оптика. Практикум Оптика и атомная физика

• Название: Практикум Оптика и атомная физика
• Дата: 05.03.2023
• Размер: 2.29 Mb.
• Имя файла: оптика.doc
• Тип: Практикум; #969896
• страница: 8 из 9

Фотоэлементы

1. 
   На основе внешнего и внутреннего фотоэффекта создано множество приборов , преобразующих световой сигнал в электрический . К ним относятся фотоэлементы , фотосопротивления , фотоэлектронные умножители , электронно - оптические преобразователи , передающие телевизионные трубки , фотодиоды и т.д. На внешнем фотоэффекте основана работа вакуумных фотоэлементов . Конструктивно они выполнены в виде стеклянного баллона , откачанного до высокого вакуума (рис.1) . Часть внутренней поверхности баллона покрыта слоем чувствительного к свету вещества , который называется фотокатодом . В качестве фотокатода используются вещества с малой работой выхода . Такими веществами является соединения сурьмы с одним или несколькими щелочными металлами и соединения серебро - цезий . Анодом служит металличес кое кольцо или сетка , помещенные в центре баллона .
   
2. 
   
   4
   
   Зависимость силы фототока от приложенного между катодом и анодом напряжения при постоянной интенсивности света называется вольтамперной характеристикой (ВАХ) фотоэлемента . Она имеет вид , показанный на (рис.2) . Пологий ход кривой объясняется тем , что электроны вылетают из катода с различной скоростью . Некоторые из них обладают достаточно большой скоростью и , пролетая по инерции пространство между анодом и катодом , замыкают цепь . Этим объясняется наличие тока в цепи в отсутствии анодного напряжения. (участок 0-1) . Для обращения силы тока в нуль на анод надо подать отрицательное задерживающее напряжение . При таком напряжении ни одному из электронов , даже обладающему максимальной скоростью , не удастся достигнуть анода . Поэтому можно записать :
   

где - кинетическая энергия электрона .

3 -4 - Участок насыщения означает , что все электроны , испущенные катодом, попадают на анод . Для увеличения тока насыщения надо увеличить интенсивность света .

3. 
   Одним из основных параметров любого фотоэлемента является интегральная чувствительность , равная силе фототока насыщения при световом потоке в 1 лм. Главным недостатком вакуумных фотоэлементов является малая интегральная чувствительность . Значительно большей интегральной чувствительностью обладают фотоэлектронные умножители (ФЭУ) .
   
4. 
   На явлении внутреннего фотоэффекта в полупроводниках основано действие вентильных фотоэлементов и фотосопротивлений . Они устроены следующим образом . На металлическую подложку М наносится слой полупроводника Р (рис.3). На границе металл - полупроводник в силу их различных физических свойств образуется запирающий слой , пропускающий носители тока в одном направлении - из полупроводника в металл .
   

При освещении полупроводника в нем образуется большее число свободных электронов, в результате равновесное распределение носителей тока в области контакта нарушается , и электроны переходят из полупроводника в металл , заряжая металл отрицательно , а полупроводник - положительно . Таким образом , на границе металл - полупроводник образуется два противоположных полюса , и , если их соединить проводником , по цепи потечет ток без какого - либо дополнительного источника тока . Иначе говоря , вентильный фотоэлемент сам является источником тока .

Я
вление возникновения ЭДС при освещении контакта металл - полупроводник называется вентильным фотоэффектом .

В отличие от вакуумных вентильные фотоэлементы непосредственно преобразуют световую энергию в электрическую. Наиболее эффективными являются вентильные фотоэлементы, основанные на использования контакта двух полупроводников электронного (n) и дырочного (p) типа проводимости , т.е. на так называемом p-n - переходе .

Несколько десятков соединенных последовательно p-n - переходов образуют солнечную батарею .

Вентильные фотоэлементы имеют значительно большую интегральную чувствительность , чем вакуумные .

Фотосопротивления представляют собой нанесенный на стеклянную пластинку слой полупроводника , на поверхности которого укреплены токоподводящие электроды (рис.4) . При освещении полупроводника число носителей тока в нем резко возрастает , а сопротивление резко падает . Изменяя интенсивность света . можно регулировать сопротивление цепи в широком интервале .

Описание установки и ход выполнения работы.
В работе исследуется вакуумный фотоэлемент с сурьмяно - цезиевым катодом. Красная граница фотоэффекта мкм Площадь фотокатода 2·10^-3м².

Лабораторная установка позволяет :

1. 
   исследовать вольтамперную характеристику (ВАХ) фотоэлемента ;
   
2. 
   определить его интегральную чувствительность ;
   
3. 
   проверить 1 закон фотоэффекта .
   

Электрическая схема установки показана на рис.5 . Потенциометром P плавно изменяют напряжение , подаваемое на анод A . Величина напряжения измеряется вольтметром , сила фототока микроамперметром . Катод К освещается лампой накаливания Л , которая может перемещаться вдоль линейки АB . Интенсивность света , падающего на катод , регулируется расстоянием r между лампой и фотоэлементом Ф .



