|
|
методичка. Министерство российской федерации по связи и информатизации
1.1. Определите энергию фотона, испускаемого при переходе электрона в атоме водорода с третьего энергетического уровня на основной.
1.2. Невозбужденный атом водорода поглощает квант излучения с длиной волны 102,6 нм. Вычислите, пользуясь теорией Бора, радиус электронной орбиты возбужденного атома водорода.
1.3. Найдите наименьшую и наибольшую длину волны в ультрафиолетовой серии водорода (серия Лаймана).
1.4. Электрон, имеющий вдали от покоящегося протона скорость 1,875∙10 мс, захватывается последним, в результате чего образуется возбужденный атом водорода. Определите длину волны фотона, который образуется при переходе атома в нормальное состояние.
2.1. Атомарный кислород, возбужденный некоторым монохроматическим источником света, испускает только три спектральные линии. Определите квантовое число энергетического уровня, на который переходят возбужденные атомы, а также длины волн испускаемых линий.
2.2. Возбужденный атом водорода при переходе в основное состояние испустил два кванта, последовательно, с длинами волн 40510 Ǻ и 972.5 Ǻ. Определите энергию первоначального состояния данного атома и соответствующее ему квантовое число.
2.3. Длина волны головной линии серии Лаймана и границы серии Бальмера в спектре атомарного водорода равны 1215 Ǻ и 3650 Ǻ. Известны, кроме того, значение скорости света и постоянной Планка. Вычислите на основании этих данных энергию ионизации атома водорода.
2.4. Квант света с энергией 15 эВ выбивает фотоэлектрон из атома водорода, находящегося в нормальном состоянии. С какой скоростью будет двигаться электрон вдали от ядра
3.1. Определите энергию, массу и импульс фотонов, соответствующих красной мкм 1
и фиолетовой мкм 2
границам волнового спектра.
3.2. Атом водорода в основном состоянии поглотил квант света с длиной волны 1215 Ǻ. Определите радиус электронной орбиты возбужденного атома водорода. Определите наибольшее и наименьшее значение энергии фотона в ультрафиолетовой серии спектра водорода (серии Лаймана).
3.4. Найдите квантовое число, соответствующее возбужденному состоянию однозарядного иона гелия, если при переходе в основное состояние этот ион испустил последовательно два фотона с длинами волн 108,5 нм и 30,4 нм.
4.1. Вычислите длину волны, которую испускает ион гелия
He
при переходе со второго энергетического уровня на первый.
4.2. Вычислите частоты обращения электронов в атоме водорода на второй орбите. Сравните с частотой излучения при переходе электрона с третьей орбиты на вторую.
4.3. В каких пределах должны лежать длины волн монохроматического света, чтобы при возбуждении атома водорода квантами этого света наблюдались три спектральные линии
4.4. Найдите скорость фотоэлектронов, вырываемых электромагнитным излучением с длиной волны 18 нм из однозарядных ионов гелия, которые находятся в основном состоянии и покоятся.
5.1. Насколько изменилась кинетическая энергия в атоме водорода при излучении атомом фотона с длиной волны 486 нм
5.2. Определить длину волн монохроматического света, чтобы при возбуждении атома водорода квантами этого света радиус орбиты электрона увеличился враз. Электрон, пройдя разности потенциалов 4,9 В, сталкивается с атомом ртути и переводит его в возбужденное состояние. Какую длину волны имеет фотон, соответствующий переходу атома ртути в нормальное состояние
5.4. Энергия связи электрона в основном состоянии атома гелия равна 24,6 эВ. Найдите энергию, необходимую для удаления обоих электронов из этого атома.
6.1. Электрон в невозбужденном атоме водорода получил энергию 12,1 эВ. На какой энергетический уровень он перешёл? Сколько линий спектра могут излучиться при переходе электрона на более низкие энергетические уровни
6.2. В покоящемся атоме водорода электрон перешёл с пятого энергетического уровняв основное состояние. Какую скорость приобрёл атом за счет испускания фотона Определите энергию отдачи.
