Лабораторные работыпо теме Квантовая физика. Номера 30, 40, 44, 46

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Рассмотрим лабораторную установку и ее электрическую схему, работающую на тиратроне ТГ – 1 (рис. 1).

Рис. 1

I

Рис. 2

Между катодом и сеткой тиратрона (трехэлектродной лампы), наполненной, например, парами ксенона, приложена разность потенциалов, ускоряющая электроны, вылетающие из катода. Величина напряжения может меняться потенциометром и измеряться вольтметром. Разность потенциалов между сеткой и анодом создается батареей в 4,5В, причем потенциал анода ниже потенциала сетки. Поскольку между анодом и катодом приложено тормозящее поле, при увеличении положительного потенциала сетки относительно катода ток возрастает линейно. Когда потенциал сетки достигает некоторого критического значения, скорость возрастания тока резко увеличивается. Это объясня-

5

ется тем, что некоторые электроны под действием ускоряющего поля между катодом и сеткой приобретают энергию, достаточную для ионизации атомов ксенона. Выбитые электроны увеличивают анодный ток, а положительные ионы уменьшают величину пространственного заряда около катода. На вольт-амперной характеристике получается четко выраженный излом, позволяющий оценить значение потенциала ионизации (рис. 2).

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.Собрать электрическую схему установки. Определить цену деления вольтметра и микроамперметра.

2.Подать напряжение 6,3 В на подогрев катода.

3.Снять вольт-амперную характеристику тиратрона: зависимость между анодным током и напряжением на сетке. Опыт проделать не менее трех раз.

4.Построить графики I = f(U). Найти из графиков среднее значение потенциала ионизации. Сравните с табличным значением. Сделайте вывод.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 40

Определение постоянной в законе Стефана – Больцмана

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучить принципы действия оптического пирометра, законы теплового излучения, определить постоянную в законе СтефанаБольцмана.

ПРИБОРЫ И МАТЕРИАЛЫ

Оптический пирометр с источником питания. Макет установки, состоящий из лампы накаливания, реостата, амперметра, вольтметра.

ЛИТЕРАТУРА

1.Сивухин Д.В. Общий курс физики т.5. Квантовая физика – М.: Физматлит, МФТИ, 2002.

2.Савельев И.В. курс общей физики. т. 4 – М.: Астрель, 2003.

6

3.Детлаф А.А., Яворский Б.М. курс физики. – М.: Высшая школа,

2000.

4.Трофимова Т.И. курс физики. – М.: Высшая школа, 2001.

5.Волькенштейн В.С. сборник задач по общему курсу физики. –

М.: СПБ, 1997.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Что представляет собой тепловое излучение, люминесценция.

2.Дайте определение потока энергии, энергетической светимости, спектральной плотности энергетической светимости. Какова связь между ними?

3.Что называется поглощательной способностью тела? Чему равно её значение для абсолютно черного тела?

4.Запишите, сформулируйте и проиллюстрируйте:

а) Закон Кирхгофа; б) Закон Стефана – Больцмана; в) Законы Вина.

5.Сформулируйте гипотезу Планка.

6.Поясните принцип действия пирометра с исчезающей нитью.

7.Расскажите о назначении светофильтра в работе.

8.Получите и поясните расчетную формулу.

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

Пирометр (буквально – измеритель огня, измеритель жара) с исчезающей нитью представляет собой зрительную трубку, которую надо направить на светящееся тело, температура которого подлежит определению. Внутри этой трубки вмонтирована специальная электрическая лампочка, накал которой может регулироваться реостатом, находящимся в крышке корпуса пирометра, градуированный не на напряжение, а на температуру нити лампочки.

Когда яркость нити очень близка к яркости исследуемого тела нить лампочки пирометра исчезает на фоне светящегося исследуемого тела, откуда и получилось название прибора "пирометр с исчезающей нитью" или яркостный пирометр. Итак, если свечение исследуемого тела по оттенку и яркости очень близко к яркости свечения нити лампочки, то температура тела приблизительно равна температуре нити и отсчитывается по шкале пирометра. Схематически пирометр изображен на рисунке 2.

При температуре порядка 700 – 800˚С свечение тела имеет красный

7

цвет. В этом случае волны более короткие, чем красные, практически отсутствуют в спектре излучения. При более высоких температурах появляются и более короткие волны (относящиеся к голубому и фиолетовому краю спектра). Сравнение свечения лампочки пирометра со свечением исследуемого тела делается затруднительным, так как появляется заметная разница в оттенке цвета.