Снятие ВАХ фотоэлемента
1. Установите источник света Л на заданном расстоянии r от фотоэлемента.

2. Изменяя потенциометром анодное напряжение U_а от 0 до 150 В через 10 В, снимите зависимость силы фототока от напряжения . Данные занесите в таблицу 1
Таблица 1

Uа, В	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100	110	120	130
Іа, мкА

3. 
   Постройте график зависимости силы фототока от анодного напряжения .
   

Определение интегральной чувствительности фотоэлемента .

1. 
   По графику построенной Вами ВАХ определите силу тока насыщения І_н.
   
2. 
   По таблице 2 найдите соответствующий расстоянию световой поток Ф
   
3. 
   По формуле γ=І_н/Ф мкА/лм определите интегральную чувствительность исследуемого фотоэлемента .
   

Таблица 2

Расстояние r от лампы до фотоэлемента, см	30	31	32	33	34	35	36
Интенсивность света, Вт/м2	450	425	400	375	350	325	300
Световой поток, Ф, лм	0,9	0,85	0,80	0,75	0,70	0,65	0,60

Проверка 1 закона фотоэффекта .
1. Установите анодное напряжения , соответствующее току насыщения

( U  100 В )

2. 
   Изменяя расстояние между лампой r и фотоэлементом от 30 до 36 см. через 1 см. , снимите зависимость силы тока насыщения от интенсивности света . Постройте график этой зависимости и убедитесь , что ток насыщения , а следовательно и число вылетающих с поверхности катода за единицу времени электронов пропорциональна интенсивности света .
   

Контрольные вопросы .

1. 
   Что называется фотоэффектом ? ( 3 вида ) .
   
2. 
   Законы фотоэффекта и их объяснения на основе квантовой теории света .
   
3. 
   Какой из законов и как проверяется в работе ?
   
4. 
   Уравнения Эйнштейна для фотоэффекта и его анализа .
   
5. 
   Что называется красной границей фотоэффекта ?
   
6. 
   Фотоэлементы , их виды , устройство и принцип действия .
   
7. 
   Что называется интегральной чувствительностью фотоэлемента .
   
8. 
   Вольтамперная характеристика фотоэлемента , ее анализ .
   
9. 
   Рабочая схема , выполнение работы .
   

Литература

1. И.В.Савельев Курс общей физики, т2.- М.: «Наука» 1978, С.34

2. Т.И.Трофимова Курс физики, М.: «Высшая школа», 2002г., С.376-381

3. Б.М.Яворский, А.А.Детлаф Курс физики, т.3. – М.: «Высшая школа», 1979г. С.216-225

Лабораторная работа № 3.10
Изучение сериальных закономерностей в спектре излучения

атомарного водорода и определение постоянной Ридберга .
На основании опыта по рассеянию  - частиц , доказавших сложное строение атома , Резерфорд предложил планетарную модель атома , в которой принималось , что в центре атома находится положительно заряженное ядро , а вокруг него вращаются отрицательно заряженные электроны . Однако , модель атома Резерфорда противоречива . Действительно , движение электрона по орбите есть движение ускоренное . Но в этом случае согласно классической электродинамике, электрон непрерывно излучает электромагнитные волны , причем спектр излучения должен быть сплошным . Процесс излучения сопровождается потерей энергии электрона , при этом траектория его будет спиральной , и за время 10^-8с электрон должен будет упасть на ядро . Такой вывод , полученный на основании классической физики , противоречит известной стабильности атомов и линейчатому характеру атомных спектров .

Выход из создавшегося тупика был найден в 1913 г. Н. Бором , правда , ценой введения предположений , противоречащих классическим представлениям . Допущения , сделанные Бором , содержатся в трех постулатах :

1 постулат ( постулат стационарности ) .

Электроны могут двигаться в атоме только по стационарным , определенным орбитам , находясь на которых они не излучают .

2 постулат ( постулат квантования ) .

Стационарной является орбита , находясь на которой электрон имеет квантованные значения момента импульса , удовлетворяющие условию :

( 1 )

где L - момент импульса электрона на орбите ,

m - масса электрона ,

υ- скорость электрона на n - ой орбите ,

r - радиус n - ой орбиты ,

n - главное квантовое число ( целое , не равное нулю число ,

означающее номер орбиты ) ,

h - постоянная Планка , h=6,625 10^-34 Дж с

3 - постулат .

Атом излучает квант электромагнитной энергии , когда электрон переходит с орбиты большего на орбиту меньшего радиуса . При поглощении энергии происходит обратный переход : с орбиты меньшего на орбиту большего радиуса .

