М И Н И СТ Е РСТ В О О БРА ЗО В А Н И Я РО ССИ Й СКО Й Ф Е Д Е РА Ц И И В О РО Н Е Ж СКИ Й ГО СУД А РСТ В Е Н Н ЫЙ УН И ...
5 downloads
149 Views
589KB Size
Report
This content was uploaded by our users and we assume good faith they have the permission to share this book. If you own the copyright to this book and it is wrongfully on our website, we offer a simple DMCA procedure to remove your content from our site. Start by pressing the button below!
Report copyright / DMCA form
М И Н И СТ Е РСТ В О О БРА ЗО В А Н И Я РО ССИ Й СКО Й Ф Е Д Е РА Ц И И В О РО Н Е Ж СКИ Й ГО СУД А РСТ В Е Н Н ЫЙ УН И В Е РСИ Т Е Т
Ф изический ф акультет Каф едра экспериментальной ф изики
М Е ТОД И Ч Е С К И Е У К А ЗА Н И Я клаб ораторны м раб отам по курсуоб щ ей ф изики ( О птика и атомная ф изика) для студентов неф изических специальностей часть 1
Состав ители: А .М . С ав в и но в С .Д . М и л о в и до в а Л .П . Н ест еренко А .П . Л азарев О.В .Ро гази нская
В оронеж – 2002
2
П р едл а га емы е мето дические ука за ния к л а б о ра то рны м ра б о та м п о физике п ризва ны п о мо чь ст удента м всех фо рм о б учения гл уб же п о нят ь и о со зна т ь о сно вны е физические явл ения и п рио б рести эл емент а рны е на вы ки физическо го эксп ер имента . Нео б хо димо о т мет ит ь, чт о п о ско л ьку в на сто ящ ий мо мент не уда ет ся реа л изо ва ть п ро ведение п ра кт ических за нятий фро нт а л ьны м мет о до м, п о это му неизб ежно неко т о ро е о п ережение л а б о р а то р ны х за нят ий п о ср а внению с тео рет ическим курсо м. В связи с этим в мет о дических ука за ниях п еред ка ждо й ра б о то й п о мещ ен до ст а то чны й тео ретический ма т ер иа л , со держа щ ий о п иса ние физическо го явл ения и вы во ды о сно вны х ма т ема тических со о тно шений, нео б хо димы х дл я вы п о л нения эксп ер имент а л ьны х иссл едо ва ний.
С О Д ЕР Ж А Н И Е 1. Оп редел ение п о ст о янно й в за ко не Ст ефа на -Бо л ьцма на п ри п о мо щ и о п тическо го п иро метра … ..… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 3 2. И зучение внешнего фо то эффекта ....… .........................… … … … ..… … … … ..9 3. Оп редел ение п о ка за т ел я п рел о мл ения ст екл янно й п л а ст инки п ри п о мо щ и микро ско п а .................… … … … … ........................................… … … … … … 15 4. О п р едел ение увел ичения микр о ско п а … … … … … … … … … … … … … … … 19 5. И зучение явл ения вр а щ ения п л о ско сти ко л еб а ний п л о ско п о л яр изо ва нно го свет а … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 24 5-1. Оп редел ение удел ьно го вра щ ения ква р ца с п о мо щ ью п о л яримет ра … 29 5-2. Оп редел ение удел ьно го п ро цент но го со держа ния о п тически а кт ивно го вещ ест ва в р а ст во ре с п о мо щ ью са ха р имет р а … .… … … … ..31
3
Р А Б ОТ А 1 . ОП Р Е Д Е Л Е Н И Е П ОС Т ОЯ Н Н ОЙ В ЗА К ОН Е С Т Е Ф А Н А-Б ОЛ Ь Ц М А Н А П Р И П ОМ ОЩ И ОП Т И Ч Е С К ОГО П И Р ОМ Е Т Р А П риб о ры и п р ина дл ежно ст и: о п тический п иро метр, уст а но вка дл я на ка л а сп ира л и л а мп ы и п ит а ния п иро метра . К раткая теори я И зл учение на гр еты х т ел , т а к же ка к свет , р а дио во л ны и т .д., о тно сит ся к эл ектро ма гнитны м явл ениям. В сяко е изл учение т ел о м эл ект ро ма гнитны х во л н со п ро во жда ет ся п о т ерей им энергии и п ро исхо дит л иб о за счет внут ренней энергии, л иб о за счет п о л учения энергии извне. О но за висит о т т емп ера т уры тел а , т.к. явл яет ся сл едст вием ха о тическо го т еп л о во го движения мо л екул и а т о мо в ср еды . И зл учение, п ричино й ко то ро го явл яет ся во зб уждение а то мо в и мо л екул их теп л о вы м движением, на зы ва ется т еп л о вы м ил и т емп ер а т ур ны м изл учением. Ра зны е т ел а в за висимо сти о т т емп ера т ур ы и химическо го со ст а ва исп уска ют л учи ра зл ичны х дл ин во л н и ра зл ично й инт енсивно сти. Дл я ко л ичест венно й о ценки п ро цессо в т еп л о во го изл учения вво дят ся две о сно вны е ха ра кт ерист ики: 1.