ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 25.01.2021
Просмотров: 1056
Скачиваний: 1
11
4.
Какой
физический
смысл
постоянной
Стефана
–
Больцмана
?
5.
Расскажите
об
устройстве
оптического
пирометра
.
6.
В
чем
преимущество
оптического
метода
измерения
температуры
?
7.
Какие
методы
измерения
температуры
вы
знаете
?
8.
Как
,
используя
распределение
Планка
,
получить
закон
Стефана
–
Больцмана
?
9.
Как
,
используя
распределение
Планка
,
получить
закон
смещения
Вина
?
РАБОТА
№
2
ИЗУЧЕНИЕ
ВНЕШНЕГО
ФОТОЭФФЕКТА
Приборы
и
принадлежности
:
монохроматор
УМ
-2,
вакуумный
фото
-
элемент
,
микроамперметр
,
источник
света
,
источник
постоянного
напряжения
.
Краткая
теория
Фотоэлектрическим
эффектом
,
или
фотоэффектом
,
называется
выби
-
вание
электронов
из
вещества
под
действием
света
(
видимого
,
инфракрас
-
ного
и
ультрафиолетового
).
Если
электроны
выходят
за
пределы
освещаемого
вещества
(
полное
освобождение
),
то
фото
-
эффект
называется
внешним
(
от
-
крыт
в
1887
г
.
Г
.
Герцем
и
подроб
-
но
исследован
в
1888
г
.
А
.
Г
.
Столе
-
товым
).
Если
же
электроны
теряют
связь
только
со
«
своими
»
атомами
и
молекулами
,
но
остаются
внутри
освещаемого
вещества
в
качестве
«
свободных
электронов
» (
частич
-
ное
освобождение
),
увеличивая
тем
самым
электропроводность
ве
-
ществ
,
то
фотоэффект
называется
внутренним
(
открыт
в
1873
г
.
американским
физиком
У
.
Смитом
).
Внешний
фотоэффект
наблюдается
у
металлов
.
Принципиальная
измерительная
схема
,
с
помощью
которой
исследовался
внешний
фотоэф
-
фект
,
изображена
на
рис
. 1.
Отрицательный
полюс
батареи
присоединен
к
металлической
пла
-
стине
К
(
катод
),
положительный
–
к
вспомогательному
электроду
А
(
анод
).
Оба
электрода
помещены
в
сосуд
,
имеющий
кварцевое
окно
O
(
прозрачное
для
оптического
излучения
).
Поскольку
электрическая
цепь
оказывается
разомкнутой
,
ток
в
ней
отсутствует
.
При
освещении
катода
К
свет
вырывает
из
него
электроны
(
фотоэлектроны
),
устремляющиеся
к
+
-
·
·
·
·
·
·
К
-
О
А
+
V
Г
Рис
. 1
12
аноду
,
и
в
цепи
появляется
ток
(
фототок
).
Схема
дает
возможность
изме
-
рять
силу
фототока
гальванометром
Г
и
скорость
фотоэлектронов
при
раз
-
личных
значениях
напряжения
U
между
катодом
и
анодов
при
различных
условиях
освещения
катода
.
Классическая
электродинамика
,
согласно
которой
свет
распростра
-
няется
в
виде
непрерывных
монохроматических
волн
,
не
может
объяснить
всех
закономерностей
фотоэффекта
.
Сущность
его
объясняется
квантовой
теорией
излучения
.
Излучение
света
происходит
не
непрерывно
,
а
отдель
-
ными
порциями
–
квантами
света
(
фотонами
).
Однако
явления
интерфе
-
ренции
и
дифракции
свидетельствуют
о
том
,
что
световое
излучение
обла
-
дает
также
и
волновыми
свойствами
.
Поэтому
каждому
кванту
может
быть
приписана
определенная
частота
.
Энергия
кванта
E = hv
,
(1)
где
h
–
постоянная
Планка
,
v
–
частота
света
.
