I Часть. Общие положения теории к лабораторном работам по атомной физике (стр. 6 )

1.В чем состоит явление внешнего фотоэффекта? Внутреннего фотоэффекта? фотоэффекта в запирающем слое?

2.Нарисуйте графики зависимости фототока от напряжения для двух значении светового потока Ф1 и Ф2 одной и той же частоты, причем Ф1 > Ф2 .

3.Нарисуйте графики зависимости фототока от напряжения при:

а) Ф=const,

б) Ф=const,

4.Напишите и объясните смысл уравнения Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

5.Что называется задерживающим потенциалом? Как он зависит от частоты света, освещающего фотоэлемент?

6.  Что такое красная граница фотоэффекта?

7.  Как объяснить то, что скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света?

8.  Какие закономерности фотоэффекта не смогла объяснить волновая теория света?

9. Как, используя явление фотоэффекта, можно определить постоянную Планка?

10.  Каково устройство вакуумного фотоэлемента?

11.  При каких условиях в данной работе можно пользоваться

формулой ?

12*. Как можно вычислить максимальную скорость фотоэлектро­нов при внешнем фотоэффекте, если известно, что фототок прекра­щается при напряжении U ?

13.Красная граница фотоэффекта для некоторого металла равна 600 нм. Чему равна работа выхода для этого металла? Выразите работу выхода, в эВ. 1эВ=1,6*10-19Дж, h =6,63*10-34Дж*с.

14.Как объясняется линейная зависимость фототока насыщения от светового потока для вакуумных фотоэлементов?

15.15. Красная граница фотоэффекта для некоторого металла равна I,2*I015 Гц. При какой длине волны света, освещающего металл, максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов будет равна 1,3 эВ? 1эВ=1,6*10-19Дж, h =6,63*10-34Дж*с.

16.16. На незаряженную металлическую пластинку направили пучок рентгеновских лучей. Когда пластинка зарядилась до потенциала 124 В, испускание электронов из нее прекратилось. Определить длину волны рентгеновских лучей. Работой выхода электрона из металла можно пренебречь е =1,6*10-19Кл, h =6,63*10-34Дж*с.

17.Нарисуйте график зависимости задерживающего потенциала от частоты падающего света при внешнем фотоэффекте и поясните, как с его помощью можно определить постоянную Планка, работу выхода электрона из вещества и красную границу фотоэффекта.

18.Красная граница фотоэффекта для платины равна 198 нм. Если платину прокалить при высокой температуре, то красная граница становится равной 220 нм. Насколько прокаливание уменьшает работу выхода (в эВ) электрона? 1эВ=1,6*10-19Дж, h =6,63*10-34Дж*с.

19.Найти частоту света, вырывающего с поверхности металла электроны, полностью задерживаются обратным потенциалом в 3 В. Фотоэффект у этого металла начинается при частоте падающего света 6*1014Гц. 1эВ=1,6*10-19Дж, h =6,63*10-34Дж*с.

20. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов оказа­лась в 2 раза больше работы выхода их из некоторого металла. Светом какой частоты освещался металл, если задерживающая раз­ность потенциалов составила 2 В? 1эВ=1,6*10-19Дж, h =6,63*10-34Дж*с.

21. Красная граница фотоэффекта для рубидия равна 810 нм. Какую обратную разность потенциалов нужно приложить к фотоэлементу, чтобы задержать электроны, испускаемые рубидием под действием УФ лучей с длиной волны 100 нм? 1эВ=1,6*10-19Дж, h =6,63*10-34Дж*с.

22.Фотоэлектроны, вырываемые с поверхности некоторого металла светом с частотой 2,2*1015Гц, полностью задерживаются по­тенциалом 6,6 В, а вырываемые светом с частотой 4,6*1015 Гц - потенциалом 16,5 В. Найти по этим данным постоянную Планка (этот метод измерения постоянной Планка был предложен академиком Д. И Лукирским). 1эВ=1,6*10-19Дж, h =6,63*10-34Дж*с.

23. На уединенный медный шарик падает монохроматический свет о длиной волны 0,165 мкм. До какого максимального потенциала мо­жет зарядиться шарик? Работа выхода электрона из меди 4,5 эВ. 1эВ=1,6*10-19Дж, h =6,63*10-34Дж*с.

24. Задерживающий потенциал при освещении металла светом с длиной волны оказался в 2 раза больше, чем при освещении светом с длиной волны . Как по этим данным можно найти ра­боту выхода электрона из данного металла? Какие константы долж­ны быть при этом известны?

25. Фотоэлемент освежается светом с длиной волны λ. Работа выхода электрона из катода равна А. Найти, какой импульс будет иметь электрон, вылетающий из катода. Электрон считать нерелятивистским.

Лабораторная работа № 000.

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ С ПОМОЩЬЮ

ПИРОМЕТРА С ИСЧЕЗАЮЩЕЙ НИТЬЮ

1). Цель и содержание работы.