6.3. Исходя из теории Бора, найдите скорость электрона на произвольном энергетическом уровне. Сравните скорость электрона на основном энергетическом уровне со скоростью света.
6.4. Чему равна разность энергии в электрон-вольтах между двумя линиями
0,5896 мкм и 0,589 мкм
27 Лабораторная работа № 6.3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛА ИОНИЗАЦИИ АРГОНА ЦЕЛЬ РАБОТЫ Определить потенциал ионизации атомов аргона. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ Согласно современным теоретическим представлениям атомные системы могут находиться только в некоторых определенных состояниях, называемых стационарными. Каждому стационарному состоянию соответствует свое фиксированное значение энергии. Спектр допустимых значений энергий атомов является дискретным. Состояние с наименьшим допустимым значением энергии атома называется основным состоянием. Часто при взаимодействиях атома с внешними системами изменяется состояние только валентного (внешнего) электрона. Поэтому в данной работе мы будем считать, что энергия атома эквивалентна энергии валентного электрона, а состояние атома и состояние валентного электрона будем считать синонимами. Значения энергии разрешенного состояния называют энергетическими уровнями. На энергетических диаграммах энергетические уровни обозначают черточками. Если атом находится в основном состоянии, то все энергетические уровни, расположенные ниже энергетического уровня валентного электрона, заняты электронами, а все вышележащие уровни – свободны, смотри рисунок а.
28 В случае внешних воздействий атом, те, как правило, один из его валентных электронов может получить дополнительную энергию
W
и перейти в какое- либо из разрешенных состояний с большей энергией, рис. б. Такое состояние атома называется возбужденным В возбужденном состоянии атом долго находиться не может. Очень быстро он спонтанно (самопроизвольно) возвращается непосредственно в основное состояние или переходит водно из возбужденных состояний с меньшей энергией, например с уровня t на уровень m на рисунке б. Переход атомной системы из состояния с большей энергией
k
W
в состояние с меньшей энергией
n
W
сопровождается выделением энергии
n
k
W
W
W
, (1) которая излучается в виде кванта электромагнитного излучения
h
, так что
n
k
W
W
h
(2). Соотношение (2) называется правилом частот Энергию возбуждения часто характеризуют потенциалом возбуждения. При этом под потенциалом возбуждения понимают ту разность потенциалов, которую должен пройти электрон, чтобы приобрести энергию, равную данной энергии возбуждения. Если подведенная извне энергия превысит модуль энергии основного состояния валентного электрона, то валентный электрон, получив эту энергию, выйдет за пределы атома и станет свободным. Такой процесс называется ионизацией атома. В результате ионизации, нейтральный атом превращается в положительно заряженный ион и, кроме того, появляется свободный электрон. Минимальная энергия, при которой возникает ионизация атомов, называется энергией ионизации
i
W
. Энергия ионизации атомов зависит от структуры атомов и характеризуется потенциалом ионизации. Потенциал ионизации равен той разности потенциалов, которую должен пройти электрон, чтобы приобрести энергию, равную энергии ионизации атома. а
29 ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ Установка, рис. 3.2, состоит из тиратрона (1), гальванометра (3), включенного в анодную цепь тиратрона, источника напряжения анодной цепи (5), вольтметра (6), измеряющего ускоряющее напряжение, источника питания (8) накала катода тиратрона. Потенциометры (4) служат для регулировки ускоряющего напряжения анодной цепи тиратрона. Тиратрон представляет собой стеклянный баллон (1), заполненный аргоном с малым давлением. В баллон помещены три электрода катод (9) подогревного типа, сетка (7) и анод (2). Под действием напряжения накала нить накала и катод разогреваются. Возникает явление термоэлектронной эмиссии. Вследствие термоэлектронной эмиссии, вокруг разогретого катода образуется электронное облако. К катоду и сетке подведено ускоряющее напряжение. Под действием ускоряющего поля электроны, эмитируемые катодом, ускоряются, проходят сквозь ячейки сетки, далее попадают на анод (2) и регистрируются гальванометром (3) в виде анодного тока, рис.
