Вимірювання температури спіралі
Температуру спіралі лампи розжарення в даній роботі вимірюють за допомогою оптичного пірометра.
Пірометрами (від грец. πυρός – вогонь, μετρέω – вимірюю) називають оптичні прилади для безконтактних (дистанційних) вимірювань температури розжарених тіл. Майже усі пірометричні методи базуються на вимірюванні інтенсивності теплового випромінювання. Оскільки інтенсивність теплового випромінювання різко спадає при зменшенні температури тіл, методи пірометрії застосовують для вимірювання відносно високих температур (розплави металів, полум’я плазми, розряду електричної дуги, поверхні зірок тощо). Пірометричні методи вимірювання температури при t < 1000оС відіграють в цілому другорядну роль, при t > 1000оС стають головними, а при t > 3000оС – практично єдиними. До недоліків методів пірометрії слід віднести невелику точність ~ 3 – 10 %.
В даній роботі застосовується яскравісний пірометр ОППИР-017 із зникаючою ниткою. Пірометри такого типу забезпечують найбільшу точність вимірювань в діапазоні 103…104 К. В простіших візуальних пірометрах із зникаючою ниткою об’єктив фокусує зображення поверхні досліджуваного тіла (спіралі лампи) на площину, в якій розташоване зображення нитки спеціальної пірометричної лампи розжарення. Через окуляр пірометра нитку розглядають на фоні зображення тіла і, змінюючи струм розжарювання нитки, домагаються, аби яскравості нитки і тіла зрівнялися (нитку не можна розрізнити на фоні тіла). Шкалу електровимірювального приладу, який реєструє силу струму розжарювання нитки, градуюють звичайно у оС або К, і в момент зрівнювання яскравостей нитки та тіла прилад показує температуру тіла.
Відмітимо, що при використовуванні візуальних пірометрів помітні похибки вимірювань можуть вносити індивідуальні особливості ока спостерігача.
При вимірюваннях температур t > 3000оС слід користуватися спеціальним червоним світлофільтром (λ ≈ 600 нм), а відлік температури виконувати по другій, паралельній шкалі.
ВИЗНАЧЕННЯ СТАЛОЇ ПЛАНКА
ЗА ДОПОМОГОЮ ФОТОЕЛЕМЕНТА
В роботі вивчається явище зовнішнього фотоефекту. Фотоефектом (фотоелектричним ефектом, фотоелектричною емісією) називають звільнення електронів, що знаходяться в речовині у зв’язаному стані, під дією короткохвильового електромагнітного випромінювання. Розрізняють зовнішній та внутрішній фотоефект. При зовнішньому фотоефекті відбувається випускання (емісія) електронів з поверхні тіла у вакуум під дією випромінювання. Зовнішній фотоефект спостерігається в будь-яких твердих тілах – металах, напівпровідниках, діелектриках, а також у газах на окремих атомах та молекулах (фотоіонізація).
Фотоефект – явище суто квантове. Відкриття (Г. Герц, 1887) та дослідження (А. Столетов, Ф. Ленард, 1888-1889) фотоефекту відіграло важливу роль в експериментальному обґрунтуванні квантової теорії. Ейнштейн, розвиваючи гіпотезу Планка, у 1905 р. дійшов висновку про наявність у електромагнітного випромінювання корпускулярних властивостей. Введене ним уявлення про кванти випромінювання – частинки світла, які пізніше одержали назву фотонів 1), – дозволило пояснити незрозумілі в межах електромагнітної теорії експериментальні закономірності фотоефекту.
Для експериментального вивчення фотоефекту всередину вакуумної трубки з кварцовим віконцем,рисунок 1, поміщають пластинку досліджуваного металу К, яка називається фотокатодом. Пучок монохроматичного світла, проходячи крізь кварцове віконце, освітлює фотокатод і вибиває з нього електрони е – фотоелектрони. Кварцове скло застосовується тому, що воно пропускає не тільки видиме світло, але і ультрафіолетове випромінювання. Друга металева пластина Аслужить анодом (колектором електронів). Між катодом та анодом створюється електричне поле, під дією якого фотоелектрони прямують до анода і створюють в колі електричний струм – фотострум, величина якого вимірюється гальванометром G.