П о л на я ил и инт егра л ьна я л учеисп уска т ел ьна я сп о со б но ст ь т ел а R (Т) - энергия, исп уска ема я с единицы п л о щ а ди п о верхно сти т ел а за о дну секунду п о всем дл ина м во л н п р и данно й т емп ера т уре. 2. Сп ект ра л ьна я л учеисп уска т ел ьна я сп о со б но сть ( ил и сп ектра л ьна я п л о тно ст ь изл учения) rλT - энергия, изл уча ема я т ел о м п ри да нно й т емп ера т уре в единично м dR rλ T = . (1) инт ерва л е дл ин во л н о т λдо λ+ dλ: dλ В сяко е т ел о ча ст ь п а да ющ ей на него энергии п о гл о щ а ет, а ча ст ь о тра жа ет . Отно шение л учист о й энер гии, п о гл о щ енно й т ел о м, ко всей п а да ющ ей на него энергии на зы ва ет ся ко эффициенто м п о гл о щ ения α. Тел о , п о л но ст ью п о гл о щ а ющ ее всю п а да ющ ую на него энергию, на зы ва ет ся а б со л ютно черны м, и ко эффициент п о гл о щ ения дл я него α.=1. Дл я а б со л ютно зерка л ьно й п о верхно ст и, о т ра жа ющ ей всю п а да ющ ую на нее энер гию, α.=0. На п ра кт ике дл я ра зны х т ел 0< α. < 1. В п риро де не сущ ест вует т ел , явл яющ ихся а б со л ютно черны ми. Они мо гут т о л ько п риб л ижа т ься п о сво им сво йст ва м к а б со л ютно черны м л ишь в о гра ниченно м инт ер ва л е дл ин во л н. О п ы ты п о ка зы ва ют , чт о т ел а , о б л а да ющ ие б о л ьшим ко эффициент о м п о гл о щ ения, со о твет ст венно о б л ада ют и б о л ьшей л учеисп уска т ел ьно й сп о со б но ст ью. П о эт о му изл уча т ел ьна я сп о со б но ст ь а б со л ютно черно го тел а ма ксима л ьна п о сра внению с др угими тел а ми. К ирхго фо м б ы л сфо рмул ир о ва н за ко н, уст а на вл ива ющ ий ука за нно е вы ше п о л о жение: о т но шение л учеисп уска т ел ьно й сп о со б но сти к ко эффициент у п о гл о щ ения не за висит о т ро да т ел и явл яет ся дл я всех т ел о дно й и то й же функций о т дл ины во л ны и т емп ера т ур ы : rλT α λT
rλT = 1 α λT
r = ....... = λT 2 α λT
= f (λ , T ) n
(2)
Та к ка к дл я а б со л ют но черно го т ел а α. =1, т о о тно шение л учеисп уска т ел ьно й
4
сп о со б но сти к ко эффициент у п о гл о щ ения дл я да нно й дл ины во л ны и да нно й темп ер а т ур ы дл я всех т ел ест ь вел ичина п о ст о янна я, ра вна я л учеисп уска т ел ьно й сп о со б но ст и а б со л ют но чер но го т ел а uλ дл я то й же дл ины
rλT u λT = = u λT α λT 1
во л ны и т емп ер а т ур ы , т.е.
(3)
И з эт о й фо рмул ы сл едует , чт о rλT = αλT⋅uλT , (4) т .е. л учеисп уска т ел ьна я сп о со б но ст ь л юб о го т ел а ра вна л учеисп уска т ел ъ но й сп о со б но сти а б со л ют но черно го т ел а дл я т о й же дл ины во л ны и т емп ера т уры , умно женно й на ко эффициент п о гл о щ ения. Дл я п ра кт ических цел ей из за ко на К ирхго фа мо жно сдел а т ь сл едующ ие за кл ючения: 1. Тел а , о б л а да ющ ие т емно й и шеро хо ва т о й п о верхно ст ью, имеют ко эффициент п о гл о щ ения, б л изкий к единице. Та кие т ел а о б л а да ют и со о т вет ственно б о л ьшей п о л но й л учеисп уска т ел ьно й сп о со б но ст ью, ко т о р ую ино гда на зы ва ют энергет ическо й светимо ст ью. 2. В сяко е т ел о п реимущ ест венно п о гл о щ а ет те л учи, ко то ры е о но са мо исп уска ет На р ис.1 изо б р а жено р а сп редел ение сп ект ра л ьно й п л о т но ст и изл учения uλT а б со л ютно черно го т ел а п о дл ина м во л н дл я ра зл ичны х темп ер а тур . З а штрихо ва нна я на кр ест п о л о ска имеет п л о щ а дь uλT⋅dλ и п редcт а вл яет со б о й энер гию uλ T dR(Т), изл уча емую в да нно м инт ерва л е дл ин T3>T2>T1 во л н dλ п р и т емп ера т уре Т1. П о л на я л учеисп уска т ел ьная сп о со б но сть т ел а R б удет ∞
T3
R = ∫ u λT d λ ,
ра вна :
0
T2