Энергия кванта h равна разности полных энергий электрона на орбитах до и после перехода :

, ( 2 )
где  - частота кванта , n₁ и n₂ - значения главного квантового числа (номера орбиты) до и после перехода .

Рассмотрим механизм излучения атома водорода по Бору . Вокруг положительно заряженного ядра по круговым орбитам , разрешенным условием (1) , может вращаться электрон . Центростремительная сила , удерживающая его на орбите , по своей природе является кулоновской силой , поэтому можно записать :

( 3 )

Исключив скорость υ из уравнения (1) и (3) , можно рассчитать дискретные значения радиусов электронных орбит в атоме по формуле (4) , придавая главному квантовому числу значения n = 1,2,3,...

( 4 )
Т ак , для первой боровской орбиты в этом атоме водорода r₁ = 0,53 , что по порядку величины совпадает с газокинетическим размером атома водорода .Полная энергия электрона на n - ой орбите в атоме слагается из кинетической энергии вращения электрона по орбите и потенциальной энергии взаимодействия с ядром ( последняя всегда отрицательна ):

( 5 )

Из уравнения (3) следует , что

( 6 )

Подстановка (6) в уравнение (5) позволяет определить полную энергию электрона в виде

( 7 )

И , наконец , используя выражение (4) для радиусов боровских орбит , можно вычислить разрешенные значения энергий электрона в атоме

( 8 )
Подчеркнем следующее : т.к. полная энергия электрона в атоме отрицательна , то уменьшение ее абсолютного значения соответствует ее возрастанию . Энергия достигает максимального значения Е = 0 при n = .

Это соответствует тому , что электрон получил максимально возможную энергию и стал свободным , т.е. произошла ионизация атома .

Схема энергетических уровней для электрона в атоме водорода , рассчитанных по формуле (8) , приведена на рис.2 . При увеличении номера орбиты , т.е. по мере удаления электрона от ядра, увеличивается потенциальная энергия их взаимодействия , а значит уменьшается устойчивость системы ядро - электрон . Следовательно , из всех стационарных разрешенных орбит ближайшая к ядру (n=1) является наиболее устойчивой , поэтому такое состояние электрона называется основным , или нормальным . Электрон , находящийся на орбите с n > 1 , пребывает в возбужденном состоянии и по истечении времени τ10^-8с переходит на одну из более близких к ядру орбит , испустив при этом квант электромагнитной энергии согласно уравнению (2). Энергии электрона на этих орбитах могут быть вычислены по формуле (8) , а частоту испущенного кванта для любого конкретного перехода можно вычислить по формуле :

( 9 )
где n₂ - номер орбиты , с которой совершался переход ,

n₁ - номер орбиты , на которую совершался переход .

Выражение (9) есть обобщенная формула Бальмера - Ридберга , в которой

(10)

называется постоянной Ридберга .

Если , в соответствии с (9) , совершаются переходы на некоторую выделенную орбиту со всех более удаленных орбит , то говорят , что высвечивается серия линий .

Для атома водорода опытно установлены несколько серий излучения (рис.1, 2):

n₁ =1 , a n₂ =2,3,4,... - серия Лаймана :

n₁ =2 , a n₂ =3,4,5,... - серия Бальмера :

n₁ =3 , a n₂ =4,5,6,... - Пашена : и т.д.

Поэтому формулу (9) называют еще сериальной формулой и записывают в виде :

(11)
Отметим , что лишь серию Бальмера можно наблюдать визуально , тогда как серия Лаймана находится в ультрафиолетовой , а серия Пашена и другие лежат в инфракрасной областях спектра .

К ак видно из рис.2, серия Бальмера , как и любая другая , состоит из бесчисленного множества линий . Однако , человеческий глаз способен различить три , реже - четыре линии , остальные лежат вне участка видимости (400 - 700 нм) В порядке возрастания частоты излучаемых квантов эти четыре характерные линии серии Бальмера следующие : H_ - ярко красная , H_ - зелено голубая , H_ - фиолетовая, H_ - слабо - фиолетовая (плохо различимая) . Таким образом, определив на опыте длины волн излучения линий серии Бальмера и учитывая

(12)
где с - скорость света ,

можно определить постоянную Ридберга, воспользовавшись для расчетов формулой (11).

С другой стороны , постоянная R выражается через известные физические постоянные и может быть рассчитана по формуле (10) . Совпадение величин R , рассчитанных по формуле (10) и опытно определенных по формуле (11) , одно из самых точных в физике . Это является подтверждением правильности теории Бора для атома водорода . Однако эта теория имеет и существенные недостатки : она не применима для расчетов спектров атомов более сложных , чем водород ; она не пригодна для расчетов интенсивности сериальных линий ; теории свойственна внутренняя противоречивость , т.к. она носит полуклассический характер .

Последовательной теорией, объяснившей не только огромное многообразие явлений в микромире, но и вскрывшей физическую природу самих боровских постулатов, явилась квантовая механика.