Найважливіші закономірності зовнішнього фотоефекту такі:
1) Максимальна кінетична енергія фотоелектронів не залежить від інтенсивності падаючого світла, а визначається лише його частотою, а саме, лінійно зростає з частотою (перший закон фотоефекту).
2) При фіксованій частоті світла сила фотоструму (тобто повна кількість фотоелектронів, емітованих поверхнею металу за 1с) пропорційна інтенсивності світлового потоку (другий закон фотоефекту).
3) Для кожної речовини існує своя “червона межа” фотоефекту – λ0 або ν0.Фотоефект спостерігається лише тоді, коли довжина хвилі λ падаючого світла не перевищує певного, характерного для даної речовини, значення λ0, або коли частота світла не менше відповідного значення 
, де c – швидкість світла (третій закон фотоефекту).
З третього закону витікає, що фотоефект відноситься до так званих порогових явищ.
Відмітимо також, що зовнішній фотоефект практично безінерційне явище, тобто фотострум в колі, рисунок 1, виникає і припиняється без затримки в часі, одночасно з початком та припиненням освітлювання фотокатоду навіть при дуже малій інтенсивності світлового потоку.
З точки зору класичної хвильової теорії світла закони фотоефекту незбагнені, в той же час квантова теорія дозволяє пояснити їх просто і зрозуміло.
В рамках квантової теорії зовнішній фотоефект розглядається як результат взаємодії фотонів з електронами провідності, які знаходяться поблизу поверхні металу. Як свідчить теорія, електрон у вільному стані не може поглинути фотон, оскільки при цьому не можуть бути одночасно виконані закони збереження енергії та імпульсу. Фотоефект з твердих, рідких тіл, а також з атомів та молекул стає можливим через існування зв'язку електрона з оточенням. Цей зв'язок характеризується роботою виходу А електрона. Під роботою виходу розуміють енергію, яку необхідно затратити для вилучення електрона з твердої або рідкої речовини у вакуум в стан з кінетичною енергією, рівною нулю.
При взаємодії з одним з електронів речовини фотон цілком передає йому свою енергію і припиняє своє існування (поглинається). Якщо енергія фотона hν достатньо велика, електрон здатен подолати сили, які утримують його в речовині, і вилетіти у вакуум. Застосувавши до електрон-фотонної взаємодії закон збереження енергії, Ейнштейн одержав рівняння для визначення максимальної швидкості vm фотоелектронів:
(1)
де m – маса електрона, h = 6,625·10–34 Дж · с – стала Планка, А – робота виходу. Це рівняння добре узгоджується з експериментом і дозволяє зрозуміти основні закономірності фотоефекту. Воно пояснює, зокрема, чому при зменшенні частоти падаючого світла, при деякій певній частоті ν0, фотоемісія електронів припиняється: електрон не може покинути метал, якщо енергія, надана йому фотоном, менша за роботу виходу А. Тому мінімальна частота світла ν0 – червона межа, при котрій ще можливий фотоефект, визначається з співвідношення:
(2)
Отже, не будь-яке випромінювання здатне спричинити фотоефект. Наявність червоної межі – одна з суттєвих особливостей фотоефекту.
Кількісною характеристикою фотоефекту є квантовий вихід Y–кількість утворених фотоелектронів на один фотон, що падає на поверхню тіла. Величина Y залежить від властивостей тіла, стану його поверхні та енергії фотонів. Поблизу порогу фотоефекту для більшості металів Y~10–4 електрон/фотон. Мале значення квантового виходу обумовлено тим, що світло проникає у метал на глибину ~10–7 м і там в основному поглинається. Фотоелектрони, рухаючись в металі до поверхні, сильно взаємодіють з електронами провідності, котрих в металі багато, і швидко втрачають енергію, одержану від випромінювання. Енергію, достатню для здійснення роботи виходу, збережуть тільки ті фотоелектрони, які були утворені поблизу поверхні на глибині ~10–9 м. Другою причиною зменшення величини Yє властивість поверхні металів сильно відбивати випромінювання у видимій та ближній ультрафіолетових областях. При зростанні енергії фотонів квантовий вихід збільшується.
Для чистих поверхонь більшості металів, крім лужних, A>3еВ (таблиця 1). Тому фотоефект на металах спостерігається переважно в ультрафіолетовій, а для лужних металів – у видимій області.
