Главная страница
Навигация по странице:

  • КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

  • Рис. 6.7. Электрическая схема установки

  • Рис. 6.8. Калибровочный график

  • Вопросы и задания для самоконтроля

  • ЛИТЕРАТУРА Основная

  • Дополнительная

    		•

    Квант. Квантовая оптика. Лабораторный практикум.. Квантовая оптика


    Скачать 3.97 Mb.
    НазваниеКвантовая оптика
    АнкорКвант
    Дата15.05.2023
    Размер3.97 Mb.
    Формат файлаdocx
    Имя файлаКвантовая оптика. Лабораторный практикум. .docx
    ТипУчебно-методическое пособие
    #1131508
    страница4 из 4
    1   2   3   4

    ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАБОТЫ ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНОВ ИЗ МЕТАЛЛА



    ЦЕЛИ РАБОТЫ: построение и изучение вольт-амперной характеристики двухэлектродной лампы (диода); исследование зависимости плотности тока насыщения термоэлектронной эмиссии от температуры катода и определение работы выхода электрона из вольфрама методом прямых Ричардсона [6].
    КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

    Электрические и тепловые свойства металлов в значительной степени определяются состоянием валентных электронов, т.е. электронов проводимости, способных перемещаться в металле.

    Распределение энергии электронов изображено на энергетической диаграмме (рис. 6.1).

    Если принять, что вне металла потенциальная энергия электрона равна 0, то внутри металла она отрицательна . Это потенциальная яма с плоским дном, что свидетельствует об эквипотенциальности объема металла. Минимальная энергия, которую необходимо сообщить электрону для удаления из металла:

    (6.1)

    называется работой выхода.

    Рассмотрим природу сил, препятствующих выходу электронов из металла и определяющих работу выхода Авых. Отдельные электроны проводимости, двигаясь внутри металла с большими скоростями, могут пересекать поверхность металла. Вылетевший из металла электрон удаляется от поверхности до тех пор, пока кулоновское взаимодействие с избыточным положительным зарядом, возникшим на месте, который покинул электрон, не заставит его вернуться обратно.

    Постоянно одни электроны «испаряются» с поверхности металла, другие возвращаются обратно. Поэтому металл оказывается окутанным облаком электронов, образующих совместно с наружным слоем положительных ионов двойной электрический слой, подобно плоскому конденсатору. Поле двойного слояE препятствует выходу электронов из металла.

    При комнатной температуре практически все свободные электроны заперты в пределах проводника, имеется лишь небольшое количество электронов, энергия которых достаточна для того, чтобы преодолеть потенциальный барьер и выйти из металла.

    Однако электронам можно различными способами сообщить дополнительную энергию. Если электроны получают энергию за счет тепловой энергии тела при повышении его температуры, можно говорить о термоэлектронной эмиссии.

    Для наблюдения термоэлектронной эмиссии можно использовать лампу, содержащую два электрода: накаливаемый током катод и холодный электрод, собирающий термоэлектроны, - анод. На рисунке 6.3 изображена схема включения такого диода. Ток в этой цепи появляется только в том случае, если положительный полюс батареи соединен с анодом, а отрицательный - с катодом. Это подтверждает, что катод испускает отрицательные частицы, электроны. Сила термоэлектронного тока в диоде зависит от величены потенциала анода относительно катода.



    Рис. 6.4.  

    Кривая, изображающая зависимость силы тока в диоде от анодного напряжения, называется вольт-амперной характеристикой.

    На рис. 6.4 показаны вольт-амперные характеристики диода при разных температурах катода. Когда потенциал анода равен нулю, сила тока мала, она определяется лишь самыми быстрыми термоэлектронами, способными достигнуть анода. При увеличении положительного потенциала анода сила тока возрастает и затем достигает насыщения, т.е. почти перестает зависеть от анодного напряжения.

    При увеличении температуры катода увеличивается и значение тока, при котором достигает насыщение. Одновременно увеличивается и то анодное напряжение, при котором устанавливается ток насыщения.

