МЭИ(ТУ) Физика

минимального значения, которое надо передать атому газа при вторичном столкновении, электроны все же доходят до анода, двигаясь против тормозящего поля между сеткой и анодом. Очевидно, что дальнейшее увеличение Uуск приводит к повторению описанных событий: при некотором значении U уск = 2U1 электрон испытывает второе упругое столкновение с атомами и ток резко падает. Вообще, при значениях U уск = nU1

будет наблюдаться максимум тока.

Вольтамперная характеристика – зависимость анодного тока от ускоряющего потенциала сетки в данном случае имеет вид, представленный на рис. 2.

Рис. 2

Разность значений ускоряющих потенциалов, соответствующих двум последовательным максимумам тока, равна резонансному потенциалу атома

2. Описание установки и метода измерений

В работе используется специальная трехэлектродная лампа прямого накала, наполненная гелием. Схема установки показана на рис. 3.

Рис. 3

Питание накала осуществляется переменным напряжением Uн = 6,3 В; для регулирования тока накала используется реостат R1. Величина тока накала контролируется амперметром A.

На сетку подается положительный по отношению к катоду потенциал. Величина его регулируется потенциометром П1 и контролируется с помощью вольтметра V1.

На анод лампы подается небольшой отрицательный потенциал U3 относительно сетки, тем самым создается тормозящее поле. Величина тормозящего потенциала регулируется потенциометром П2 и контролируется вольтметром V2. Ток в цепи анод-сетка измеряется микроамперметром. В цепи сетки включено сопротивление R, ограничивающее ток в случае развития самостоятельного разряда в газе.

Рабочие лампы указаны на установке. Вся установка смонтирована в специальном блоке. Лампа находится внутри блока. На блоке смонтированы измерительные приборы (см. рис. 4).

Рис. 4

3. Порядок выполнения работы

1.Включить блок питания, при этом загорается сигнальная лампа. Установка должна прогреться в течение 5-7 минут.

2.Проверить по амперметру, соответствует ли ток накала лампы указанному на установке; проверить по вольтметру V2 соответствие тормозящего потенциала указанному на установке. Если они не соответствуют указанным величинам, обратиться к преподавателю или лаборанту.

3.Медленно вращая ручку потенциометра П1, пронаблюдать за изменениями силы тока по микроамперметру. Световой указатель микроамперметра не должен выходить за пределы шкалы при изменении напряжения от 0 до 50 В. При этом должны отчетливо наблюдаться два максимума и два минимума тока.

4.Снять зависимость анодного тока от потенциала на сетке лампы, изменяя ускоряющее напряжение с помощью потенциометра П1 в пределах, указанных на установке. Напряжение изменять медленно и плавно. Точно зафиксировать положение максимумов тока. Измерения повторить 3 раза. Результаты измерений занести в таблицу 1.

Таблица 1

2.По графику найти значения ускоряющего потенциала, которым соответствует максимум тока.

3.Найти значение резонансного потенциала гелия по формуле (2).

4.Из формулы (1) найти частоту и длину волны излучения, возникающего при высвечивании возбужденных атомов.

5.Оценить погрешность ∆Up по классу точности приборов.

5. Дополнительное задание

Снять вольтамперную характеристику трёхэлектродной лампы при другом значении задерживающего потенциала (оно указано на установке).

ЗАЩИТА ПО АТОМНОЙ ФИЗИКЕ

Общие вопросы

1.Сформулировать цель работы.

2.Описать экспериментальную установку и изложить методику эксперимента.

3.Сформулировать основные положения квантовой механики.

4.Записать временное и стационарное уравнение Шрёдингера в общем виде, пояснить смысл всех величин, входящих в эти уравнения.

5.Какие оптические явления, объяснимые лишь с квантовой точки зрения, вам известны?

Лабораторная работа № 16

Измерение температуры спирали лампы накаливания с помощью оптического пирометра и установление зависимости интегрального лучеиспускания вольфрама от температуры

16.1.1.Что такое абсолютно чёрное тело?

16.1.2.Что такое спектральная и интегральная излучательная способность, поглощательная способность?

16.1.3.Сформулировать закон Кирхгофа.

16.1.4.Сформулировать закон Стефана-Больцмана.

16.1.5.Каково распределение энергии в спектре испускания абсолютно чёрного тела?

16.1.6.Что такое яркостная температура?

16.2.1.Какие законы излучения чёрного тела вам известны?

16.2.2.Вывести закон Стефана-Больцмана из формулы Планка.

16.2.3.В чём суть метода оптической пирометрии?

16.2.4.Как соотносятся между собой яркостная и термодинамическая температуры тела?

16.2.5.Вывести формулу (1), приведённую в описании работы.

16.3.1.Как устроен оптический пирометр?

16.3.2.Какая температура измеряется в данном опыте: яркостная или термодинамическая? Какова связь между ними?

16.3.3.Какую величину находят по графику зависимости lg W = f(lg T)? Соответствуют ли результаты эксперимента закону Стефана-Больцмана?

16.3.4.Зачем используется светофильтр?

16.4.1.Вывести из формулы Планка закон смещения Вина.

16.4.2.Температура абсолютно чёрного тела равна T. Найти, какую энергию излучает тело за время τ. Площадь поверхности тела S. На какую длину волны приходится максимум спектральной излучательной способности тела?

16.4.3.Найти мощность электрического тока, необходимую для накаливания нити диаметра d и длины l до температуры T. Потерями на теплопроводность и конвекцию пренебречь.

