Меньше всего расстояния между вращательными уровнями энергия. Чтобы вызвать вращение молекул (не изменяя энергии электронов и энергии колебаний), достаточно сообщить молекуле энергию порядка 10-4 эВ, что соответствует энергии фотонов в далекой инфракрасной области электромагнитного излучения.
Для возбуждения же колебаний атомов в молекуле требуется гораздо большая энергия - порядка десятых долей электронвольта. Такую энергию имеют фотоны в ближней инфракрасной области спектра.
Изменение же энергии электронов в молекуле связано о затратами энергии уже в несколько единиц электронвольт, что соответствует видимой и ультрафиолетовой областям спектра, изменение энергий электронов обычно сопровождается изменением энергий, колебании и вращения.
В связи с тем, что для изменения состояния электронов, возбуждения вращений и колебаний требуются различные энергии, энергетические уровни в молекуле располагаются как бы группами (см. рис.13). Наиболее тесно расположены уровни энергия в группах, где различие между уровнями обусловлено лишь изменением энергия вращения молекулы (энергии электронов и колебаний атомов для всех уровней в подобной группе имеют одни и те же значения). Газность энергий между подобными вращательными уровнями очень мала - порядка 10-4эВ. Переходы между этими уровнями происходят при поглощении фотонов далекой инфракрасной области спектра электромагнитного излучения.
Отдельные группы вращательных уровней могут быть, в свою очередь, сгруппированы в более сложные системы по принципу различия в энергиях колебаний. В каждой подобной системе неизменным является состояние молекулярных электронов. Изменение энергий колебаний молекулы (при этом обычно меняется и энергия вращения) может происходить при поглощении фотонов ближней инфракрасной области спектра - с энергией в несколько десятых долей эВ.
Системы уровней, отличающиеся состоянием молекулярных электронов, располагаются по шкале энергий на расстоянии уже в несколько единиц электронвольт. Изменение энергетического состояния электронов (сопровождаемое обычно и изменением энергий вращения и колебаний) наблюдается при поглощении фотонов в видимой и ультрафиолетовой областях спектра.
Наличие сложной системы энергетических, уровней приводит к тому, что спектры поглощения молекул, в отличие от атомарных спектров, включают сотни и тысячи близко расположенных линий поглощений. Изложенное, однако, относится только к свободным молекулам, например, в разреженном газе, когда расстояния между соседними молекулами велики и взаимодействие между ними несущественно.
Рис.13. Схема уровней энергии молекулы
е) Спектры конденсированных состояний вещества. В конденсированных средах, например в жидкостях, взаимодействие между молекулами и ограничения, накладываемые на возможности их движения, изменяет положение уровней энергии молекулы. Для различных молекул уровни энергии смещаются различным образом. Это приводит к тому, что отдельные линии в спектре настолько близко располагаются друг к другу, что с помощью спектральных приборов они воспринимаются как сплошные широкие полосы поглощения с размытыми границами. Каждая из таких полос соответствует всем возможным процессам поглощения с изменением энергетического состояния электронов в молекуле, для простых (например, двухатомных) молекул полоса поглощения, лежащая в видимой области спектра, обычно соответствует переходу электронов из невозбужденного (основного) состояния наименьшей возможной энергией в первое возбужденное состояние.
Несмотря на размытый характер полос поглощения в жидкостях, исследование таких полос дает возможность провести как качественный химический анализ строения вещества, так и оценить величину энергии возбуждения молекул – характеристику, часто используемую в химических исследованиях.
Часть II
ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
Лабораторная работа № 000
ИЗУЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА
1).Цель и содержание работы
Целью работы является ознакомление с явлением внешнего фотоэффекта. Содержание работы состоит в получении вольт-амперной и световой характеристик фотоэлемента и определение его чувствительности.
2). Краткая теория работы
1. См. ч.1, гл.2.
2.Вывод расчетной формулы для чувствительности фотоэлемента.
Чувствительность фотоэлемента (см. 4.I-I9) определяется по формуле :
(1)
При использовании установки, изображенной на рис. I, фотоэлемент освещается точечным источником, сила света которого I, и находится он на расстоянии r от фотоэлемента. Освещенность, которую он создает на поверхности фотоэлемента (ее площадь S достаточно мала), равна:
Зная освещенность, можно найти световой поток, падающий на площадку:
(2)
Объединив формулы (1) и (2), получим:
(3)
В этой работе iH и r определяются из опыта, а I и S даются как постоянные величины.