30 Увеличение ускоряющего напряжения сопровождается возрастанием анодного тока, участок
b
a
на рис. На участке явления ионизации не происходит, поэтому рост силы тока достаточно слаб. При прохождении участка катод-сетка, электроны приобретают
eU
W
(3) Если окажется, что энергия электронов больше, чем энергия ионизации
i
W
W
, (4) то катодные электроны, сталкиваясь с атомами аргона в области за сеткой, ионизируют атомы аргона. Ионизация атомов аргона сопровождается увеличением концентрации свободных электронов, создающих анодный токи, кроме того, образующиеся из атомов аргона положительные ионы, двигаясь к катоду, вносят дополнительный вклад в рост силы анодного тока. Вследствие этого, крутизна возрастания анодного тока резко увеличивается, участок
c
b
на рис. 3.3. Напряжение излома вольтамперной характеристики тиратрона, рис. 3.3, позволяет нам определить потенциал ионизации атомов аргона. ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ Работу рекомендуется выполнять в следующем порядке Собрать схему установки по рис. 3.1. Создать таблицу для занесения экспериментальных данных. Табл. 1
U, В
2 4
…
12 14 14,2 14,4
…
18
I, мА Увеличивая напряжение при помощи потенциометров
3
R
и
1
R
, измерить напряжения вольтметром (6) и соответствующие этим напряжениям силы тока при помощи миллиамперметра (3). Вначале рекомендуется проводить измерения достаточно грубо с шагом по напряжению
∆𝑈 = 2 В (участок
b
a
на рис) от 2 В до 12 В . Начиная с 14 В до 18 Вменять напряжение с шагом
∆𝑈 = 0,2 В. Это необходимо, чтобы более точно отобразить область ионизации атомов аргона участок
c
b
на рис.3.3).
Потенциометр
3
R
предназначен для грубой, а потенциометр
1
R
для точной установки напряжения. Результаты измерений занести в Табл. 1. Построить график зависимости
)
(U
I
. На графике проведите две асимптоты, одна асимптота является продолжением участка
b
a
, другая участка рис. Из точки пересечения асимптот опустите перпендикулярна ось U, данная точка даст потенциал ионизации аргона U
i
. Запишите ответ в виде
𝑈
𝑖
= ⋯ , В
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Объясните в общих чертах строение атомов.
2. Какие состояния называются стационарными
3. Что называют возбуждением атомов и ионизацией атомов
4. Что называют потенциалом ионизации атомов
5. Что понимают под энергетическими уровнями атомов.
31 6. Поясните схему и принцип действия лабораторной установки. Почему крутизна вольтамперной характеристики резко увеличивается, когда ускоряющее напряжение превышает потенциал ионизации атомов?
ЛИТЕРАТУРА
1. Савельев ИВ. Курс общей физики. Том 3. М Наука. 1979. §§ 12, 15, 16,
17, 28, 29.
2. Яворский Б.М. и Детлаф А.А. Курс физики. Том 3. М Высшая школа.
1972. §§ 13.2, 13.3, 13.4, 13.5, 14.1, 14.2. ЗАДАЧИ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ
1.1. При каком значении потенциала между катодом и анодом будет наблюдаться резкое увеличение анодного тока, если трубку заполнить атомарным водородом Докажите, что минимальная кинетическая энергия, которой должен обладать электрон для ионизации одноатомного газа, равна
M
m
A
m
1 2
min
2
, где
A - работа ионизации
m
- масса электрона
M - масса атома.
1.3. Какую скорость должны иметь ионы водорода (протоны, чтобы вызвать ионизацию азота Потенциал ионизации азота 14,5 В.
2.1. Определите первый потенциал возбуждения и энергию ионизации однозарядного иона гелия, находящегося в основном состоянии.
2.2. Докажите, что в
s
- состоянии могут находиться не больше двух электронов, а в p - состоянии - не более шести электронов.
