T нити лампы.

4.Построить график зависимости lg W от lg T и найти n в формуле (1) как тангенс угла наклона полученного графика к оси абсцисс.

Лабораторная работа № 17

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРАСНОЙ ГРАНИЦЫ ФОТОЭФФЕКТА И

РАБОТЫ ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНА ИЗ МЕТАЛЛА

Цель работы: изучение явления внешнего фотоэффекта, нахождение его красной границы и работы выхода электрона из металла.

1. Введение

Явление внешнего фотоэффекта объясняется выходом электронов из вещества под действием света. Основным уравнением, описывающим фотоэффект, является уравнение Эйнштейна

где hν – энергия кванта, падающего на вещество (h – постоянная Планка, ν – частота

(с – скорость света в вакууме). Если известна ν0, то из выражения (2) можно найти работу выхода электронов A для данного вещества.

Простейшим прибором для наблюдения фотоэффекта является вакуумный фотоэлемент. Он представляет собой стеклянный баллон, в котором создан вакуум. Внутри имеется поверхность, покрытая слоем вещества, испускающего электроны под действием света – так называемый фотокатод. Анодом фотоэлемента является металлический проводник, впаянный в баллон (рис.1).

Рис. 1

В установке использован фотоэлемент с катодом из материала, красная граница которого лежит в видимой области спектра. В качестве источника света с непрерывным

спектром испускания используется лампа накаливания. Для выделения из белого света монохроматического света с длиной волны λ используется монохроматор со стеклянной призмой.

2. Описание установки и метода измерений

Схема установки приведена на рис. 2.

R

Рис. 2

Белый свет от лампы накаливания ЛН направляется на входную щель Щ1 монохроматора. Пройдя щель Щ1 (последняя расположена в фокальной плоскости Л1), свет разлагается в спектр призмой монохроматора ПМ и попадает на его выходную щель Щ2, которая расположена в фокальной плоскости линзы Л2. В зависимости от положения призмы ПМ на выходную щель направляется та или иная часть спектра испускания лампы накаливания. В данной работе применяется монохроматор УМ-2, общий вид которого представлен на рис. 3.

1 2

Рис.3

Поворот призмы ПМ осуществляется с помощью барабана 3. На барабан нанесены оцифрованные деления, каждое из которых соответствует определённому угловому положению призмы. Они могут быть переведены в длины волн с помощью градуировочного графика, прилагаемого к работе.

Пройдя выходную щель, свет попадает на фотоэлемент. Этот свет можно считать монохроматическим. Свет, попавший на катод фотоэлемента, выбивает из него электроны, которые можно собрать на аноде и соответствующий ток измерить прибором в цепи фотоэлемента.

В работе величина фототока находится следующим образом. Измеряется падение напряжения на входном сопротивлении R вольтметра при прохождении по нему фототока. Входное сопротивление вольтметра велико, и даже небольшой ток создает замет-

ное падение напряжения. Величина фототока определяется из формулы I = UR , где U –

показание вольтметра. Питание цепи фотоэлемента осуществляется от универсального блока питания.

3. Порядок выполнения работы

1.Включить цифровой вольтметр и дать ему прогреться в течение 10-15 мин.

2.Включить блок питания фотоэлемента УБП и блок питания лампы накаливания БП.

3.Проверить, попадает ли наиболее яркая часть светового пятна от лампы накаливания на входную щель монохроматора. При необходимости произвести регулировку.

4.Проверить, находится ли ручка затвора 2 монохроматора в положении "открыто". Ширина входной щели монохроматора установлена и в регулировке не нуждается.

5.Медленно вращая барабан 1 монохроматора ВМ, найти такое его положение, которое соответствует максимальному показанию цифрового вольтметра. Отсчет производить по черной точке на указателе барабана.

6.Измерить зависимость падения напряжения на входном сопротивлении вольтметра R от числа делений барабана. Барабан следует вращать в сторону увеличения числа делений. За начало отсчета принять значение, найденное в пункте 5. Показания снимать через 50° (2300, 2350, 2400 и т. д.) до тех пор, пока показания вольтметра не будут близки к нулю.

7.Измерения проделать три раза, результат записать в таблицу. По окончании измерений выключить питание всех блоков установки.

Таблица

4. Обработка результатов измерений

1.С помощью градуировочного графика, имеющегося на установке, перевести деления барабана φ в длины волн λ.

2.Найти величину фототока I = UR для среднего значения каждого из трёх измере-

ний, соответствующих определённому значению λ.

3.Построить график I = f(λ).

4.Найти из графика значение λ0, соответствующее прекращению тока. Для этого нужно продолжить прямолинейный участок графика до пересечения с осью длин волн.

5.По графику I = f(λ) найти погрешность ∆λ0 и представить результат измерений в виде л0 = л0 ± Дл0 .

6.По найденному λ0 вычислить работу выхода электрона из металла. Выразить работу выхода в джоулях и электрон-вольтах.