По
этой
теории
световой
по
-
ток
определяется
числом
световых
квантов
(
фотонов
),
падающих
в
едини
-
цу
времени
на
поверхность
металла
.
Каждый
фотон
может
взаимодейство
-
вать
только
с
одним
электроном
.
Поэтому
максимальное
число
фотоэлек
-
тронов
должно
быть
пропорционально
световому
потоку
.
Если
энергия
фотона
передается
электрону
в
металле
,
то
поглощающий
электрон
должен
приобрести
энергию
,
равную
h
ν
.
Очевидно
,
часть
этой
энергии
электрон
должен
затратить
на
совершение
работы
выхода
А
,
под
которой
понимает
-
ся
минимальное
значение
энергии
,
необходимое
для
вывода
электрона
из
металла
.
Эта
доля
энергии
будет
большей
для
электрона
,
лежащего
на
не
-
которой
глубине
под
поверхностью
,
чем
для
выходящего
из
поверхностно
-
го
слоя
.
Оставшаяся
часть
этой
энергии
представляет
собой
кинетическую
энергию
фотоэлектрона
mV
2
/
2
(
где
m
–
масса
электрона
,
V
–
его
скорость
).
Тогда
согласно
закону
сохранения
энергии
можно
записать
hv = A + mV
2
/
2.
(2)
Эта
формула
,
предложенная
в
1905
г
.
А
.
Эйнштейном
и
подтвержденная
затем
многочисленными
экспериментами
,
называется
уравнением
Эйн
-
штейна
для
внешнего
фотоэффекта
.
Опытным
путем
установлены
следующие
основные
законы
внешне
-
го
фотоэффекта
.
1.
Фототок
насыщения
(
т
.
е
.
максимальное
число
электронов
,
осво
-
бождаемых
светом
в
1
с
)
прямо
пропорционален
световому
потоку
.
2.
Максимальная
начальная
скорость
фотоэлектронов
возрастает
с
увеличением
частоты
падающего
света
и
не
зависит
от
его
интенсивности
.
3.
Независимо
от
интенсивности
света
фотоэффект
начинается
толь
-
ко
при
определенной
(
для
данного
металла
)
минимальной
частоте
света
ν
кр
,
называемой
красной
границей
фотоэффекта
.
4.
Фотоэффект
возникает
и
исчезает
почти
одновременно
с
началом
и
прекращением
облучения
;
расхождение
во
времени
не
превышает
10
–9
с
.
13
Перечисленные
законы
внешнего
фотоэффекта
не
могут
быть
объяс
-
нены
волновой
теорией
света
.
Только
первый
закон
согласуется
с
этой
теорией
:
чем
больше
интенсивность
падающего
излучения
,
тем
большее
число
электронов
получит
энергию
,
необходимую
для
выхода
из
металла
.
Второй
и
третий
законы
объяснить
на
основе
волновой
теории
света
нельзя
.
Действительно
,
по
этой
теории
интенсивность
света
пропорцио
-
нальна
квадрату
амплитуды
электромагнитной
волны
.
Поэтому
свет
любой
частоты
,
но
достаточно
большой
эффективности
должен
был
бы
вырывать
электроны
из
металла
;
иначе
говоря
,
не
должно
было
бы
существовать
красной
границы
фотоэффекта
.
Этот
вывод
противоречит
третьему
закону
фотоэффекта
.
Далее
,
чем
больше
интенсивность
света
,
тем
большую
кинетическую
энергию
должен
был
бы
получить
от
него
электрон
.
Поэтому
скорость
фо
-
тоэлектрона
должна
была
бы
возрастать
с
увеличением
интенсивности
света
.
Этот
вывод
противоречит
второму
закону
фотоэффекта
.
Законы
внешнего
фотоэффекта
получают
простое
истолкование
на
ос
-
нове
квантовой
теории
света
.