2.3. Основываясь на том, что первый потенциал возбуждения атома водорода
10,2 эВ, определите в электрон-вольтах энергию фотона, соответствующую второй линии серии Бальмера. Какой наименьшей скоростью должен обладать электрон, чтобы ионизировать атом гелия Энергия ионизации атома гелия равна 24,5 эВ. Какую разность потенциалов должен пройти этот электрон
3.2. Электрон, ускоренный электрическим полем, приобрел скорость, при которой его масса стала равной удвоенной массе покоя. Чему равна разность потенциалов, пройденная электроном
3.3. Сколько
d
p
s
,
,
электронов находится в атоме на первом, втором и третьем энергетических уровнях
4.1. Определите потенциал ионизации и потенциал (первый) возбуждения атома водорода.
4.2. В атоме
M
L
K
,
,
- оболочки заполнены полностью. Определите общее число электронов в атоме.
32
4.3. Электрон, прошедший разность потенциалов, равную 15 В, сталкивается с атомом водорода и ионизирует его. Определите, с какой скоростью движется электрон после столкновения.
5.1. Какую скорость должен иметь электрон, чтобы ионизировать атом аргона Используйте для расчёта
𝑈
𝑖
, полученную вами в лабораторной работе.
5.2. В атоме
L
K,
оболочки заполнены полностью. Определите общее число электронов в атоме,
- число
d
p
s
,
,
электронов,
- сколько
p электронов имеют квантовое число
0
m
?
5.3. Какую скорость должны иметь ионы водорода (протоны, чтобы вызвать ионизацию гелия Потенциал ионизации гелия равен 24,5 В.
6.1. Напишите электронные конфигурации, соответствующие атомам а) бора б) углерода в) натрия.
6.2. Электрон, прошедший разность потенциалов равную 17,6 В, сталкивается с атомом аргона и ионизирует его. Определите, какую разность потенциалов должен пройти этот электрон, чтобы при следующем столкновении с нейтральным атомом аргона вызвать ионизацию
6.3. Докажите, что если электрон обладает энергией
M
m
A
m
1 2
min
2
, где
A - работа ионизации,
m
- масса электрона,
M - масса атома, с которым сталкивается электрон, то электрон может вызвать ионизацию атома.
33 Лабораторная работа № 6.4 ИЗУЧЕНИЕ ОСЛАБЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ДИЭЛЕКТРИКЕ ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1. Провести экспериментальное исследование поглощения электромагнитного излучения оптического диапазона частот в диэлектрике.
2. Убедится в справедливости закона Бугера.
3. Определить линейный коэффициент поглощения света
μ
в диэлектрике для заданной длины волны. Исследовать частотную зависимость линейного коэффициента поглощения света
μ
в диэлектрике в зависимости от длины волны. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Электромагнитные волны при прохождении через вещество всегда им поглощаются. Рассмотрим процессы, которые приводят к поглощению электромагнитного излучения.
1. Прохождение света через вещество ведёт к возникновению колебаний электронов среды под действием электромагнитного поля волны. Электроны среды, колеблющиеся с определённой частотой, переизлучают падающую электромагнитную энергию, вследствие чего возникает вторичное излучение, рассеянное по различным направлениям. Эта причина поглощения была впервые указана немецким физиком Планком и называется затуханием вследствие излучения. Она не вызывает превращения лучистой энергии первичной волны в другие формы энергии, а лишь обуславливает рассеяние этой лучистой энергии вовсе стороны. Таким образом, энергия электромагнитного потока, распространяющегося по первоначальному направлению, убывает, что и приводит к ослаблению светового потока.
2. Другая причина, приводящая к поглощению света веществом, возникает вследствие перехода лучистой энергии в тепловую форму энергии. Рассмотрим механизм этого перехода. Предположим, что атом среды поглощает фотон из падающего светового потока, этот атом может столкнуться с невозбуждённым атомом и передать невозбуждённому атому свою энергию от поглощённого фотона в виде энергии поступательного движения. Таким образом, световая энергия переходит в кинетическую энергию атома и, следовательно, в тепловую энергию среды.