Целью работы является ознакомление с законами теплового излучения реальных тел и с одним из наиболее распространенных ме­тодов измерения температуры с помощью пирометра с исчезающей нитью. Содержание работы заключается в измерении яркостной температуры Тя нити лампы накаливания в зависимости от элек­трической мощности, расходуемой лампой, и в определении расчетным путем истинной температуры Т нити.

2). Краткая теория работы.

а). См. Ч.1, гл.1, §§1-7

б). Вывод расчетной формулы.

Энергетическая светимость АЧТ связана с его температурой по закону Стефана-Больцмана:

Для реальных тел этот закон приобретает иной вид. Например, для платины в интервале температур 700-1800 К R ~Т5

Это объясняется тем, что любое реальное тело обличается от АЧТ: оно не только поглощает или излучает, но и отражает, а в общем случае и пропускает электромагнитное излучение. В связи с этим тепловое излучение реальных тел всегда отличается от излучения АЧТ.

Для реальных непрозрачных тел, в том числе металлов, спектральное распределение энергии излучения может быть охарактеризовано произведением функции Планка r*(λ ,T) (спектрального распределения энергии излучения AЧT) и некоторой функции ξ(λ,Т),характеризующей излучательную способность поверхности тела в данных условиях:

Величину ξ называют степенью черноты тела. Для некоторых тел ξ не зависит от λ. Такие тела называются серыми. Иногда ξ оказывается постоянной величиной для некоторого интервала длин волн или некоторого температурного интервала. Так, например, для вольфрама в видимой области спект­ра ξ =0,43. Степень черноты показывает, во сколько раз спектральная плотность излучения реального тела отличается от спек­тральной плотности АЧТ.

Окисленные поверхности вольфрама, никеля и некоторых других металлов близки по своим свойствам к серым телам. Для них закон интегрального излучения имеет вид (ср. с 1-7 для АЧТ):

, (1)

где коэффициенты b и n различны для разных тел и могут также заменяться с изменением температуры.

Поток излучения, идущий от нагретой нити исследуемой лампы, равен Ф=RS, где R - энергетическая светимость, S - площадь поверхности нити. С достаточной степенью точности можно считать, что вся электрическая энергия, подводимая к исследуемой лампе, расходуется на тепловое излучение. Следовательно, Ф=N=RS (N=IU - электрическая мощность, I - сила тока, U - напряжение на лампе). Тогда закон интегрального излучения (3) примет вид: N=BSTn Прологарифмировав это выражение, получим:

lgN=lg(BS)+nlgT

Из этого соотношения видно, что, если построить график зависимости lgN от lgT, мы получим прямую линию, по наклону которой к оси абсцисс можно оценить величину n.

Во всех вышеприведенных формулах под Т подразумевалась истинная температура тела. В данной работе с помощью пирометра измеряется так называемая яркостная температура Т. За яркостную температуру исследуемого тела принимается такая темпера­тура АЧТ, при которой его спектральная плотность совпадает со спектральной плотностью исследуемого тела (при одной и той же длине волны):

(2)

Так как при данной температуре АЧТ излучает всегда больше, чем любое реальное тело, при равенстве яркостей АЧТ и исследуемого тела истинная температура последнего будет всегда больше яркостной на некоторую величину:

(3)

Воспользовавшись формулой Вина (4.1-6), можно получить связь между Т и Тя и найти поправку ΔТ. Действительно, из условия (2) получим

,

отсюда

, (4)

где λэ – длина световой волны (эффективная) используемого спектрального интервала.

Так как Тя близко к Т, то ТТя=Тя2, и из формулы (4) получим:

, (5)

(λэ=6,67*10-7м, с2=1,43*10-4мкм*К, для вольфрама ξ=0,43, ln ξ=-0.84).

3. Приборы и принадлежности для выполнения работы

В работе исследуется тепловое излучение лампы с вольфрамовой нитью накала. Общий вид установки показан на рис. 1: I - иссле­дуемая лампа в защитном кожухе, 2 - пирометр. 3 - источник питания исследуемой и пирометрической ламп, (стабилизированный выпря­митель Б5-21). Напряжение, подаваемое на исследуемую лампу, регу­лируется ступенчатым переключателем 4 и ручкой 5 плавной регулировки. Сила тока, протекавшего через лампу, и напряжение на лам­пе измеряется соответственно амперметром 6 и вольтметром 7. Напряжение, подаваемое на пирометрическую лампу, регулируется коль­цевым реостатом, установленным внутри пирометра (6 - на рис. 2, 4 - на рис.3).Для измерения яркостной температуры нити исследуемой лампы применяется пирометр с исчезающей нитью ОППИР-017. Оптическая схема пирометра и электрические схемы питания ламп представлены на рис.2. С помощью объектива I изображение поверхности нити 2 исследуемой лампы (объекта) проецируется в плоскости, в которой расположена нить 3 лампы пирометра. Изображение объекта 2 и нить 3 рассматриваются с помощью окуляра 4. За окуляром находится красный светофильтр 5 с эффективной длиной волны пропускаемого света, равной λ, =660 нм = 6,6*10-7м.