Рис. 2 1- нагретое тело; 2- объектив; 3- ослабляющий светофильтр; 4-

фотометрическая лампочка; 5-окуляр; 6-красный светофильтр; 7- диафрагма; 8- глаз наблюдателя; 9- вольтметр; 10выключатель питания; 11реостат; 12аккумулятор.

Поэтому, начиная с температуры 800˚С, полагается вводить красный светофильтр (6), выделяющий как из света лампочки, так и из света исследуемого тела лишь определённый (красный) участок спектра. Красный светофильтр закреплен в поворотной обойме, край который выведен наружу на конце направляющей трубки тубуса окуляра рис. 3.

Для введения фильтра надо, придерживая одной рукой тубус, пальцем другой повернуть обойму до щелчка вправо (фильтр введен при крайнем правом положении обоймы и выведен при крайнем левом).

При ещё более высокой температуре (начиная с 1200˚С) следует вводить второй дымчатый ослабляющий фильтр. Этот фильтр ослабляет световой поток, идущий от исследуемого тела, не ослабляя сета от лампочки пирометра. Он расположен за лампочкой пирометра (3 на рис. 2).

Таким образом, исчезновение нити лампочки в этом случае не со-

8

ответствует их реальной одинаковой светимости, а соответствует только равенству их видимых яркостей. Поэтому на приборе нанесены две шкалы: верхняя, дающую температуру исследуемого тела (если дымчатый фильтр не введен) и нижняя, которая дает температуру исследуемого тела при исчезновении нити лампочки при введенном ослабляющем дымчатом фильтре.

Рис. 3.

1-корпус; 2-труба объектива; 3-тубус объектива; 4-поворот-ная головка ослабляющего светофильтра; 5-направляющая трубка тубуса окуляра; 6-поворотная обойма красного светофильтра; 7-тубус окулярной системы; 8-поворотное кольцо (движок реостата); 9-крышка корпуса пирометра.

Ослабляющий фильтр вводиться в поле зрения поворотной головкой (4 на рис. 3). Светофильтр считается введенным, когда белая указательная точка (индекс) на головке и корпусе смещены на четверть полного оборота головки.

Исследуемым телом в нашей установке является вольфрамовая нить накала пустотной лампы. Прибор проектирует нить лампочки пирометра на нить исследуемой лампы.

Исследуемая лампочка включена в схему, содержащую автотрансформатор, вольтметр и амперметр, трансформатор тока (рис. 4).

Рис 4.

Из определения энергетической светимости (см. формулировку 2) следует, что мощность излучения равна

Ф = Nизл = RэS,

где S – площадь излучаемой поверхности.

Если абсолютно черное тело окружено средой с температурой Т0, то оно будет не только излучать, но и поглощать энергию, излучаемую самой средой.

Тогда разность между энергетической светимостью излучаемого и поглощаемого телом излучения на основании закона Стефана-

Больцмана можно приближенно выразить формулой

Rэ = Rэ,Т – Rэ,0 = σ(T4 – T04).

В этом случае для поддержания у излучающего тела постоянной

температуры Т необходимо затратить мощность

N = RэS = σT4S – σT04S.

Здесь σT04S – энергия, которую нить поглощает из окружающей среды в 1 сек.

Мощность сообщается нити электрическим током. Считая, что вся потребляемая нитью энергия теряется вследствие излучения, на осно-

вании закона сохранения энергии, запишем

IU = σS(T4 – T04),

откуда

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.Ознакомиться с пирометром. Для этого:

а) Включить электрическую схему пирометра и изучить действие реостата в корпусе пирометра (при повороте кольца в направлении стрелки сопротивление реостата увеличивается, следовательно, ток накала нити лампочки пирометра уменьшается; в крайнем левом положении цепь разомкнута). Для получения резкого изображения нити лампочки пирометра передвигать окуляр пирометра (7 рис. 3).

б) Включить в сеть цепь исследуемой лампы и получить резкое изображение её нити, передвигая объектив (3 рис. 3).

в) Ввести и вывести дымчатый фильтр. г) Ознакомиться со шкалой пирометра.

2.После ознакомления с установкой, произвести измерения мощности исследуемой лампы при температурах от 1000˚С до 2000˚С через каждые 100˚С. Для этого:

а) Установить температуру нити лампы пирометра, равную 1000˚ (передвижением реостата в ручке пирометра), и затем, смотря в пирометр, передвигать движок автотрансформатора схемы питания исследуемой лампы до тех пор, пока не наступит наилучшее совпадение яркостей обеих нитей. После этого произвести отсчёт напряжения и силы тока в цепи исследуемой лампы.