16.4.4.Найти температуру поверхности Солнца. Максимум спектральной излучательной способности Солнца соответствует длине волны 500 нм.

Лабораторная работа № 17

Определение красной границы фотоэффекта и работы выхода электрона из металла

17.1.1.Что такое внешний фотоэффект?

17.1.2.Записать уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Что означает каждая величина, входящая в это уравнение?

17.1.3.От чего зависит работа выхода?

17.1.4.Что такое красная граница фотоэффекта?

17.2.1.Сформулировать законы внешнего фотоэффекта (законы Столетова).

17.2.2.Одинакова ли начальная скорость фотоэлектронов при освещении фотокатода красным и зелёным светом?

17.2.3.Какой вид имеет график зависимости начальной кинетической энергии фотоэлектронов от частоты падающего света? Какие величины можно найти с помощью такого графика?

17.2.4.Какой вид имеет вольтамперная характеристика вакуумного фотоэлемента?

17.3.1.Как устроен вакуумный фотоэлемент?

17.3.2.Что служит в работе источником света?

17.3.3.С помощью какого прибора из белого света выделяется свет с определённой длиной волны?

17.3.4.Как будет меняться фототок при уменьшении входной щели монохроматора? Будет ли при этом изменяться начальная скорость фотоэлектронов?

17.4.1.Найти красную границу фотоэффекта для цинка (работа выхода 3,74 эВ) и максимальную начальную скорость фотоэлектронов, вырываемых с поверхности цинка электромагнитным излучением с длиной волны 2500 Å.

17.4.2.До какого максимального потенциала зарядится уединённый медный шарик при облучении его электромагнитным излучением с длиной волны λ < λ0? Работа выхода равна A.

17.4.3.Найти величину задерживающего потенциала для фотоэлектронов, испускаемых при освещении калия (работа выхода 2 эВ) светом, длина волны которого равна 330 нм.

17.4.4.На поверхность лития падает монохроматический свет длиной волны 3100 Å. Для того чтобы прекратить эмиссию электронов, нужно приложить задерживающую разность потенциалов 1,7 В. Найти работу выхода электронов из лития.

Лабораторная работа № 18

Исследование линейчатых спектров испускания

18.1.1.Что такое спектр испускания?

18.1.2.Какие виды спектров вам известны? При каких условиях они наблюдаются?

18.1.3.Написать уравнение Шрёдингера для атома водорода.

18.1.4.Какие квантовые числа характеризуют состояние электрона в атоме, какие значения они принимают?

18.1.5.Какой атом называется возбуждённым?

18.1.6.По какому признаку линии объединяются в серии? Какие спектральные серии водорода вам известны?

18.1.7.Как образуются линии серии Бальмера?

18.2.1.Что такое волновое число?

18.2.2.Каков физический смысл постоянной Ридберга, рассчитываемой в работе?

18.2.3.Каков результат решения уравнения Шрёдингера для атома водорода?

18.2.4.Как получается формула (1), приведённая в описании работы?

18.2.5.Вывести формулу (5), приведённую в описании работы.

18.3.1.С помощью какого прибора наблюдается спектр? Как работает прибор, его основные части?

18.3.2.С какой целью и как производится градуировка прибора?

18.3.3.Как происходит измерение длин волн водородных линий?

18.3.4.Вывести формулу для расчёта погрешности постоянной Ридберга.

18.4.1.Пользуясь табличным значением постоянной Ридберга, рассчитать значения длин волн серии Бальмера.

18.4.2.Рассчитать энергию ионизации атома водорода.

18.4.3.Найти энергию, частоту и длину волны фотона, излучаемого при переходе атома водорода с уровня с n = 5 на уровень с n = 1? К какой спектральной серии относится это излучение?

18.4.4.Получить формулу (1), приведённую в описании работы, пользуясь теорией Бора.

Лабораторная работа № 24

Определение ширины запрещённой зоны кремния по красной границе внутреннего фотоэффекта

24.1.1.В чём суть внешнего и внутреннего фотоэффектов?

24.1.2.Что такое энергетическая зона, разрешённая, запрещённая зона?

24.1.3.Что такое полупроводник? Какие типы проводимости полупроводников вам известны?

24.1.4.Чем обусловлена фотопроводимость полупроводника?

24.1.5.Что такое p-n-переход?

24.1.6.Что называется красной границей внутреннего фотоэффекта?

24.1.7.Каким образом осуществляется фотогальванический режим работы фотодиода?

24.2.1.Объяснить внутренний фотоэффект с точки зрения зонной теории.

24.2.2.Можно ли наблюдать внутренний фотоэффект у металлов?

24.2.3.Чему равен выходной сигнал фотодиода, если частота падающего света меньше красной границы внутреннего фотоэффекта?

24.2.4.Вывести формулу для красной границы внутреннего фотоэффекта.

24.3.1.Какое свойство фотогальванического преобразователя положено в основу данной работы?

24.3.2.Как измеряется экспериментально красная граница внутреннего фотоэффекта и ширина запрещённой зоны?

24.3.3.Для чего в данной работе применяется спектральный прибор?

24.3.4.Как определяется погрешность красной границы внутреннего фотоэффекта?

24.4.1.При освещении контакта двух полупроводников светом с длиной волны, меньшей 500 нм, начинает проявляться их фотопроводимость. Найти контактную разность потенциалов.

24.4.2.Найти красную границу внутреннего фотоэффекта (частоту и длину волны), если ширина запрещённой зоны полупроводника равна 0,5 эВ.