7.Найти погрешность ∆A работы выхода и представить результат измерений в виде

A = A ± ДA .

2. Описание установки и метода измерений

Источником света, в спектре которого есть серия Бальмера, служит специальная разрядная водородная лампа.

Для наблюдения видимой части спектра используется монохроматор УМ-2. Монохроматор служит для выделения из спектра узкой полосы или определенной спектральной линии. Основными частями монохроматора являются коллиматор, диспергирующая призма с поворотным механизмом и зрительная труба. Оптическая схема прибора изображена на рис. 1.

* S

Рис. 1

Свет от источника S с помощью линзы L1 (конденсора) фокусируется на входной щели K1 коллиматора. Назначение коллиматора – дать параллельный пучок света, падающий на призму P. Для этого щель K1 устанавливается в фокальной плоскости объектива коллиматора L2. В призме свет разной длины волны преломляется неодинаково в зависимости от показателя преломления. Выходящие из призмы пучки параллельных лучей разных цветов, имея различные направления, дают в фокальной плоскости линзы L3 целый ряд различно окрашенных изображений щели – спектр. Наблюдать спектр можно с помощью окуляра L4, который вместе с линзой L3 (объективом) образует зрительную трубу. Общий вид монохроматора представлен на рис. 2.

Рис. 2

Коллиматор крепится в обойме 1 на плате 2. Ширина раскрытия щели 3 регулируется барабанчиком 4. Призма монохроматора делается подвижной. Столик, на котором установлена призма, получает движение от микрометрического винта 5 поворотного механизма. Для определения относительного положения линий спектра в фокальной плоскости окуляра 6 зрительной трубы 7 расположен указатель с головкой. Вращая призменный столик, добиваются совмещения указателя окуляра с исследуемой спектральной линией. Отсчет её положения производится с помощью барабана 8, на котором нанесены относительные деления – градусы. Отсчет считается против индекса 9, скользящего по специальной канавке. Во время работы шкалу и индекс освещают лампочкой от источника питания 10.

3. Порядок выполнения работы

Для определения длин волн водорода необходимо предварительно проградуировать монохроматор, т. е. выразить показания шкалы барабана 8 в длинах волн. Для этого используется лампа с известными длинами волн спектральных линий (указаны на установке).

1.Включить градуировочную лампу и добиться четкого изображения спектральных линий лампы в поле зрения монохроматора, отрегулировав положение окуляра 6 вращением рифленого кольца.

2.Включить освещение шкалы и указателя на пульте питания 10.

3.Наблюдая спектр и осторожно вращая барабан 8, добиться совпадения указателя окуляра с линиями спектра и для каждой линии снять отсчет шкалы барабана. Результаты занести в табл. 1, предварительно вписав в неё известные длины волн. Они указаны в таблице, помещенной на установке.

4.В той же последовательности произвести работы с водородом, для чего включить водородную лампу. На лампу подается высокое напряжение около 3000 В, поэтому

при включенной лампе НЕЛЬЗЯ ПРИКАСАТЬСЯ К ПРОВОДАМ! Следует заметить, что в обычных условиях на линейчатый спектр атомарного водорода накладывается полосатый спектр молекулярного водорода, но так как характер их различен, то наблюдать линии серии Бальмера сравнительно легко. Первая линия серии Бальмера Hα – ярко-красная линия (nk = 3), вторая – голубая (nk = 4), третья линия Hγ – фиолетовая (nk = 5). (Серия Бальмера получается при переходе с любого уровня на уровень с ni = 2.)

Таблица 1

Результаты измерений для градуировочной лампы

Таблица 2

Результаты измерений для водородной лампы

4. Обработка результатов измерений

1.По данным табл. 1. на миллиметровой бумаге построить градуировочный график, откладывая по оси абсцисс показания шкалы барабана, по оси ординат – длины волн спектра градуировочной лампы.

2.Пользуясь градуировочным графиком, нанести на ось абсцисс показания шкалы и из этой точки восстановить перпендикуляр до пересечения с градуировочной кривой, затем по оси ординат найти соответствующие значения длин волн серии Бальмера.

3.Для каждого значения линии водорода, найденного по графику, рассчитать постоянную Ридберга по формуле (5).

4.Вычислить среднее экспериментальное значение постоянной Ридберга R .

5.Найти погрешность постоянной Ридберга ∆R. Записать результат измерений в форме R = R ± ДR .

6.Сравнить полученное значение постоянной Ридберга с ее теоретическим значением Rтеор. Проверить выполнение соотношения

R − Rтеор ≤ ДR .

5. Дополнительные задания

1.Пользуясь расчётной формулой, зная теоретическое значение постоянной Ридберга, рассчитать ожидаемые значения длин волн серии Бальмера.

2.Вычислить энергию фотона, соответствующего первой линии серии Бальмера.

3.С помощью градуировочного графика найти область пропускания цветного стекла.