где интегра л ра сп р о ст р а нен на весь б еско нечны й инт ерва л всево змо жны х дл ин T1 во л н и изо б ра жа ется дл я т емп ера т уры Т1 на рис. 1 всей за штрихо ва нно й п л о щ а дью п о д λ кр иво й u .С ро сто м т емп ер а т ур ы λT Рис.1 увел ичива ется инт енсивно ст ь т еп л о во го движения ча ст иц тел а и во зра ст а ет энер гия, изл уча ема я т ел о м ка к на да нно й дл ине во л ны λ , т а к и во всем инт ерва л е дл ин во л н. П о эт о му п ри Т3 > T2 > T1 п о днима ется вся сп ектра л ьна я крива я uλT теп л о во го изл учения, ка к п о ка за но на рис.1. Одна ко о б ъ яснит ь р а ссмо тренную за висимо ст ь сп ект р а л ьно й п л о т но сти изл учения о т дл ины во л ны до л го е время не уда ва л о сь. П о л ученны е в ра мка х кл а ссическо й физики за ко н В ина хо ро шо со вп а да л с эксп ер именто м в ко ро тко во л но во й о б л а ст и, а за ко н Рел ея-Джинса , на о б о ро т, да ва л хо ро шее со вп а дение в дл инно во л но во й ча сти сп ект р а . Ф о рмул а дл я сп ект р ал ьно й п л о тно сти ра вно весно го изл учения, хо ро шо со гл а сующ а яся с о п ы т о м п р и всех дл ина х во л н, б ы л а п о л учена П л а нко м в 1900 го ду. О ка за л о сь, чт о дл я т ео ретическо го вы во да эт о й фо рмул ы нео б хо дима гип о т еза , ко ренны м о б р а зо м п ро т иво реча щ а я п редст а вл ениям кл а ссическо й E
(λ
, T
)
5
физики. П л а нк п редп о л о жил , чт о энергия ко л еб а ний а т о мо в ил и мо л екул мо жет п ринима т ь не л юб ы е, а т о л ько вп о л не о п р едел енны е дискр етны е зна чения (Е = hν), о тдел енны е др уг о т др уга ко нечны ми инт ерва л а ми. Э то о зна ча ет, чт о энергия не неп рер ы вна , а ква нт уется, т.е. сущ ест вует л ишь в стро го о п р едел енны х дискр етны х п о рциях. На именьша я п о рция энергии Е = hν на зы ва ет ся ква нто м энергии. Ф о р мул а П л а нка мо жет б ы т ь за п иса на ил и чер ез ча сто ту ν ил и через дл ину во л ны λ (ν = c/λ):
uνT =
2πν 2 c2
⋅
hν hν e kT
(5),
u λT =
−1
2πhc 2 λ5
⋅
(6)
1 hc λ e kT
−1
В се извест ны е ра нее за ко ны т еп л о во го изл учения мо гут б ы т ь п о л учены из фо р мул ы П л а нка . З а ко н Ст ефа на - Бо л ьцма на о п р едел яет п о л ную энергию изл учения. Дл я п о л учения п о л но й энергии на до п р о интегриро ва т ь вы ра жение (6) п о всем дл ина м во л н:
∞
R = ∫ uλT dλ = 0
2π 5 k 4 2 3
15c h
⋅T 4 ,
ил и
R = σТ4
(7)
П о л на я энергия, изл уча ема я а б со л ют но чер ны м т ел о м за о дну секунду, п ро п о рцио на л ьна чет вер т о й ст еп ени темп ера т уры . К о нста нт а σ в фо р мул е (7) на зы ва ет ся п о сто янно й Ст ефа на – Бо л ьцма на и измеряет ся в Дж/(м 2с К 4) ил и в В т /(м 2 К 4) Очевидно , что сумма рна я энер гия изл учения п о всем дл ина м во л н, исп уска ема я п л о щ а дко й S а б со л ютно черно го т ел а , ра вна :
R = σТ4 S И з фо рмул ы П л а нка мо жно сдел а т ь вы во д о ра сп р едел ении энер гии изл учения а б со л ютно черно го т ел а п о дл ина м во л н. М а ксимум сп ект ра л ьно й п л о тно ст и изл учения мо жно о п редел ит ь, есл и п ро дифференциро ва т ь вы ра жение (6) и drλT п рира внят ь к нул ю: = 0 , чт о п риво дит к двум за ко на м В ина : dλ b λ max = (8) и uλT = c1T5 , (9) T где b и c1 - числ енны е п о сто янны е. И ны ми сл о ва ми, дл ина во л ны , на ко т о р ую п рихо дит ся ма ксимум инт енсивно сти изл учения, о б р а тно п ро п о рцио на л ьна т емп ера т ур е (8) и, сл едо ва т ел ьно , ма ксимум изл учения с увел ичением т емп ер а т ур ы смещ а ет ся в ст о ро ну ко ро т ких дл ин во л н (1-й за ко н В ина ). М а ксима л ьна я интенсивно ст ь изл учения (9) п ро п о р цио на л ьна п ято й ст еп ени т емп ера т ур ы (2-й за ко н В ина ). Гра фически за ко ны Ст ефа на -Бо л ьцма на и В ина п р едст а вл ены на рис.1, из ко т о ро го сл едует , чт о ко л ичест во изл уча емо й т ел о м энергии за висит о т темп ер а т уры . Е сл и извест на дл ина во л ны λmax , со о т вет ст вующ а я ма ксимуму инт енсивно сти изл учения тел а , то , исп о л ьзуя 1-й за ко н В ина , мо жно о п редел ить
6
темп ер а т ур у т ел а . О п р едел енна я т а ким о б ра зо м т емп ер а т ур а на зы ва ет ся его цвет о во й темп ера т уро й. И сп о л ьзуя за ко н Ст ефа на -Бо л ьцма на , мо жно о п р едел ит ь энергетическую ил и ра диа цио нную т емп ера т ур у т ел а . И змерение это й т емп ера т уры о сно ва но на изл учении инт егра л ьно й инт енсивно ст и изл учения, т .е. п о л но й энергий изл учения R. И з за ко на Ст ефа на -Бо л ьцма на сл едует , чт о ко л ичест во т еп л о во й энер гии, п ереда ва емо е единицей п о вер хно ст и аб со л ют но черно го т ел а , на хо дящ его ся п р и т емп ер а т уре Т1 в о кр ужа ющ ую ср еду, имеющ ую т емп ера т ур у Т2 , (есл и среду мо жно ра ссма трива т ь ка к а б со л ют но чёр но е т ел о ), ра вно :