3. Следующая причина, связанная с поглощением света, обусловлена многофотонным поглощением. В рамках квантовых представлений атом может поглотить фотон, если частота фотона соответствует частоте перехода между атомными уровнями Е и Е
𝜔
𝑚𝑛
=
𝐸
𝑚
− 𝐸
𝑛
ℏ
34 Оказывается, линии поглощения с частотой ω может соответствовать переход атома из состояния n в состояние m не только в процессе поглощения одного фотона, но и с одновременным поглощением двух фотонов, если выполняется условие) Эту формулу можно обобщить на процесс, в котором поглощается три фотона или больше. Такое явление получило название в физике многофотонного поглощения. Многофотонное поглощение было теоретически предсказано М. Геп- перт-Майер в г, но экспериментально было обнаружено лишь в г. при облучении кристалла CaF 2 , активированного европием, светом рубинового лазера. Многофотонное поглощение может проявляться разнообразным образом. Если, например, вещество облучать светом, в составе которого есть спектральные компоненты с частотами ω 1 и ω 2 , то может произойти поглощение двух фотонов и ℏω 2 , при условии, что ω 1 + ω 2 = ω MN 4. Многофотонное поглощение может привести к другой причине поглощения света. Если атом поглотил несколько фотонов, то может возникнуть ситуация, когда внешний (оптический) электрон может оторваться от атома и стать свободным, возникает так называемая многофотонная ионизация. Этот процесс как правило происходит в оптическом диапазоне, когда энергия фотона меньше энергии ионизация атома. Перечисленные выше четыре причины поглощения характерны для видимого света, когда энергия фотонов падающего излучения не превосходит энергии ионизация атомов среды и реализуются при изучении закон ослабления интенсивности электромагнитного излучения в оптическом диапазоне. Зависимость интенсивности электромагнитного (ЭМ) излучения от расстояния, пройденного ЭМ волной описывается законом Бугера. Получим этот закон. Пусть коэффициент поглощения среды не зависит от интенсивности падающего потока излучения, что справедливо для слабой интенсивности потока. Как следует из опыта, изменение интенсивности dI световой волны на элементарном пути dl прямо пропорционально величине этого пути и величине самой интенсивности I: 𝑑𝐼 = −𝜇𝐼𝑑𝑙, (2) где μ – постоянная, зависящая от свойств поглощающего вещества, и называемая линейным коэффициентом поглощения среды. Знак минус означает, что интенсивность световой волны убывает по мере прохождения волны в веществе. Пусть на входе в поглощающий слой интенсивность световой волны равна I0 , найдём интенсивность световой волны I, прошедшей слой вещества толщины x. Для этого разделим переменные в уравнении (2) и затем проинтегрируем его 𝑑𝐼 𝐼 = −𝜇𝑑𝑙 ∫ 𝑑𝐼 𝐼 = 𝐼 𝐼 0 − 𝜇 ∫ 𝑑𝑙 𝑥 0 (3) Проинтегрировав уравнение (3), мы получаем 𝑙𝑛𝐼 − 𝑙𝑛𝐼 0 = −𝜇𝑥 Откуда следует окончательная формула 35 𝐼 = 𝐼 0 𝑒 −𝜇𝑥 (4) где 𝐼 0 - интенсивность световой волны до входа в вещество, Х. I - интенсивность световой волны после прохождения поглощающего слоя толщиной, μ - линейный коэффициент поглощения. Формула (4) называется законом Бугера. Согласно этому закону интенсивность световой волны убывает в поглощающем веществе экспоненциально. При 𝑥 = 1 𝜇 интенсивность I оказывается в е раз меньше, чем 𝐼 0 . Таким образом, линейный коэффициент поглощения μ есть величина обратная толщине слоя, при прохождении которого интенсивность световой волны убывает в е раз. Далее под термином коэффициент поглощения будем понимать линейный коэффициент поглощения. Ослабление интенсивности излучения зависит от плотности ρ поглощающего вещества, поэтому наряду с линейным коэффициентом μ, вводят массовый коэффициент поглощения
m
. (5) Определение коэффициента поглощения. Для графического представления закона ослабления прологарифмируем выражение (4):
𝑙𝑛𝐼 = 𝑙𝑛𝐼
0
− 𝜇𝑥
(6) Логарифм интенсивности световой волны на выходе из поглощающего слоя линейно зависит от толщины x поглощающего слоя. Зависимость (6) легко может быть проверена экспериментально построением соответствующего графика, Рис.