Из
уравнения
Эйнштейна
(2)
непосредственно
видно
,
что
скорость
фотоэлектрона
возрастает
с
увеличением
частоты
света
и
не
зависит
от
его
интенсивности
(
поскольку
ни
А
,
ни
ν
не
зависят
от
интен
-
сивности
света
).
Этот
вывод
соответствует
второму
закону
фотоэффекта
.
Согласно
уравнению
(2),
с
уменьшением
частоты
света
кинетическая
энергия
фотоэлектронов
уменьшается
(
работа
выхода
А
постоянна
для
данного
освещаемого
вещества
).
При
некоторой
достаточно
малой
частоте
ν
=
ν
кр
(
или
длине
волны
λ
кр
=
с
/
ν
кр
)
кинетическая
энергия
фотоэлектрона
станет
равной
нулю
(
mV
2
/
2 = 0)
и
фотоэффект
прекратится
,
что
соответст
-
вует
третьему
закону
фотоэффекта
.
Это
имеет
место
при
h
ν
кр
= A,
т
.
е
.
в
случае
,
когда
вся
энергия
фотона
расходуется
только
на
совершение
рабо
-
ты
выхода
электрона
.
Тогда
ν
кр
=
А
/h
или
λ
кр
= hc/A.
(3)
Формулы
(3)
определяют
красную
границу
фотоэффекта
.
Из
этих
формул
следует
,
что
она
зависит
от
работы
выхода
,
т
.
е
.
от
материала
фотокатода
.
На
внешнем
фотоэффекте
основан
важный
физико
-
технический
при
-
бор
,
называемый
вакуумным
фотоэлементом
(
рис
. 2).
Катодом
К
вакуум
-
ного
фотоэлемента
служит
слой
металла
,
нанесенный
на
внутреннюю
по
-
верхность
вакуумного
стеклянного
баллона
В
.
Анод
выполнен
в
виде
ме
-
таллического
кольца
,
помещенного
в
центральной
части
баллона
.
При
ос
-
вещении
катода
в
цепи
фотоэлемента
возникает
электрический
ток
,
сила
которого
пропорциональна
световому
потоку
.
Большинство
современных
фотоэлементов
имеет
сурьмяно
-
цезиевые
или
кислородно
-
цезиевые
катоды
,
обладающие
высокой
фоточувствитель
-
ностью
.
Кислородно
-
цезиевые
к
инфракрасному
и
видимому
свету
(
чувст
-
вительность
20–80
мкА
/
лм
),
сурьмяно
-
цезиевые
–
к
видимому
и
ультра
-
фиолетовому
свету
(
чувствительность
50–150
мкА
/
лм
).
14
В
некоторых
случаях
для
увеличения
чувст
-
вительности
фотоэлемента
его
наполняяют
арго
-
ном
при
давлении
порядка
1
Па
.
Фототок
в
таком
фотоэлементе
усиливается
вследствие
ионизации
аргона
,
вызванной
столкновениями
фотоэлектро
-
нов
с
атомами
аргона
.
Фоточувствительность
газо
-
наполненных
фотоэлементов
составляет
около
1
мА
/
лм
.
В
настоящее
время
фотоэлементы
находят
широкое
применение
в
науке
и
технике
.
По
-
скольку
сила
фототока
пропорциональна
световому
потоку
,
фотоэлементы
используются
в
качестве
фотометрических
приборов
.
К
таким
приборам
относятся
,
например
,
люксметр
(
измеритель
освещенности
)
и
фотоэлек
-
трический
экспонометр
.
Фотоэлемент
позволяет
преобразовывать
колебания
светового
пото
-
ка
в
соответствующие
колебания
фототока
,
что
находит
применение
в
тех
-
нике
звукового
кино
,
телевидении
и
т
.
д
.
Исключительно
велико
значение
фотоэлементов
для
телемеханиза
-
ции
и
автоматизации
производственных
процессов
,
которые
в
сочетании
с
электронным
усилителем
и
реле
,
реагируя
на
световые
сигналы
,
управляют
работой
различных
промышленных
и
транспортных
установок
.