(
R = R (T1 ) − R (T2 ) = σ T14 − T24
)
(10)
Сп ира л ь л а мп ы
И зл учение всех о ст а л ъ ны х т ел п о дчиняет ся та ко й же за ко но мерно сти. М ет о до п редел ения т емп ера т уры р а ска л ённы х т ел п о сп ект р у изл учения на о сно ве исп о л ьзо ва ния за ко но в т еп л о во го изл учения на зы ва ет ся о п т ическо й п иро мет рией. Со о т ветст вующ ие п риб о ры на зы ва ют ся о п т ическими п иро мет ра ми. Э кспери ментальная часть. О пи сани е установки и опти ческого пи рометра Ц ел ью да нно й р а б о т ы явл яет ся о п редел ение п о ст о янно й σ в за ко не Ст ефа на Бо л ьцма на . И ссл едуемы м т ел о м, ко т о ро е счит а ет ся а б со л ют но чер ны м, явл яется во л ьфра мо ва я сп ира л ь л а мп ы , на гр ева ема я эл ектрическим А т о ко м. Э л ект рическа я схема уст а но вки п о ка за на на рис.2. V На п ряжение о т сет и через л а тр (л а б о ра т о рны й а вт о т ра нсфо р ма т о р) и л а тр Рис.2 п о нижа ющ ий тра нсфо рма то р п о да ется на сп ира л ь л а мп ы . С п о мо щ ью л а тра мо жно менят ь т о к и на п ряжение на сп ир а л и л а мп ы , ко то ры е измер яют ся вкл юченны ми в цеп ь а мп ермет ро м и во л ьт мет ро м. М о щ но ст ь, за т р а чива ема я на п о ддержа ние единицы п л о щ а ди сп ира л и в на ка л енно м со сто янии, б удет ра вна I ⋅U W= , (11) 2S где I - сил а т о ка в цеп и л а мп ы , U - п а дение нап ряжения на cп ира л и л а мп ы , S п л о щ а дь сп ир а л и (2S, т.к. сп ир а л ь изл уча ет в о б е сто ро ны ). П рира внива я эт у мо щ но ст ь ко л ичеству энер гии, т еряемо й сп ира л ью за I секунду, в со о т вет ст вии с за ко но м Ст ефа на -Бо л ьцма на (9) имеем: I ⋅ U = 2σS (T14 − T24 ), о т куда σ =
I ⋅U 2 S (T14
− T24 )
,
где Т1 – темп ер а т ур а сп ир а л и, Т2 – т емп ера т ура о кр ужа ющ ей ср еды .
(12)
7
Дл я измерения т емп ера т уры сп ир а л и л а мп ы сл ужит о п тический п иро мет р с "исчеза ющ ей нит ью", измер яющ ий яр ко стную т емп ера т ур у т ел а. Оп редел ение т емп ера т ур ы сво дится к сра внению ярко сти изл учения иссл едуемо го тел а (в на шем сл уча е сп ир а л ь л а мп ы - 1, рис.4) с ярко ст ью изл учения нити на ка л а п иро мет ра , п р едва рител ьно п ро гра дуир о ва нно го п о изл учению а б со л ютно чёрно го т ел а . Я р ко стна я т емп ер а тур а б удет ист инно й, есл и иссл едуемо е т ел о - а б со л ютно чёрно е, и б удет меньше истинно й, есл и иссл едуемо е т ел о не явл яет ся а б со л ютно чёрны м, та к ка к изл учение не а б со л ют но чёрны х т ел всегда ниже изл учения а б со л ютно чёрны х. Схема п иро метра изо б ра жена на рис.3. Ч увст вит ел ьны м эл ементо м о п т ическо го L1 L2 п иро мет ра явл яет ся нит ь на ка л а , 1 п о дкл ючённа я чер ез рео ст а т к исто чнику f1 т о ка , и га л ьва но мет р у Г, ко т о ры й п ро гра дуир о ва н в гра дуса х Ц ел ьсия. Г f2 Нит ь на ка л а (1) на хо дится внут р и ко р п уса п иро метра (рис.4b) и на хо дит ся в фо кусе о б ъ ект ива L1. О кул яр L2 сл ужит Рис. 3 дл я увел ичения п о л ученно го изо б ра жения и уста на вл ива ется п о гл а зу на б л юда т ел я. О н п о зво л яет со вместит ь нит ь п иро метра и изо б ра жение иссл едуемо го п редмет а в о дно й п л о ско сти. П ри п о л ьзо ва нии п иро мет ро м сра внение яр ко сти 7 5 п ро исхо дит в о гр а ниченно й 4 о б л а ст и сп ект р а . Дл я 1 п о л учения мо но хро ма тическо го л уча в т р уб е о кул яр а п о мещ ён 3 свет о фил ьт р f2 , 6 п ро п уска ющ ий кр а сную (λ = 6500 Ǻ ) ча ст ь сп ект р а , исп уска емо го ист о чнико м и V А нит ью л а мп ы . В ведение свет о фил ьт ра о б яза т ел ьно , иб о о но п о зво л яет п ро во дит ь иссл едо ва ние в узко й ча сти 2 сп ект ра , где изменение b а инт енсивно сти изл учения с Рис.4 т емп ера т ур о й п ро исхо дит б о л ее р езко , чем в п р едел а х всего сп ектра , а эт о п о вы ша ет то чно ст ь измерения. К ро ме кр а сно го свет о фил ьт ра , в п иро метре имеет ся ещ ё о сл а б л яющ ий свет о фил ьт р, п о зво л яющ ий р а сширит ь п редел ы измерения т емп ера т уры . Осл а б л яющ ий свето фил ьтр f1 р а сп о л о жен между о б ъ ект иво м п иро метра и его нит ью на ка л а . Без о сл а б л яющ его свето фил ьт ра п иро метр измеряет т емп ера т ур у в инт ерва л е 700 ÷ 14000С (нижняя шка л а ), с о сл а б л яющ им свет о фил ьт ро м – в