4.1 Рис. 4.1 График зависимости логарифма интенсивности ослабленного пучка от толщины поглощающего слоя.
36 Построив график (рис. 4.1), возьмем на нем две любые точки 1 и 2. В точке
1 имеем 𝑙𝑛𝐼 = 𝑙𝑛𝐼
1
и 𝑥 = 𝑥
1
, а в точке 2 соответственно 𝑙𝑛𝐼 = 𝑙𝑛𝐼
2
и 𝑥 = 𝑥
2
. Подставив эти данные в (6), получим два уравнения
𝑙𝑛𝐼
1
= 𝑙𝑛𝐼
0
− 𝜇𝑥
1
(7)
𝑙𝑛𝐼
2
= 𝑙𝑛𝐼
0
− 𝜇𝑥
2
(а) Решая эти уравнения относительно, мы получаем расчетную формулу для линейного коэффициента поглощения
𝜇 =
𝑙𝑛𝐼
1
−𝑙𝑛𝐼
2
𝑥
2
−𝑥
1
(8) Формула (8) позволяет вычислить коэффициент поглощения электромагнитного излучения для исследуемого вещества. Поглощение излучения при прохождении через ряд слоев вещества. При прохождении излучения через несколько слоев вещества закон Бугера применяется последовательно к каждому слою при этом интенсивность света на входе
𝒊 − го слоя равна интенсивности на выходе (𝒊 − 1) − го слоя. В результате закон Бугера запишется в виде
𝐼 = 𝐼
0
exp(𝜇
1
𝑥
1
+ 𝜇
2
𝑥
2
+ 𝜇
3
𝑥
3
+ ⋯ ) = 𝐼
0
exp(∑
𝜇
𝑖
𝑥
𝑖
𝑛
𝑖=1
),
(9) где 𝜇
𝑖 и 𝑥
𝑖
– коэффициент поглощения и толщина
𝒊 − го слоя. Эксперимент В эксперименте будет исследоваться прохождение света с заданной длиной волны через ряд стеклянных пластин с одинаковым коэффициентом поглощения. При этом, поглощением света в воздушном зазоре между пластинами будем пренебрегать ввиду его малости и слабого поглощения света в воздухе. При расчете коэффициента поглощения зависимость интенсивности света от коэффициента отражения не будет учитываться ввиду того, что она является более слабой, чем экспоненциальная зависимость в законе Бугера. Интенсивность света измеряется с помощью полупроводникового фотоприемника. В этом случае фототок ф
, выдаваемый фотоприемником, пропорционален падающему световому потоку Фи интенсивности световой волны 𝐼 на входе фотоприемника
𝑖
ф
Ф𝐼
Фототок поступает в цифровой вольтметр, напряжение на выходе которого, пропорционально фототоку ф
𝐼 Таким образом, мы видим, что сигнал, снимаемый с цифрового вольтметра
𝑈 прямо пропорционален интенсивности световой волны на входе фотоприемника. Это может быть записано в виде формулы
𝑈 = 𝑘𝐼
(10) где
𝑘 – коэффициент пропорциональности между напряжением и интенсивность световой волны на входе фотоприемника. Схема лабораторной установки для первого задания приведена на Рис. 4.2 Установка размешается на оптической скамье (1). Она состоит из источника питания, полупроводникового светодиода (5), который используется в качестве источника монохроматического излучения и излучает свет в трёх диапазонах
37 красном, зелёном и синем. Световая волна от источника проходит через поглощающее вещество – набор стеклянных пластинок (4), и попадает в фотоприёмник (3). Фотоприёмник преобразует энергию световой волны в фотоЭДС, которая фиксируется милливольтметром (2). Таким образом, интенсивность электромагнитного излучения мы определяем по показаниям милливольтметра (2), который фиксирует напряжение U, создаваемое фотоприемником. Рис. 4.2 Структурная схема лабораторной установки для исследования поглощения электромагнитных волн в оптическом диапазоне. 1 – оптическая скамья 2
– милливольтметр 3 – фотоприёмник; 4 – пластинки с поглощающим веществом
5 – полупроводниковый светодиод 6 – источник питания светодиода. На Рис. изображена фотография установки. Основные узлы установки показаны выносными линиями и подписаны. Слева на столе показаны стеклянные пластинки (светофильтры, которые используются в качестве поглощающего вещества Рис. 4.3 Фотография установки. Задание 1. Экспериментальное исследование поглощения электромагнитного излучения оптического диапазона частот в диэлектрике (стеклянных пластинах. Проверка закона Бугера. Порядок выполнения задания Измерения проводятся
●
в красном диапазоне – λ = 630 нм
●
в зелёном диапазоне – λ = 520 нм
●
в синем диапазоне – λ = 440 нм Часть 1.