в) Сдвинуть движок автотрансформатора исследуемой лампы до её гашения, сохранив накал лампы пирометра, соответствующий 1000˚С и увеличивая накал исследуемой лампы, вторично найти равенство яркостей нитей. При каждой температуре следует три раза повторить эти измерения, т.к. визуальное (на глаз) сравнение обладает большой погрешностью. При температурах 1000˚С – 1200˚С измерения произвести при введенном красном фильтре.

г) При измерении температуры более 1300˚С наряду с красным фильтром ввести дымчатый фильтр.

3.Записать комнатную температуру.

4.Все данные занести в таблицу № 1.

5.Построить график зависимости мощности излучения N=IU исследуемой лампы от величины (Т4 – Т04)S.

6.Из графика зависимости N от (Т4 – Т04)S по тангенсу угла наклона прямой определить величину σ

7.Сравнить найденное значения σ с табличным σтабл.

Таблица № 1.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №44

Изучение основных законов внешнего фотоэффекта

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение законов внешнего фотоэффекта, определение постоянной Планка.

ПРИБОРЫ И МАТЕРИАЛЫ

Источник питания (выпрямитель); осветитель со светофильтрами; фотоэлемент; микроамперметр; вольтметр.

ЛИТЕРАТУРА

1Сивухин Д.В. Общий курс физики т. 5. Квантовая физика – М.: Физматлит, МФТИ, 2002.

2Савельев И.В. курс общей физики. т. 4. – М.: Астрель, 2003.

3Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. – М.: Высш.шк.,

2000.

4Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 2001.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1Дайте определение явлению фотоэффекта.

2Назовите три рода фотоэффекта и дайте определение каждому.

3Изобразите и объясните вольт-амперную характеристику фотоэлемента.

4Дайте определение задерживающему потенциалу Uз.

5Дайте определение фототоку насыщения Iн.

6Сформулируйте закон Столетова для внешнего фотоэффекта.

7Запишите и объясните формулу Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

8Дайте определение порога или красной границы фотоэффекта.

9Объясните устройство и действие фотоэлементов с внешним фотоэффектом.

10Выведите расчетную формулу, позволяющую рассчитать постоянную Планка.

11Расскажите порядок выполнения работы.

13

ОПИСАНИЕ МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОСТОЯННОЙ ПЛАНКА.

Явление внешнего фотоэффекта положено в основу изготовления фотоэлементов, которые вследствие своей чувствительности к свету широко используются в световой сигнализации, телевидении, кино и

При отсутствии освещения в цепи фотоэлемента ток отсутствует. При попадании света на катод в цепи возникает ток, величина которого зависит от освещенности фотокатода светом и от спектрального состава света.

При некотором значении разности потенциалов даже самые быстрые электроны не будут достигать анода, и ток в цепи будет отсутствовать.

Запишем уравнение Эйнштейна для фотоэффекта

Мы знаем, что максимальная скорость фотоэлектронов υmax связана с задерживающей разностью потенциалов U соотношением

mυmax2 = eU .

2

Подставляя выражение в уравнение Эйнштейна для фотоэффекта для двух различных частот получим:

hν1 = Aв + eU1, hν2 = Aв + eU2.

14

Таблица № 1

Ж

I, мкА

З

5)Выключить осветитель и заменить желтый светофильтр зеленым. Повторить измерения.

6)Построить вольт-амперные характеристики для желтого и зеленого светофильтров.

7)Собрать электрическую цепь по схеме 2.

мкА

Схема 2

8)Поворотом ручки переключения диапазонов микроамперметра установить предел 7,5 мкА.

9)Установив желтый светофильтр включить осветитель, поставить выходное напряжение на 0, поворотом ручки плавного регулирования напряжения от 0 до 5 В выпрямителя добиться нулевого показания микроамперметра. При этом с лампового вольтметра снять значение UЖ для желтого светофильтра.

10)Такое же измерение проделать для зеленого светофильтра UЗ. Результаты занести в таблицу № 2.

Таблица 2

11) Зная значение UЖ для желтого (λЖ = 0,58 мкм) и UЗ для зеленого (λЗ = 0,555 мкм) светофильтров, найти постоянную Планка по формуле

h = e(U1 −U2 )λλ1 2 . c(λ2 −λ1 )

12)Сравнить полученный результат с табличным значением постоянной Планка

13)Сделать вывод.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 46

Изучение спектра испускания атомарного водорода

ВНИМАНИЕ! Долговечность газоразрядных трубок невелика, поэтому измерения необходимо проводить быстро и после их окончания выключать источник питания генератора.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Наблюдение видимой области спектра (серии Бальмера) атома водорода, объяснение её с квантово-механической точки зрения, определение постоянной Ридберга.

