Перед началом работы с установкой необходимо убедиться, что установка заземлена.

Через каждые 45 минут работы необходимо делать 15 минутный перерыв в работе установки.

Рисунок 5 – Блок управления и индикации.

МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Подключите сетевые шнуры блоков к сети и включите блок измерительного устройства выключателем ″ сеть″ на его задней панели. При этом должны загореться индикаторы ″ обратная″, ″ В″ и ″ мкА″. На индикаторе ″ В″ должны установиться нули (0000).

2. Включить блок излучателя выключателем ″ сеть″ на его передней панели. Дать лампе осветителя прогреться в течение 10 мин. После прогрева прибора нажать кнопку ″ сброс″.

3. Кнопкой ″ прямая – обратная″ установить режим измерения прямой ветви вольтамперной характеристики (нажать кнопку ″ прямая″ ).

4. Установить на пути светового потока светофильтр номер 5. При этом световой поток, падающий фотоэлемент, будет перекрыт.

5. Ручками ″ установка нуля″ (5, 6) установить нулевое значение тока на индикаторе ″ мкА″ измерительного блока.

6. Установить на пути светового потока светофильтр номер 1.

7. Изменяя значения напряжения на фотоэлементе с помощью кнопок ″ +″ и ″  ″ через 1 В и, считывая показания фототока I_a с индикатора ″ мкА″, получите данные для построения прямой ветви вольтамперной характеристики этого светофильтра.

8. Проверить отсутствие темнового тока (смотри п. 5).

10. Кнопкой ″ прямая – обратная″ установить режим измерения обратной ветви вольтамперной характеристики (нажать кнопку ″ обратная″ )

11. Изменяя значения напряжения на фотоэлементе с помощью кнопок ″ +″ и ″  ″ через 1 В и, считывая показания фототока I_a с индикатора ″ мкА″, получите данные для построения обратной ветви вольтамперной характеристики этого светофильтра.

12. Устанавливая на пути светового потока поочередно светофильтры номер 2, 3 или 4 (по указанию преподавателя), повторить пп. 5.-11.

13. По полученным данным построить вольтамперные характеристики и по ним найти для разных светофильтров задерживающие потенциалы .

14. Найти число фотоэлектронов, выбитых из катода в единицу времени:

, (5)

где е = 1, 6·10^-19 Кл.

15. Для найденных задерживающих потенциалов U_з, соответствующих двум длинам волн (l₁ и λ ₂), (по указанию преподавателя) определить постоянную Планка по формуле:

(6)

16. Полученные данные занести в таблицу.

17. Оценить погрешность измерений.

18. После окончания измерений выключателем Сеть установку необходимо выключить.

Длины волн пропускания интерференционных светофильтров установки: 1  407 нм; 2  435 нм; 3  546 нм; 4  578 нм.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА И ЕГО ФОРМА

Основу содержания отчета составляют данные по измерениям и их элементарным преобразованиям, которые сводятся в таблицу. Форма отчета представлена в приложении 1 (стр. 30).

ВОПРОСЫ ДЛЯ ЗАЩИТЫ РАБОТЫ

1. В чем состоит явление внешнего фотоэффекта?

2..Запишите и объясните формулу Эйнштейна по фотоэффекту. Объясните смысл входящих в нее величин.

3.Сформулируйте законы фотоэффекта. Объясните, применяя уравнение Эйнштейна второй и третий законы фотоэффекта.

4. Почему законы фотоэффекта противоречат представлениям о волновой природе света?

5. Как изменяется число фотоэлектронов с увеличением интенсивности излучения?

6. Чем обусловлен темновой ток?

7. Что такое ″ красная граница фотоэффекта″. Почему ее существование? подтверждает корпускулярную теорию фотоэффекта и не подтверждает волновую?

8. От каких параметров зависит задерживающее напряжение?

9. Что такое работа выхода электрона из металла, отчего она зависит?

ЛИТЕРАТУРА

[1, глава 36, § 36.1 – 36.3; 2, глава 2, § 9; 3, глава 26, § 202 – 204].

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6.3

ИЗУЧЕНИЕ СПЕКТРА АТОМА ВОДОРОДА

ЦЕЛЬ И СОДЕРЖАНИЕ: изучить спектр атома водорода; определить длины волн наблюдаемых линий; вычислить, по полученным данным, постоянную Ридберга и радиус орбиты электрона.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

Спектры излучения разряженных газов, находящихся в возбужденном состоянии, состоят из отдельных линий и поэтому называются линейчатыми. Линии в таких спектрах расположены неравномерно и образуют группы называемые сериями. Первой была обнаружена серия линий атомарного водорода в видимой области. В последствии оказалось, что серии линий существуют в ультрафиолетовой и инфракрасной частях спектра. Расположение линий в сериях может быть представлено обобщенной формулой Бальмера - Ридберга:

, (1)

где n – частота излучения, c – скорость света, l – длина волны, R – постоянная Ридберга, n и m – целые числа (для видимой области спектра n = 2, m = 3, 4, 5, …).