8
инт ерва л е 1200 ÷ 2000 С (верхняя шка л а ). В нешний вид уст а но вки дл я о п редел ения п о сто янно й σ в за ко не Ст ефа на Бо л ьцма на п риведён на рис.4. Сл ева п о ка за н б л о к п ит а ния уст а но вки (а ), сп ра ва – о п тический п иро мет р (b). На б л о ке п ит а ния уст а но вл ена иссл едуемо е т ел о л а мп а на ка л ива ния - 1, т емп ера т ура сп ира л и ко т о ро й измеряет ся п иро метро м. На п ередней п а нел и б л о ка п ит а ния на хо дит ся р учка регул ят о ра на п р яжения (л а тра ) 2 , во л ьт мет р, а мп ермет р и т умб л ер 3 вкл ючения эл ект рическо й цеп и уст а но вки. И ст о чник п ита ния эл ект р ическо й цеп и п иро метра уст а но вл ен в ко рп усе б л о ка п ит а ния и со единен с п иро мет ро м. На ко рп усе п ир о мет ра на хо дятся уст ро йст ва , нео б хо димы е дл я ра б о ты с ними: п о во ро т ны й диск 4 на о кул яр е п иро мет ра дл я введения кр а сно го свето фил ьт ра ; ма хо вичо к 5 дл я введения о сл а б л яющ его свето фил ьтра ; ко л ьцо рео ст а т а 6 дл я р егул иро вки вел ичены на ка л а нити п иро мет р а ; га л ьва но метр 7, две шка л ы ко то ро го п р о гр а дуир о ва ны в гра дуса х Ц ел ьсия. 0
В ы полнени е работы 1. Регул ят о р л а тра 2 на б л о ке п ит а ния уста но вит ь на но л ь (рис.4). У ста но вит ь нул евую о т мет ку на п о во р о тно м ко л ьце рео ст а т а 6 п иро мет р а п ро тив т а ко й же о т мет ки на кры шке ко рп уса га л ьва но мет ра 7, вр а щ а я ко л ьцо п ро т ив ча со во й ст р ел ки. П о во ро т ны м диско м 4 и ма хо вичко м 5 вы вести кра сны й и о сл а б л яющ ий свет о фил ьт ры . 2. Ра сп о л о жив п иро метр на ра ссто янии п р имерно 0,5 м о т л а мп ы 1, нап ра вит ь о б ъ ект ив п иро метра на сп ир а л ь эт о й л а мп ы . П ередвижением т уб уса о кул яр а и о б ъ ект ива до б ит ься резко го изо б ра жения сп ира л и л а мп ы т а к, что б ы на него на кл а ды ва л о сь изо б р а жение нит и п иро мет р а (жел а т ел ьно верхней ча сти). 3. П о дкл ючит ь б л о к п ит а ния к сет и и вкл ючит ь т умб л ер 3. П о во ра чива я р учку л а тра 2 п о ча со во й ст рел ки, уст а но вит ь т о к на ка л а сп ир а л и л а мп ы , ра вны й п римерно 2,5 ÷ 3 А , и за п иса т ь со о т вет ст вующ ие п о ка за ния а мп ермет ра А и во л ьт метра V. 4.В вести кр а сны й свет о фил ьт р и, изменяя яр ко ст ь нити л а мп о чки п ир о мет ра п о во ро то м ко л ьца рео ст а та , до б ит ься исчезно вения нити на фо не изо б ра жения сп ира л и л а мп ы . П ри эт о м р егул ир уют ярко ст ь на ка л а нити п иро мет р а т а к, чт о б ы о на о ка за л а сь ни т емнее, ни светл ее фо на, со зда ва емо го ра ска л ённо й сп ир а л ью л а мп ы 1. В мо мент со вп а дения яр ко ст ей п о нижней шка л е га л ьва но метра о т считы ва ют зна чение яр ко ст но й темп ера т ур ы Т1 иссл едуемо й сп ира л и л а мп ы . Темп ера т ура Т2 о кр ужа ющ ей ср еды о п р едел яет ся п о т ер мо метр у. И змер ение яр ко стно й т емп ера туры Т1 п ро во дят не менее трёх р а з и б ерут ср еднее зна чение. 5. П о дст а вл яя числ енны е зна чения I, U, T1, T2 , S в фо р мул у (11) вы числ яют п о сто янную σ в за ко не Стефа на — Бо л ьцма на . П л о щ а дь о дно й ст о ро ны сп ира л и л а мп ы на ка л ива ния S=50 мм 2. 6. У вел ичивая сил у т о ка в цеп и л а мп ы , а т ем са мы м и её ярко стную т емп ера т ур у, ра ссчиты ва ют п о сто янную Ст ефа на — Бо л ьцма на дл я др угих т емп ер а т ур и б ер ут её ср еднее зна чение. Е сл и п о ка за ния га л ьва но мет ра не укл а ды ва ют ся на нижней шка л е, то вкл юча ют о сл а б л яющ ий свет о фил ьт р и п ерехо дят к измер ению п о верхней шка л е.