    Таким образом, вольт-амперная характеристика диода оказывается не линейной, т.е. не выполняется закон Ома. Это объясняется тем, что при термоэлектронной эмиссии у поверхности катода создается довольно большая плотность электронов. Они создают общий отрицательный заряд, и электроны, вылетающие с малой скоростью, не могут его проскочить. С увеличением анодного напряжения концентрация электронов в облаке пространственного заряда уменьшается. Поэтому и тормозящее действие пространственного заряда делается меньше, а анодный ток растет быстрее, чем в прямой зависимости от анодного напряжения.

    Теоретически зависимость анодного тока от анодного напряжения на участке 1 - 2 была получена Ленгмюром и Богуславским. Она называется еще «законом трех вторых».

    (6.2)

    По мере роста анодного напряжения Ua все больше электронов, вылетевших из катода, достигает анода. Дальнейший рост анодного напряжения не может увеличить силу анодного тока, поскольку достигается насыщение.

    Максимальный ток, возможный при данной температуре катода, называется током насыщения.

    При повышении температуры увеличивается скорость хаотического движения электронов в металле. При этом число электронов, способных покинуть металл, резко возрастает. Плотность тока насыщения, т.е. сила тока насыщения на каждую единицу поверхности катода S, вычисляется по формуле Ричардсона - Дешмена:

    (6.3)

    где В – эмиссионная постоянная; постоянная Больцмана k = 1,3810-23 Дж/К. Плотность тока насыщения характеризует эмиссионную способность катода, которая зависит от природы катода и его температуры.

    Измеряя на опыте зависимость тока насыщения от температуры, можно определить работу выхода для данного металла.

    Прологарифмируем уравнение (6.3):

    (6.4)

    Переходя к десятичным логарифмам, находим

    (6.5)

    Подставляя lg(e) = 0,43, имеем

    (6.6)

    Такой вид уравнения удобен для его экспериментальной проверки.

    График зависимости от является прямой линией с угловым коэффициентом .




    Определив тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс, рассчитаем работу выхода:

    (6.7)

    Для построения графика необходимо знать плотность анодного тока насыщения jнас и температуру катода. Температуру рассчитаем следующим образом.

    Подводимая к катоду мощность расходуется в вакуумной лампе в основном на тепловое излучение. Для вольфрама была экспериментально определена зависимость температуры катода от расходуемой на его нагрев джоулевой мощности, приходящейся на единицу площади поверхности катода. На графике (рис. 6.8), который прилагается к работе, приведены результаты этих измерений. По этому графику, зная мощность, подводимую к катоду, можно определить его температуру.

    ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА


    1. ИП – источник питания.

    2. Кассета ФПЭ – 06.

    3. PV – вольтметр.

    4. РА – амперметр.

    Электрическая схема для поведения опыта представлена на рис. 6.6 и 6.7. В качестве диода в работе используется радиолампа с вольфрамовым катодом прямого накала.

    Амперметр и вольтметр в цепи накала служат для определения мощности, расходуемой на нагрев катода, что необходимо для определения температуры.

    ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ


    1. Подключить кассету ФПЭ – 06 соединительным кабелем к источнику питания (ИП на рис. 6.6). Амперметр на панели источника питания служит для контроля тока накала iн, максимальное значение которого не должно превышать 2,2 А. Плавная регулировка напряжения накала осуществляется ручкой, расположенной под амперметром.



    Рис. 6.6.

    Напряжение накала Uн измеряется вольтметром (PV), который подключается к тем клеммам на источнике питания, где указано напряжение 2,5 - 4,5 В.

    Вольтметр на панели источника питания измеряет анодное напряжение Ua, регулировка которого осуществляется ручкой на панели источника питания, расположенной непосредственной под вольтметром.

    Для измерения анодного тока Ia используется амперметр (РА на рис. 6.7), который подключается к кассете ФПЭ - 06 к клеммам РА. Он должен работать в режиме миллиамперметра, измеряя ток до 20 mА.