3).Приборы и принадлежности для выполнения работы
В работе используется вакуумный сурьмяно-цезиевый фотоэлемент СЦВ-4. Фотоэлемент представляет собой стеклянный баллон, из которого откачан воздух до давления примерно 10-6 мм рт. ст. На половину внутренней поверхности баллона нанесен светочувствительный слой, в состав которого входит сурьма и цезий. Этот слой играет роль катода, с поверхности которого вырываются под действием света фотоэлектроны. Анод выполнен в виде металлической полусферы, помещенной в центре баллона.
Фотоэлемент освещается лампой с нитью накала в виде короткой спирали небольших размеров. Такой источник света с достаточной степенью точности можно считать точечным. Лампа питается от сети через понижающий трансформатор.
Общий вид установки показан на рис. 1. Фотоэлемент помещен в светонепроницаемый кожух 1 с отверстием, через которое свет поступает на фотоэлемент. Отверстие закрывается крышкой 2.
Внимание! Крышка, закрывающая фотоэлемент, должна открываться только на время проведения измерений, так как при длительном освещении фотоэлемента его чувствительность уменьшается, и фотоэлемент может выйти из строя.
Подсветка с фотоэлементом и осветитель 3 с лампой установлены на оптической скамье 4, на которой имеется миллиметровая шкала для отсчета расстояний от фотоэлемента до лампы. Напряжение, подаваемое на фотоэлемент, снимается с выходных клемм выпрямиПотенциометр для регулировки напряжения смонтирован внутри
выпрямителя.
Рис.1.
4). Порядок выполнения работы
а). Получение вольт-амперной характеристики фотоэлемента.
1. Обратиться к лаборанту с просьбой включить лампу.
2. Открыть фотоэлемент. Подать на него напряжение 240 В. Установить фотоэлемент на таком расстоянии от лампы, при котором сила тока будет равна 100 мкА. Измерить это расстояние. При отсчете расстояния r к величине x, отсчитанной по линейке от краев подставок, следует прибавить расстояние а от края подставки до нити лампы и расстояние b от края подставки до плоскости фотокатода, которые указаны на приборах (рис.1.).
3. Уменьшить напряжение на фотоэлементе до 10В и произвести отсчет фототока по шкале микроамперметра. Увеличить напряжение до 20 В и вновь измерить фототок. Увеличивая постепенно напряжение до 240 В, через каждые 20 В производить отсчеты фототока.
Полученные денные занести в табл.1.
4. Уменьшить напряжение на фотоэлементе до нуля и закрыть фотоэлемент крышкой, выключить лампу.
б). Получение световой характеристики фотоэлемента.
1. Поставить фотоэлемент и лампу на противоположных концах скамьи. Подать на фотоэлемент напряжение 240 В. Включить лампу.
2. Открыть крышку, закрывающую фотоэлемент. Медленно приближать фотоэлемент к лампе до тех пор, пока стрелка микроамперметра не покажет 100 мкА. Измерить расстояние от фотоэлемента до лампы и данные занести в табл.2. Отодвинуть фотоэлемент от лампы
на такое расстояние, чтобы сила тока уменьшилась до 90 мкА, измерить расстояние. Отодвигая каждый раз фотоэлемент так, чтобы сила тока уменьшалась на 10 мкА, измерять расстояние. Получить таким образом 10 значений тока и, соответственно, расстояний. Данные занести в табл.2.
3. Закрыть фотоэлемент, выключить лампу, уменьшить напряжение до 0. Обратиться к лаборанту с просьбой выключить выпрямитель.
5. Обработка результатов измерений.
1. Построить вольт-амперную характеристику фотоэлемента, пользуясь данными табл.1.
2. Вычислить по формуле (2) световой поток, падающий на фотоэлемент при различных его расстояниях от источника света.
Сила света лампы и величина площади фотокатода указаны на приборах. Данные занести в табл.2. По полученным данным достроить график зависимости фототока от светового потока.
3. Вычислить по формуле (3) чувствительность фотоэлемента при различных условиях освещенности, данные занести в табл.2.
Таблица.1.
№ п/п | Напряжение на фотоэлементе U, B | Фототок I, мкА; r = … см |
1 | 10 | |
2 | 20 | |
… | … |
Таблица.2.
№ п/п | Расстояние от элемента до лампы r = x+a+b | Фототок iH, мкА; U=240B | Световой поток Ф, люмен | Чувствительность фотоэлемента
|
, мкА/лм6). Контрольные вопросы.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 |