9
К онтрольны е вопросы 1. П ер ечисл ит ь о сно вны е ха ра кт ерист ики и о сно вны е за ко ны теп л о во го изл учения. 2. Ч т о та ко е а б со л ют но черно е т ел о ? 3. Об ъ яснит ь физический смы сл фо рмул ы П л а нка дл я а б со л ют но черно го т ел а . 4. К а ко й физический смы сл п о ст о янно й Ст ефа на — Бо л ьцма на ? 5. Ра сска жит е уст ро йст во о п тическо го п иро метра . 6. В чем п р еимущ ест во о п т ическо го мето да измерения темп ер а т уры ? 7. К а кие мето ды измер ения т емп ера т ур ы вы знает е? 8. К а к, исп о л ьзуя ра сп редел ение П л а нка , п о л учит ь за ко н Стефа на — Бо л ьцма на ? 9. К а к, исп о л ьзуя ра сп редел ение П л а нка , п о л учит ь за ко н смещ ения В ина ? Р А БО ТА № 2 И ЗУЧ Е Н И Е В Н Е Ш Н Е ГО Ф ОТ ОЭФ Ф Е К Т А П р иб о ры и п рина дл ежно ст и: мо но хр о ма то р У М — 2 ,ва куумны й фо т о эл емент , микро а мп ермет р, ист о чник свет а , исто чник п о ст о янно го на п ряжения. К раткая теори я Ф о то эл ект рическим эффект о м ил и фо то эффект о м на зы ва ет ся о сво б о ждение (п о л но е ил и ча стично е) эл ект ро но в о т связей с а то ма ми и мо л екул а ми вещ ест ва п о ддейст вием света (видимо го , инфр а кр а сно го и ул ьт р а фио л ет о во го ). Е сл и эл ект ро ны вы хо дят за п редел ы о свещ а емо го вещ ест ва (п о л но е о сво б о ждение), то фо то эффект на зы ва ет ся внешним (о т кры т в 1887 г. Г. Герцем и п о дро б но иссл едо ва н в 1888 г. А .Г. Ст о л ето вы м). Е сл и же эл ект ро ны т еряют связь т о л ько со «сво ими» а т о ма ми и мо л екул а ми, но о ст а ются внут р и о свещ а емо го вещ ест ва в ка чест ве "сво б о дны х эл ект ро но в" (ча ст ично е о сво б о ждение), увел ичивая т ем са мы м эл ект ро п ро во дно ст ь вещ ест в, то фо то эффект на зы ва ет ся внут ренним (о т кры т в 1873 г. а мерика нским физико м У . Смито м). Свет В нешний фо то эффект на б л юда ет ся у мет а л л о в. П р инцип иа л ьна я измер ит ел ьна я схема , с п о мо щ ью ко т о ро й F иссл едо ва л ся внешний • • • А • • фо то эффект , изо б р а жена на рис.1. К • • • О т р ица т ел ьны й п о л юс б а т а р еи − •• • + п рисо единен к мет а л л ическо й Г п л а ст ине К (ка т о д), п о л о жител ьны й – к V всп о мо га т ел ьно му эл ект р о ду А (а но д). О б а эл ект ро да п о мещ ены в со суд, имеющ ий ква р цево е о кно F (п ро зра чно е дл я о п т ическо го изл учения). П о ско л ьку + − эл ект р ическа я цеп ь о ка зы ва ет ся р а зо мкнуто й, то к в ней Рис.1 о т сут ст вует . П ри о свещ ении
10
ка т о да К свет вы ры ва ет из него эл ект ро ны (фо то эл ектро ны ), уст ремл яющ иеся к а но ду, и в цеп и п о явл яется т о к (фо то т о к). Схема да ёт во змо жно ст ь измер ят ь сил у фо т о то ка га л ьва но метро м Г и ско ро ст ь фо то эл ект ро но в п ри р а зл ичны х зна чениях на п р яжения U между ка т о до м и а но до в и п ри ра зл ичны х усл о виях о свещ ения ка то да . К л а ссическа я эл ект ро дина мика , со гл а сно ко то ро й свет р а сп ро стра няется в виде неп рер ы вны х мо но хро ма тических во л н, не мо жет о б ъ яснит ь всех за ко но мерно ст ей фо т о эффект а . Сущ но ст ь его о б ъ ясняется ква нт о во й т ео рией изл учения. И зл учение свет а п ро исхо дит не неп рер ы вно , а о т дел ьны ми п о рциями - ква нт а м свет а (фо то на ми). О дна ко явл ения интерфер енции и дифр а кции свидет ел ьст вуют о т о м, что свет о во е изл учение о б л а да ет т а кже и во л но вы ми сво йст ва ми. П о это му ка ждо му ква нт у мо жет б ы т ь п рип иса на о п редел енна я ча ст о та . Э нер гия ква нт а E=hv, (1) где h - п о сто янна я П л а нка , v - ча ст о та свет а . П о эт о й тео р ии свето во й п о то к о п р едел яет ся числ о м свето вы х ква нто в (фо то но в), п а да ющ их в единицу времени на п о верхно ст ь мет а л л а . К а жды й фо то н мо жет вза имо действо ва т ь т о л ько с о дним эл ектро но м. П о это му ма ксима л ьно е числ о фо то эл ект ро но в до л жно б ы т ь п ро п о рцио на л ьно свет о во му п о то ку. Е сл и энергия фо то на п ереда ёт ся эл ект ро ну в мет а л л е, то п о гл о щ а ющ ий эл ект ро н