Происхождение атомных спектров было впервые объяснено Н. Бором, частично использовавшим положения квантовой теории излучения. В своей работе он постулировал, что электроны в атомах движутся вокруг ядер по круговым орбитам, среди которых разрешенными являются только определенные. Электрон на такой орбите обладает определенным значением энергии (Е₁_,Е₂_, Е₃,...) и движется по ней, не излучая и не поглощая энергии. Подобные орбиты называются стационарными орбитами или состояниями.

Излучение света происходит в тот момент, когда электрон переходит из одного стационарного состояния c большим значением энергии Е_m в другое с меньшей энергией Е_n. При каждом переходе электрона, энергия атома меняется дискретно (квантуется) и излучается один световой фотон, энергия которого

, (2)

где h – постоянная Планка, Е_n и Е_m – энергия электрона соответственно в нижнем и верхнем стационарном состоянии (рис. 1).

Наряду с квантованием энергии, в боровской теории постулируется квантование момента импульса L электрона массой m_е, движущегося по орбите радиуса r со скоростью v:

. (3)

Постулаты Бора дают возможность вычислить радиусы и скорости движения электрона в атоме для любой стационарной орбиты. Для этого необходимо воспользоваться условием устойчивого движения электрона по орбите (равенство сил, действующих на электрон):

, (4)

где Z – число электронов в атоме (в случае атома водорода Z = 1), е – заряд электрона, e_о – электрическая постоянная.

Решая совместно (3) и (4), получим:

, (5)

. (6)

Энергия атома складывается из кинетической энергии электрона Е^k (ядро атома считаем покоящимся) и потенциальной энергии Е^p взаимодействия электрона с ядром:

, (7)

. (8)

Полная энергия атома Е равна сумме E^k и E^p с учетом (5):

. (9)

В соответствии с теорией Бора величины n, r, и Е также являются квантованными. В зависимости от главного квантового числа n = 2, 3, 4, ... они принимают ряд дискретных значений.

Из уравнений (1), (2) и (9) нетрудно получить частоту излучения, которая соответствует переходу электрона с более удаленной m-орбиты на более близкую к ядру n-орбиту, атома:

. (10)

Так как длина волны l, частота n и скорость света с связаны между собой формулой , то

. (11)

Равенство (11) хорошо описывает сериальные закономерности атома водорода.

Сравнивая последнее выражение с формулой (1), получим значение постоянной Ридберга, через атомные константы:

, (12)

Или

(13)

Изложенная выше элементарная теория была подвергнута дальнейшему развитию, но присущие ей, наряду с достоинствами серьезные недостатки привели к созданию квантовой теории излучения. Согласно этой теории постулируется двойственность характера элементарных частиц (в том числе и электронов), а все величины, характеризующие состояния атома, получены при решении уравнения Шредингера.

АППАРАТУРА И МАТЕРИАЛЫ

Установка состоит из блока излучателя 1 с водородной лампой ТВС-15 и источником ее питания и монохроматора 2.

В данной работе исследуется излучение водорода, находящегося в возбужденном состоянии. Водород помещен в Н-образную стеклянную трубку с двумя электродами. К электродам приложено высокое напряжение от источника, ионизирующее газ в трубке, заставляя его светиться (трубка и источник питания расположены в одном блоке – 1)(рис. 2). Это излучение направляется в монохроматор – 2. Монохроматор предназначен для выделения и исследования монохроматического излучения в спектральном диапазоне от 200 нм до 800 нм. Дифракционная решетка монохроматора разлагает падающее на нее излучение в спектр.

Линии спектра можно наблюдать глазом через окуляр – 3. В поле зрения окуляра находится узкая щель. Решетка монохроматора может поворачиваться с помощью рукоятки 4, вращение которой позволяет по очереди подводить к щели цветные линии спектра и отсчитывать их положение по шкале, нанесенной на поверхность барабана (его видно через окошко 5). Цена деления барабана 2 нм. На боковой стенке осветителя находится выключатель Сеть с индикатором ее включения.

Рисунок 2 – Установка для исследования спектра атома водорода

⇐ Предыдущая 1 234 Следующая ⇒