ПРИБОРЫ И МАТЕРИАЛЫ

Двухтрубный спектроскоп (монохроматор УМ-2), неоновая лампа, разрядная водородная трубка.

ЛИТЕРАТУРА

1.Сивухин Д.В. Общий курс физики т. 5. Квантовая физика – М.: Физматлит, МФТИ, 2002.

2.Савельев И.В. курс общей физики. т. 4. – М.: Астрель, 2003.

3.Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. – М.: Высш.шк., 2000.

4.Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 2001.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1.Что представляет собой атом водорода по Резерфорду?

2.Как формулируются постулаты Бора?

3.Что представляет собой спектр излучения атома водорода?

4.Что называется серией излучения? Формула Бальмера.

5.Как определить энергию электрона в атоме водорода?

6.Запишите уравнение движения электрона для стационарных состояний (уравнение Шредингера)?

7.Каков физический смысл волновой функции ψ и каковы её свойства?

8.Какое состояние атома называется основным? Каковы размеры атома в этом состоянии?

9.Каков вид функции ψ для электрона в основном состоянии атома водорода?

10.Какие и сколько квантовых чисел характеризуют состояние электрона в водородоподобных атомах? Каков их физический смысл?

11.Какие состояния электрона называются вырожденными? Какова кратность вырождения электрона в атоме водорода?

12.Какова схема состояний атома водорода и возможные переходы из одного состояния в другое? Чем отличаются энергетическое состояние атома водорода и его квантово механическое состояние?

13.Какова векторная модель атома водорода?

14.Как в данной работе получается спектр излучения атома водо-

рода?

15.Как в данной работе определяются значения длин волн спектральных линий водорода?

16.Какова схема экспериментальной установки?

17.Каков порядок выполнения данной работы?

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Схема экспериментальной установки приведена на рис. 1. В качестве источника изучения используется высоковольтная водородная газоразрядная трубка, обеспечивающая получение спектра атомарного водорода. Она представляет собой стеклянную трубку, наполненную водородом под давлением около 5-10 мм.рт.ст. Разряд в трубке происходит между металлическими электродами 1 и 2, впаянными в торцы трубки, на которые подаётся высокое напряжение от генератора. Свечение водорода происходит в капиллярном участке трубки, где плотность разрядного тока максимальна и соответственно максимальна яркость сечения. Водородная трубка помещена в защитный кожух, выполненный соответственно с корпусом генератора. Блокирующее устройство снимает высокое напряжение с электродов трубки, если крышка защитного кожуха открывается.

Спектральным прибором в лабораторной работе является двухтрубный спектроскоп (монохроматор УМ-2). Щель S коллиматорной трубки A устанавливается вплотную к прорези в защитном кожухе лампы. Проходя через призму П излучение водорода разлагается в спектр, который наблюдается с помощью зрительной трубы Б. Так как лучи с одинаковой длиной волны выходят из призмы параллельно, то объектив О2 собирает их в одну из точек фокальной плоскости S′, которая рассматривается через окуляр О3. Для фиксации спектральных линий служит металлическая нить, расположенная вертикально в плоскости S′. Вращая головку винтового микрометра М, необходимо совместить металлическую нить с данной линией спектра и сделать отсчёт по барабану. Для спектрометра строится градуировочный график с помощью неоновой лампы.

19

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕИЯ РАБОТЫ

1.Ознакомиться с общим видом монохроматора и его основными частями.

2.Определить цену деления отсчётного барабана.

3.Провести градуировку барабана в длинах волн, для чего включить неоновую лампу.

а) При помощи ахроматического конденсора, помещенного между неоновой лампой и щелью коллиматора, в окуляре выходной трубы наблюдать спектр неоновой лампы, обратив внимание на девять наиболее ярких линий (ярко-красную, красно-оранжевую, оранжевую, желтую, светло-зелёную, зелёную первую, зелёную вторую, зелёную третью, сине-зелёную).

б) Вращая отсчётный барабан последовательно совмещать указатель в фокальной плоскости окуляра с указанными выше яркими линиями и в момент совпадения центра указателя со спектральной линией производить отсчёты по барабану. Записать в таблицу № 1

в) Взяв из таблицы № 1 значения длин волн девяти указанных наиболее ярких линий спектра неона и соответствующие им отсчёты по барабану построить на миллиметровой бумаге градуировочный график, откладывая по оси абсцисс деления барабана, а по оси ординат - длины волн, ярких линий спектра атомов неона.

Таблица № 1

4. Выключив неоновую лампу, заменить её разрядной водородной трубкой. Включить источник питания генератора и убедиться в наличии свечения капиллярной трубки.

20