до л жен п рио б р ести энер гию, р а вную hν. Очевидно , ча ст ь эт о й энер гии эл ект ро н до л жен за тра тит ь на со вер шение р а б о т ы вы хо да А , п о дко то ро й п о нима ется минима л ьно е зна чение энергии, нео б хо димо е дл я вы во да эл ект ро на из мета л л а . Э т а до л я энергии б удет б о л ьшей дл я эл ект ро на , л ежа щ его на неко то ро й гл уб ине п о д п о верхно ст ью, чем дл я вы хо дящ его из п о верхно стно го сл о я. О ст а вша яся ча ст ь эт о й энергии п р едст а вл яет со б о й кинет ическую энер гию фо то эл ект ро на mV2/2 (где m - масса эл ект р о на , V - его ско ро ст ь). То гда , со гл а сно за ко ну со хра нения энер гии, мо жно за п исат ь hv=A+mV2/2 (2) Э т а фо рмул а , п редл о женна я в 1905 г. А . Э йншт ейно м и п о дт вер жденна я за тем мно го числ енны ми эксп ер имента ми, на зы ва ет ся ур а внением Э йншт ейна дл я внешнего фо то эффект а . О п ы т ны м п ут ем уст а но вл ены сл едующ ие о сно вны е за ко ны внешнего фо то эффект а : 1. Ф о то то к на сы щ ения (т .е. ма ксима л ьно е числ о эл ект ро но в, о сво б о жда емы х свет о м в 1 с) п рямо п ро п о рцио на л ен свет о во му п о т о ку. 2. М а ксима л ьна я на ча л ьна я ско ро ст ь фо т о эл ект ро но в во зра ста ет с увел ичением ча ст о ты п а да ющ его свет а и не за висит о т его интенсивно сти. 3. Неза висимо о т интенсивно ст и света фо т о эффект на чина ет ся т о л ько п ри о п р едел енно й (дл я да нно го мет а л л а ) минима л ьно й ча сто т е свет а νкр, на зы ва емо й кр а сно й гра ницей фо т о эффект а . 4. Ф о то эффект во зника ет и исчеза ет п о чти о дно временно с на ча л о м и п рекра щ ением о б л учения; ра схо ждение во времени не п ревы ша ет 10-9с. П еречисл енны е за ко ны внешнего фо то эффект а не мо гут б ы т ь о б ъ яснены во л но во й тео рией свет а . То л ько п ер вы й за ко н со гл а сует ся с эт о й тео рией: чем б о л ьше инт енсивно сть п а да ющ его изл учения, т ем б о л ьшее числ о эл ект ро но в п о л учит энер гию, нео б хо димую дл я вы хо да из мет а л л а .
11
Свет
В т о ро й и т ретий за ко ны о б ъ яснит ь на о сно ве во л но во й т ео р ии света нел ьзя. Дейст вит ел ьно , п о это й т ео рии инт енсивно ст ь света п ро п о рцио нал ьна ква др а т у а мп л ит уды эл ект ро ма гнитно й во л ны . П о это му свет л юб о й ча сто т ы , но до ст а т о чно б о л ьшо й эффект ивно сти до л жен б ы л б ы вы ры ва т ь эл ект р о ны из мет а л л а ; ина че го во ря, не до л жно б ы л о б ы сущ ест во ва т ь кр а сно й гр а ницы фо то эффект а . Э то т вы во д п р о тиво р ечит трет ьему за ко ну фо т о эффект а . Да л ее, чем б о л ьше инт енсивно ст ь свет а , т ем б о л ьшую кинет ическую энергию до л жен б ы л б ы п о л учит ь о т него эл ект ро н. П о это му ско р о ст ь фо то эл ект ро на до л жна б ы л а б ы во зра ст а т ь с увел ичением инт енсивно сти света ; это т вы во дп ро т иво речит вт о ро му за ко ну фо т о эффект а . З а ко ны внешнего фо то эффект а п о л уча ют п р о ст о е исто л ко ва ние на о сно ве ква нт о во й т ео р ии свет а . И з ур а внения Э йнштейна (2) неп о ср едст венно видно , чт о ско ро ст ь фо то эл ект ро на во зр а ст а ет с увел ичением ча сто т ы свет а и не за висит о т его интенсивно ст и (п о ско л ьку ни А , ни ν не за висят о т инт енсивно сти света ). Э то т вы во дсо о т ветст вует вт о ро му за ко ну фо т о эффект а . Со гл а сно ур а внению (2), с уменьшением ча ст о ты света кинет ическа я энер гия фо то эл ект ро но в уменьша ется (ра б о та вы хо да А п о ст о янна дл я да нно го о свещ а емо го вещ ест ва ). П р и неко то ро й до ст а то чно ма л о й ча сто т е ν = νкр (ил и дл ине во л ны λ кр =с /νкр )кинет ическа я энергия фо т о эл ект ро на ст а нет ра вно й нул ю ( mV2/2=0) и фо то эффект п р екр а т ится, что со о т вет ст вует т рет ьему за ко ну фо то эффект а . Э то имеет мест о п р и hνкр=A, т.е. в сл уча е, ко гда вся энер гия фо то на ра схо дует ся то л ько на со вершение ра б о т ы вы хо да эл ект ро на . То гда νкр=А /h ил и λ кр=hc/A (3) Ф о р мул ы (3) о п редел яют кр а сную гр а ницу фо т о эффект а . И з этих фо рмул сл едует , что о на за висит о т ра б о т ы вы хо да , т.