Таблиця 1 – робота виходу електронів при зовнішньому фотоефекті
| Катод | А,eB | Катод | А,eB | Катод | А,eB | Катод | А,eB | Катод | А,eB |
| Li K Cs | 2,38 2,22 1,89 | Ni W Fe Cu | 4,50 4,54 4,31 4,40 | Ag Au Al Sn | 4,30 4,30 4,25 4,39 | Pt Hg Zn Ge | 5,32 4,52 4,24 4,76 | Si Ag2O(Cs) Ta(Cs) Ni(Cs) | 4,80 0,75 1,1 1,37 |
За допомогою спеціальних покрить можна домогтися різкого зменшення роботи виходу і одночасно збільшення квантового виходу. З цією метою при виготовленні фотокатодів чисту поверхню металів вкривають моноатомним шаром електропозитивних атомів або молекул (Cs, Rb, Na, K, Ag, Cs2Sb), які утворюють на поверхні металу подвійний електричний шар, подібний двом обкладинкам зарядженого конденсатора. Напрям електричного поля всередині подвійного шару (між поверхнею металу та покриттям) сприяє виходу електрона з металу у вакуум, що призводить до зменшення роботи виходу та зростання квантового виходу. Наприклад, робота виходу з чистої поверхні Ni дорівнює 4,50 eB, а в присутності покриття з атомів Cs зменшується до 1,37 eB 2). Адсорбція газів на поверхні фотокатода значно погіршує його характеристики.
Рівняння Ейнштейна (1) відноситься до окремого акту взаємодії одного фотона з одним електроном. Збільшення інтенсивності світла веде лише до зростання кількості фотонів, а відтак до збільшення числа зіткнень в одиницю часу електронів з фотонами. Звідси – пряма залежність між інтенсивністю падаючого світла і кількістю утворених фотоелектронів, тобто силою фотоструму в колі, рисунок 1. Залежність сили фотоструму Iвід напруги Uміж катодом та анодом фотоелемента називають вольт-амперною характеристикою фотоелемента (рисунок 2). При збільшенні U від нуля (область U > 0 відповідає прямому включенню фотоелемента в коло, показаному на рисунку 1) сила фотоструму монотонно зростає, прямуючи до певного значення Iнас – фотоструму насичення, яке залежить від інтенсивності світла, падаючого на фотокатод. При зміні полярності включення фотоелемента (зворотне включення) електричне поле між катодомта анодомбуде гальмувати рух фотоелектронів, внаслідок чого спостерігається поступове зменшення сили фотоструму до повного його припинення при деякій величиніUз, яка називається затримуючою напругою (затримуючим потенціалом). Зворотному включенню фотоелемента відповідає на вольт-амперній характеристиці область U < 0. Існування фотоструму при U < 0 свідчить про відмінну від нуля початкову кінетичну енергію фотоелектронів. Максимальна початкова швидкість vm фотоелектронів пов’язана з величиною затримуючої напруги співвідношенням:
, (3)
де e та m – заряд і маса електрона.
Враховуючи (3), рівняння (1) можна подати у вигляді:
, (4)
Отже, при експериментальному дослідженні фотоефекту визначення максимальної кінетичної енергії фотоелектронів зводиться до вимірювання відповідної затримуючої різниці потенціалів. В цьому полягає суть методу затримуючої напруги. Рівняння (4) дозволяє за відомою частотою ν монохроматичного світла визначити роботу виходу Aфотоелектронів для даного матеріалу.