Описание
установки
В
данной
работе
для
изучения
внешнего
фотоэффекта
вакуумного
фотоэлемента
используется
призменный
монохроматор
-
спектроскоп
УМ
-2,
который
предназначен
для
спектральных
исследований
в
диапазоне
длин
волн
от
3800
до
10 000
Ǻ
(1
Ǻ
=10
–10
м
).
Рассмотрим
принцип
дейст
-
вия
простейшего
спектрального
прибора
с
призмой
для
исследования
фо
-
тоэффекта
.
Схема
его
изображена
на
рис
. 3.
Г
-
+
B
K
A
Рис
. 2
S
1
S
N
Фиолетовый
M
Красный
ФЭ
Белый
свет
S
2
L
2
L
1
Рис
. 3
мкА
Источник
напряжения
-
+
P
А
К
С
ве
т
15
Пучок
белого
света
от
источника
S
проходит
через
узкую
щель
S
1
,
находящуюся
в
фокальной
плоскости
линзы
L.
На
выходе
из
линзы
он
все
-
гда
будет
параллельным
.
Такие
устройства
,
назначение
которых
–
давать
параллельный
пучок
света
,
называются
коллиматорами
.
После
прохожде
-
ния
призмы
P,
способной
поворачиваться
,
и
преломления
в
ней
пучки
све
-
та
разных
длин
волн
фокусируются
линзой
L
2
в
ее
фокальной
плоскости
,
совмещенной
с
белым
непрозрачным
экраном
MN.
Поскольку
щель
S
1
параллельна
основанию
призмы
Р
,
то
на
экране
получится
ряд
монохроматических
(
цветных
)
изображений
этой
щели
–
сплошной
спектр
излучения
.
Последовательность
цветов
в
спектре
–
фио
-
летовый
,
синий
,
голубой
,
зеленый
,
желтый
,
оранжевый
,
красный
–
обу
-
словлена
разной
степенью
преломления
их
лучей
в
зависимости
от
длины
волны
λ
,
т
.
е
.
λ
ф
<
λ
с
<
λ
г
<
λ
з
<
λ
ж
<
λ
о
<
λ
кр
.
В
сплошном
спектре
пере
-
ход
от
одного
цвета
к
другому
совершается
постепенно
и
непрерывно
.
Да
-
лее
,
любой
из
участков
сплошного
спектра
через
щель
S
2
может
быть
на
-
правлен
на
фотоэлемент
ФЭ
.
К
аноду
А
и
катоду
К
фотоэлемента
подклю
-
чены
соответственно
положительный
и
отрицательный
полюсы
источника
постоянного
напряжения
,
а
фототок
фиксируется
микроамперметром
.
Монохроматор
УМ
-3
представляет
собой
сложный
оптический
прибор
,
внешний
вид
которого
с
другими
принадлежностями
приведен
на
рис
. 4.
Основные
части
монохроматора
–
коллиматор
К
,
призма
Р
с
пово
-
ротным
механизмом
,
приводимым
в
движение
барабаном
Б
,
выходная
зри
-
тельная
труба
ЗТ
.
На
входе
коллиматора
имеется
вертикальная
щель
S
1
,
напротив
кото
-
рой
установлен
осветитель
S.
Ширина
щели
может
регулироваться
микро
-
метрическим
винтом
МВ
.
Поворот
призмы
Р
осуществляется
отсчетным
барабаном
Б
.
На
бара
-
бан
нанесена
винтовая
дорожка
с
градусными
делениями
φ
о∆∆
от
0
до
3500
о
.
Вдоль
дорожки
скользит
указатель
барабана
У
.
Тум блер
Рис
.4
Ф Э
ЗТ
Р
S
S
1
У
Б
М В
К
Тумблер
Рис
. 4