Материал: Методические указания для выполнения лабараторных работ. Оптика и атомная физика

Таблица 11.2

Контрольные вопросы

Дайте определение теплового излучения и перечислите его основные свойства.

Что означает: тепловое излучение является равновесным?

77

Как называются виды излучения, отличные от теплового?

Сформулируйте основные законы теплового излучения: Кирхгофа, Стефана-Больцмана и два закона Вина.

Докажите второй закон Вина, подставив первый закон Вина в функ-цию Планка.

Что такое оптическая пирометрия? Какой прибор используется для измерения температуры в оптическом пирометре и в каких единицах он про-градуирован?

Дайте определение АЧТ и серого тела. Какое тело в данной работе яв-ляется АЧТ, а какое серым телом. Температуру какого из этих тел измеряет пирометр в данной работе, а температура какого рассчитывается? Как назы-вается эта температура и почему?

Объясните, в чем заключалась «ультрафиолетовая катастрофа» теории Рэлея–Джинса.

Напишите формулу Планка для спектральной энергетической свети-

мости АЧТ температур

0

,T

. Постройте графики функции Планка для двух значений

T2 T1.

Какой из законов теплового излучения проверяется в данной работе

какие два способа для его проверки можно предложить?

Два тела имеют одинаковую яркость свечения в узком диапазоне частот. При каких соотношениях между поглощательными способностями тел возмож-

ны следующие варианты неравенства температур: T₁ T₂, T₁ T₂, T₁ T₂?

Два тела имеют одинаковую температуру. При использовании зеле-ного светофильтра наблюдается одинаковая яркость свечения тел. По какой причине может нарушиться равенство яркости свечения этих тел, если заме-нить зеленый светофильтр синим?

Шар и тонкая пластина имеют одинаковую массу. При пропускании электрического тока в них выделяется равное количество теплоты. Темпера-тура какого тела достигнет большего значения в состоянии термодинамиче-ского равновесия?

Лабораторная работа 12. Исследование внешнего фотоэффекта

Цель работы: исследование закономерностей эффекта фотоэлектронной эмиссии (внешнего фотоэффекта); измерение работы выхода электрона и красной границы эффекта для материала фотокатода.

78

Схема установки. Электрическая схема установки представлена

на

фо-

Он обеспечивает протекание тока разной величины в нити лампы нака-ливания Л1 . С помощью переключателя S2 обеспечивается прямое или об-ратное подключение фотоэлемента ФЭ к источнику напряжения.

Рис. 12.1. Электрическая схема установки для исследования внешнего фотоэффекта

Для изменения прямого и обратного напряжения между электродами ФЭ электрическая схема содержит, соответственно, потенциометры R1 и R2 − R3 . Сила фототока фотоэлемента измеряется микроамперметром РА, а напряже-ние между его электродами контролируется вольтметром PU .

Общие сведения

Фотоэлектронная эмиссия (внешний фотоэффект) – это поток электро-нов, который возникает при облучении светом поверхности металла и направлен (при наличии внешнего напряжения между катодом и анодом установки) вдоль нормали к поверхности. В результате эмиссии электронов в фотоэлементе изменяется, например, электропроводность вакуумного про-межутка между двумя металлическими электродами. Измерение силы тока, протекающего в этом промежутке при разной освещенности фотокатода, при разном спектральном составе излучения и т. д., составляет основу метода экспериментального исследования внешнего фотоэффекта.

В фотоэффекте проявляется корпускулярные свойства электромагнитно-го излучения. В квантовой теории электромагнитное излучение представляют

79

импульсом p = hν c _.

Неупругое столкновение (поглощение) фотона с электроном проводимо-сти металла приводит к его выходу за пределы вещества. Процесс выхода

преодоление потенциального барьера, удерживающего электрон внутри ме-талла, минимальную частоту фотона ν 0 = с λ0 , при которой начинается фо-тоэффект, и соответствующую ей длину волны фотона λ0 называют красной

понимают напряжение между катодом и анодом установки, полностью гася-щее кинетическую энергию вылетающих из металла электронов. Соотноше-ние (12.1) носит название уравнения Эйнштейна для фотоэффекта.

При фотоэффекте лишь малая доля падающих на металл фотонов при-водит к выбиванию электронов из образца. Это связано, прежде всего, с ма-лой глубиной выхода фотоэлектронов, которая значительно меньше глубины поглощения света в металле. Большинство фотоэлектронов имеют энергию ниже работы выхода или рассеивает свою энергию до подхода к поверхности

теряет возможность выйти наружу. Кроме того, коэффициент отражения падающего излучения в видимой и ближней УФ-областях велик, и лишь ма-лая часть излучения поглощается в металле. Число эмитированных электро-нов в расчете на один фотон, падающий на поверхность тела, называется квантовым выходом η . Величина η определяется свойствами вещества, со-

стоянием его поверхности и энергией фотонов.

В результате количество вышедших электронов dN_e оказывается про-

порционально количеству фотонов dN , падающих на поверхность металла в течение времени dt :

dN _e dt = η dN dt (12.2)

80

Исследуемые закономерности

Для исследования внешнего фотоэффекта в работе используется ваку-умный диод (фотоэлемент СЦВ-4), содержащий два металлических электро-да (анод и катод) внутри стеклянной оболочки. При комнатной температуре в вакуумном промежутке между электродами содержится незначительное ко-личество электронов, возникающее за счет эффекта термоэлектронной эмис-сии металла. Освещение поверхности катода приводит к увеличению числа свободных электронов в этой области.

Зависимость силы тока I от напряжения U на фотоэлементе имеет нели-нейный характер. Причина нелинейности вольтамперной характеристики I(U) – неоднородность распределения по скоростям вышедших из катода электронов вследствие их теплового движения. В случае отрицательной по-лярности подключения внешнего источника к электродам фотоэлемента с ро-стом напряжения U уменьшается доля электронов, имеющих кинетическую энергию, достаточную для достижения анода, и уменьшается ток I. При не-

котором значении обратного напряжения U = Uз полученной при фотоэлек-

тронной эмиссии кинетической энергии электронов оказывается недостаточ-но, чтобы преодолеть тормозящее действие поля и сила тока, протекающего через фотоэлемент, обращается в ноль I (Uз ) = 0 . Запирающее напряжение Uз в опыте измеряется прямым методом и с точностью до постоянного мно-жителя e (элементарный заряд) совпадает с кинетической энергией фото-электрона, если она измеряется в электрон-вольтах.

U	з	=	h	(ν−ν	0	) = a( ν − ν	0	)
			e