е. о т ма т ер иа л а фо то ка т о да . На внешнем фо то эффект е о сно ва н ва жны й K A физико -т ехнический п риб о р, на зы ва емы й ва куумны м фо то эл ементо м (рис.2). К а т о до м К ва куумно го фо т о эл емент а сл ужит сл о й мет а л л а , на несенны й на внут реннюю п о верхно ст ь B Г ва куумно го стекл янно го б а л л о на В . А но д вы п о л нен в виде мет а л л ическо го ко л ьца , п о мещ енно го в центра л ьно й ча сти б а л л о на . П ри о свещ ении ка т о да в цеп и фо то эл емент а − + во зника ет эл ект р ический т о к, сил а ко т о ро го Рис.2 п ро п о рцио на л ьна свет о во му п о т о ку. Бо л ьшинст во со временны х фо то эл емент о в имеет сур ьмяно -цезиевы е ил и кисл о ро дно –цезиевы е ка т о ды , о б л а да ющ ие вы со ко й фо то чувст вит ел ьно ст ью. К исл о ро дно -цезиевы е фо то эл емент ы чувст вит ел ьны к инфра кра сно му и видимо му свет у (чувст вит ел ьно ст ь 20-80 мкА /л м), сур ьмяно -цезиевы е фо то эл ементы : чувст вит ел ьны к видимо му и ул ьт р а фио л ет о во му свет у (чувст вит ел ьно ст ь 50-150 мкА /л м). В неко т о ры х сл уча ях дл я увел ичения чувст вит ел ьно ст и фо то эл емент а его на п о л няют а рго но м п ри да вл ении п о рядка I П а . Ф о то то к в т а ко м фо то эл емент е усил ива ет ся всл едст вие ио низа ции а р го на , вы зва нно й ст о л кно вениями фо т о эл ект ро но в с а т о ма ми а р го на . Ф о то чувствит ел ьно ст ь
12
га зо на п о л ненны х фо т о эл емент о в со ст а вл яет о ко л о I мА /л м. В на сто ящ ее время фо то эл емент ы на хо дят широ ко е п рименение в на уке и технике. П о ско л ьку сил а фо то то ка п ро п о рцио на л ьна свет о во му п о т о ку, фо то эл емент ы исп о л ьзуются в ка чест ве фо то мет рических п риб о р о в. К т а ким п риб о р а м о тно сятся, на п ример, л юксмет р (измерит ел ь о свещ енно сти) и фо то эл ект рический эксп о но метр. Ф о то эл емент п о зво л яет п р ео б ра зо вы ва т ь ко л еб а ния свето во го п о то ка в со о т вет ст вующ ие ко л еб а ния фо т о то ка , чт о на хо дит п р именение в технике звуко во го кино , тел евидении и т. д. И скл ючит ел ьно вел ико зна чение фо т о эл ементо в дл я т ел емеха низа ции и а вт о ма тиза ции п ро изво дст венны х п ро цессо в, ко то ры е, в со чет а нии с эл ектро нны м усил ит ел ем и рел е, реа гир уя на свет о вы е сигна л ы , уп ра вл яют ра б о то й ра зл ичны х п ро мы шл енны х и тра нсп о р т ны х уста но во к. О пи сани е установки В да нно й ра б о т е дл я изучения внешнего фо то эффект а ва куумно го фо то эл емент а исп о л ьзуется п ризменны й мо но хро ма то р-сп ект р о ско п У М – 2, ко т о ры й п р една зна чен дл я сп ектра л ьны х иссл едо ва ний в диа п а зо не дл ин во л н о т 3800 до 10000 Ǻ (1Ǻ =10-10м) Ра ссмо трим п р инцип дейст вия п ро ст ейшего сп ект р ал ьно го п риб о р а с п ризмо й дл я иссл едо ва ния фо т о эффекта . Схема его изо б ра жена на рис. 3. ФЭ L2 M К р а сны й
мкА
А
К
L1
S2
Бел ы й свет
N
S1
Ф ио л ето вы й +
−
Рис.3
S P
П учо к б ел о го свет а о т исто чника S п ро хо дит через узкую щ ел ь S1, на хо дящ уюся в фо ка л ьно й п л о ско сти л инзы L. На вы хо де из л инзы о н всегда б удет п а ра л л ел ьны м. Та кие уст р о йст ва , на зна чение ко то ры х да ва т ь п а ра л л ел ьны й п учо к свет а , на зы ва ются ко л л има то ра ми. П о сл е п р о хо ждения п ризмы P, сп о со б но й п о во р а чива т ься, и п рел о мл ения в ней, п учки свет а р а зны х дл ин во л н фо кусир уют ся л инзо й L2 в ее фо ка л ьно й п л о ско ст и, со вмещ енно й с б ел ы м неп ро зра чны м экра но м MN. П о ско л ьку щ ел ь S1 п а ра л л ел ьна о сно ва нию п ризмы Р, то на экр а не п о л учит ся ряд мо но хро ма тических (цвет ны х) изо б ра жений эт о й щ ел и – сп л о шно й сп ект р изл учения. П о сл едо ва т ел ьно ст ь цвет о в в сп ект ре – фио л ето вы й, синий, го л уб о й,
13
зел ены й, жел т ы й, о ра нжевы й, кра сны й о б усл о вл ена р а зно й ст еп енью п рел о мл ения их л учей в за висимо ст и о т дл ины во л ны λ, т .е. λ ф < λ с < λ г< λ з