1. Переведите регулятор переключения светодиодов в положение, соответствующее красной длине волны.
2. Установите стеклянные пластинки в установку из набора №1 или №2 (по заданию преподавателя. Все пластинки в наборе одинаковы, и имеют одну и туже толщину, которая указана на наборе или задается преподавателем. Пластинки устанавливаются последовательно одна за другой. Чем больше толщина поглощающего слоя, тем меньшая интенсивность световой волны, попадающей в фото- приёмник. В Табл. 1 последовательно фиксируются N – количество пластинок, помещённых в установку 𝑥 = 𝑁𝑙 – толщина поглощающего слоя U – напряжение милливольтметра.
39 λ = 630 нм , красный диапазон, толщина пластины стекла l =... Табл. 1. N 1 2 3 4 5 6 𝑥 = 𝑁 ∙ 𝑙, мм U, мВ кр, м Определение коэффициента поглощения По экспериментальным данным из таблицы 1 строится график функции
𝑙𝑛𝑈 = 𝑓(𝑥), те. по оси абсцисс откладываем толщину поглощающего слоя 𝑥, а по оси ординат
𝑙𝑛𝑈. В соответствии с (6) мы получаем линейную зависимость. Следовательно, данный график следует аппроксимировать линейной зависимостью, те. провести прямую линию через экспериментальные точки максимально близко. Для более точного определения коэффициента поглощения
𝜇 при построении график
𝑙𝑛𝑈 = 𝑓(𝑥), рекомендуется воспользоваться пакетом Excel, где аппроксимация линейной зависимости проводится по методу наименьших квадратов. На полученном графике выбираем две произвольные точки. При этом желательно брать первую точку вначале, а вторую в конце экспериментальной прямой Рис. 4.1). Нельзя брать экспериментальные точки слишком близко, т.к. при этом сильно возрастает погрешность расчёта коэффициента поглощения
𝜇. Полученные величины подставляем в формулу для расчёта
𝜇 .
𝜇 =
𝑙𝑛𝑈
1
−𝑙𝑛𝑈
2
𝑥
2
−𝑥
1
(11) Часть 2. Во второй части задания 1 мы проводим аналогичные измерения, как ив первой части задания 1 для зелёной длины волны для заданного набора стеклянных пластинок. Соответственно заполняем Табл. 2, строим по ней графики определяем коэффициент поглощения
𝜇
зел для данного сорта стекла и заносим его в Табл. 2.
λ = 520 нм , зелёный диапазон, толщина пластины стекла l =... Табл. 2.
N
1 2
3 4
5 6
𝑥 = 𝑁 ∙ 𝑙, мм
U, mV
𝑙𝑛𝑈
𝜇
зел
, м
-1
Часть 3. В третьей части задания 1 мы проводим аналогичные измерения, как ив первой части задания 1 для синей длины волны для заданного набора стеклянных пластинок. Соответственно заполняем Табл. 3, строим по ней графики определяем коэффициент поглощения
𝜇
син для данного сорта стекла и заносим его в Табл. 3.
λ = 440 нм , синий диапазон, толщина пластины стекла l =... Табл. 3.
N
1 2
3 4
5 6
𝑥 = 𝑁 ∙ 𝑙, мм
U, mV
𝑙𝑛𝑈
𝜇
син
, м
-1
|
|
|
Скачать 1.5 Mb.