На ранньому етапі розвитку квантової теорії фотоелектричні вимірювання відіграли важливу роль при визначенні однієї з фундаментальних величин – сталої Планка. Для визначення сталої Планка можна також застосувати рівняння (4). В тих випадках, коли робота виходу для фотокатода відома не достатньо точно або взагалі не відома, виконують вимірювання затримуючої напруги для декількох частот монохроматичного світла в області чутливості фотокатода. Відтак, записавши рівняння (4) для двох різних частот ν1 та ν2
та 
і вилучаючи з цих рівнянь А, дістанемо формулу для визначення сталої Планка:
. (5)
В даній лабораторній роботі для фотоелектричних вимірювань використовується серійний вакуумний фотоелемент СЦВ–4, виготовлений у вигляді скляного балона, всередині якого розміщені фотокатод та колектор електронів (рисунок 3). Фотокатод являє собою тонкі шари сурми та цезію, нанесені на одну з половин внутрішньої поверхні скляного балона. Як було сказано раніше, матеріал фотокатода вибирається залежно від області застосування фотоелемента. Так, сурм’яно-цезієві фотокатоди чутливі до ультрафіолетової та частини видимої області спектра (~ до 600 нм). Металевий анод фотоелемента розташований у центральній частині скляного балона. Електричні контакти вмонтовані у цокольфотоелемента. Світло від лампи розжарення освітлювача проходить крізь оптичний фільтр з відомою (ефективною) довжиною хвилі і падає на фотокатод. Фотострум, що виникає в колі фотоелемента, контролюється по шкалі гальванометра G. Різниця потенціалів між катодом і анодом фотоелемента відповідає зворотному включенню, регулюється потенціометром R і вимірюється вольтметром V.
ДОСЛІДЖЕННЯ СПЕКТРА ВИПРОМІНЮВАННЯ
АТОМАРНОГО ВОДНЮ.
ВИЗНАЧЕННЯ СТАЛОЇ РІДБЕРГА ТА МАСИ ЕЛЕКТРОНА
В другій половині XIX ст. на основі численних та ретельних досліджень спектрів випромінювання тіл було встановлено, що випромінювання речовини в газоподібному стані, тобто ізольованих атомів, складається з окремих, різко означених ліній. В зв’язку з цим спектри випромінювання атомів були названі лінійчатими. Атомикожного хімічного елемента випромінюють притаманний тільки їм лінійчатий спектр. Вид спектрів не залежить від способу їх збудження, тобто цілком визначається внутрішньою будовою атомів. Вимірявши спектр, можна безпомилково визначити елемент, котрому цей спектр належить, тобто спектри випромінювання атомів відіграють роль “відбитків пальців” елемента.
Однією з найважливіших у фізиці початку ХХ ст. стала проблема пошуку та теоретичного обґрунтування закономірностей розташування ліній в спектрах випромінювання атомів.
Першим успішним кроком в напрямку з’ясування внутрішньої будови атомів стали досліди Резерфорда (1911), в яких вінспостерігав розсіювання α-частинок атомами речовини. Результати цих експериментів стали основою відомої планетарної (ядерної) моделі атома, згідно якій атом складається з малого за розмірами, < 10–14 м, позитивно зарядженого ядра, в якому зосереджена майже уся, > 99,95%, маса атома, та негативно заряджених легких електронів, які обертаються навколо ядра по замкнутих орбітах. Проте, з точки зору класичної електродинаміки, такий атом не може існувати в незмінному (стабільному) стані, оскільки електрони внаслідок руху з прискоренням повинні випромінювати енергію у вигляді електромагнітних хвиль, частота яких співпадає з частотою обертання електрона навколо ядра. Втрачаючи енергію на випромінювання, електрони будуть поступово наближатися до ядра і атоми дуже швидко припинять своє існування (за розрахунками час падіння електронів на ядро ~ 10–8 с). Разом з тим і частота обертання електронів за таких умов мала би безперервно зростати, і спектр випромінювання атомів був би суцільний, а не лінійчатий. Отже, перші спроби застосувати закони класичної фізики до атомних систем свідчили про неспроможність такого підходу.
У 1913 р. Н. Бор, працюючи над проблемою будови атома, дійшов висновку, що, залишаючись на позиціях класичної електродинаміки, неможливо розробити теорію будови атома, яка пояснювала би і результати дослідів Резерфорда, і спектральні закономірності, і ряд інших дослідних фактів. Тому Бор, взявши за основу модель атома, запропоновану Резерфордом, доповнив її новими гіпотезами (Бор назвав їх постулатами – недоведеними припущеннями), котрі суттєво суперечили класичній електродинаміці.
Модель Бора відіграла виключно важливу роль в розвитку основних ідей квантової теорії. В наш час модель атома Бора втратила своє наукове значення, але без вивчення її важко зрозуміти перехід до більш строгих, але і більш абстрактних понять квантової механіки, які сформувалися в процесі розвитку саме теорії Бора.
Дата добавления: 2015-10-06; просмотров: 927;