    Рис. 6.7. Электрическая схема установки

    1. Установить напряжение накала 3,7 В и, увеличивая анодное напряжение от 10 до 100 В через каждые 10 В, записать значения анодного тока в табл. 6.1.

    Таблица 6.1  


    Uн = ...
    Ua, В
    Ia, мА



    Iн = ...







           

    Рис. 6.8. Калибровочный график

    1. Проверить измерения (пункт 2) для 4 – 5 любых значений напряжения накала в интервале от 3,7 до 4,3 В.

    2. Для каждого значения тока накала построить вольт– амперную характеристику и точку перегиба полученной кривой считать точкой насыщения.

    3. Для всех значений напряжения накала рассчитать мощность, выделяемую на катоде, по формуле Р = IнUн, а также мощность, приходящуюся на единицу площади поверхности катода. Для данной лампы площадь поверхности катода принять Sn = 3,5210-2 см2.

    4. По графику (рис. 6.8) зависимости температуры катода от P/Sн определить температуру катода для каждого значения мощности нагрева.

    5. Рассчитать плотность анодного тока насыщения (рис. 6.4) по формуле принять S = 1110-6 м2.

    6. Все полученные данные занести в табл. 6.2.

    Таблица 6.2


    № п/п
    Iнас, мА
    Iн, А
    Uн, В
    P/Sn, Вт/см2
    T, К
    1/T, K-1
    jнас, мА/м2
    jнас/T2
    lg(jнас/T2)


































    1. Построить график зависимости lg(jнас/T2) от 1/T, откладывая по оси абсцисс 1/T, а по оси ординат – lg(jнас/T2).

    2. Определить тангенс угла наклона полученной прямой к оси абсцисс и рассчитать работу выхода по формуле (6.6).

    3. Рассчитать погрешность измерений по правилу графической обработки результатов измерений.

    4. Сравнить полученное значение работы выхода с табличным значением для вольфрама.


    Вопросы и задания для самоконтроля

    1. Что называется работой выхода электрона?

    2. Какова природа сил, удерживающих электрон в металле?

    3. Нарисуйте и объясните вольт-амперные характеристики вакуумного диода.

    4. Что такое ток насыщения и как он зависит от температуры?

    5. Объясните физическую природу закона трех вторых.


    ЛИТЕРАТУРА

    Основная


    1. Л.К. Мартинсон, Е.В. Смирнов. Квантовая физика/изд. МГТУ им. Баумана. 2004.- 498 с.

    2. И.Е. Иродов. Квантовая физика. Основные законы. 2007. - 195 с.

    3. В.М. Анисимов, О.Н. Третьякова. Основы квантовой физики. Практический курс. М.: изд-во МАИ. 2007.- 163 с.

    4. И.В. Савельев . Курс общей физики т.3.. - М.: Наука. 1987.

    5. И.В. Савельев. Сборник вопросов и задач по общей физике - М.: Наука. 1988.

    6. А.А Соловьев, Б.М. Костишко. Электричество и магнетизм. Методические указания к лабораторному практикуму по физике.//Ульяновск: УлГУ, 2007.-189 с.

    7. http://mexalib.com/view/18285


    Дополнительная
    8. http://padaread.com/?book=35534&pg=496

    9. http://nsportal.com.ua/book/3952

    10. Детлаф А.А., Яворский Б.М., Милковская Л.Б. Курс физики т.3.- М.: Высшая школа, 1973.

    11. Кременцова Ю.Н, Третьякова О.Н. Спектры атомов и молекул: Учебное пособие. - М.: Изд-во МАИ , 1993.

    12. Кристи Р., Питти А. Строение вещества: введение в современную физику - М.: Наука, 1969.

    13. http://mexalib.com/view/18281

    14. http://mexalib.com/view/5486

    15. Чертов А.Г., Воробьев А.А. Задачник по физике. -М: Высшая школа, 1981.

    1   2   3   4

    написать администратору сайта