Московский Государственный Университет Инженерной Экологии

Кафедра физики.

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

по курсу физики

с компьютерными моделями

(КВАНТОВАЯ ОПТИКА. АТОМНАЯ ФИЗИКА.

ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ)

для студентов всех специальностей

МОСКВА - 2004

СОДЕРЖАНИЕ

ОФОРМЛЕНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ К ЗАЧЁТУ 2

КВАНТОВАЯ ОПТИКА. АТОМНАЯ ФИЗИКА.

ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ 4

401 ВНЕШНИЙ ФОТОЭФФЕКТ 4

402 СПЕКТР ИЗЛУЧЕНИЯ АТОМАРНОГО ВОДОРОДА 8

403 ЭФФЕКТ КОМПТОНА 13

ОФОРМЛЕНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ К ЗАЧЕТУ

Полностью оформленная и подготовленная к зачету работа должна соответствовать следующим требованиям:

1. Выполнение всех пунктов раздела описания “Оформление отчета”

2. Графики должны удовлетворять всем требованиям, приведенным ниже.

3. Для всех величин в таблицах должна быть записана соответствующая единица измерения.

4. Записаны выводы по каждому графику (см. ниже шаблон)

5. Выписан ответ по установленной форме (см. ниже шаблон).

6. Записаны выводы по ответу (см. ниже шаблон).

Г Р А Ф И К (требования):

• на миллиметровке или листе в клетку, размер не менее 1/2 тетрадного листа,

• на графике: оси декартовой системы, на концах осей - стрелки, индексы величин, единицы измерения, 10^N,

• на каждой оси - равномерный масштаб (риски через равные промежутки, числа через равное количество рисок),

• под графиком - полное название графика СЛОВАМИ,

• на графике - экспериментальные и теоретические точки ярко,

• форма графика соответствует теоретической зависимости (не ломаная).

ВЫВОД по ГРАФИКУ (шаблон):

Полученный экспериментально график зависимости __________________

название функции словами

от ______________ имеет вид прямой (проходящей через начало координат,

название аргумента

параболы, гиперболы, плавной кривой) и качественно совпадает с теорети-ческой зависимостью данных характеристик, имеющей вид ______________.

формула

ОТВЕТ: По результатам измерений и расчетов получено значение _________________________ , равное _____ = ( ___  ____ ) 10 ^___ _________

название физической характеристики символ среднее ошибка степень един.измер/

ВЫВОД по ОТВЕТУ (шаблон):

Полученное экспериментально значение величины _________________,

полное название словами

равное _________________, с точностью до ошибки измерений,

число, единица измерения

составляющей ________________ , совпадает (не совпадает) с табличным

число, единица измерения

(теоретическим) значением данной величины, равным ________________ .

число, единица измерения

КВАНТОВАЯ ОПТИКА. АТОМНАЯ ФИЗИКА.

ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 401

ВНЕШНИЙ ФОТОЭФФЕКТ

Ознакомьтесь с конспектом лекций и учебником (Савельев, т.3, §9). . Прочитайте краткие теоретические сведения. Необходимое запишите в свой конспект.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

• Знакомство с квантовой моделью внешнего фотоэффекта.

• Экспериментальное подтверждение закономерностей внешнего фотоэффекта.

• Экспериментальное определение красной границы фотоэффекта, работы выхода фотокатода и постоянной Планка.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ:

Фотоны это частицы (кванты), поток которых является одной из моделей электромагнитного излучения (ЭМИ).

ЭНЕРГИЯ ФОТОНА Е_Ф = h,

n - частота излучения, h - постоянная Планка, h = 6.62×10^-34 Дж×с.

Энергия часто измеряется во внесистемных единицах «электрон-вольтах».

1 эВ = 1.6·10^-19 Дж.

Масса фотона связана с его энергией соотношением Эйнштейна

Е_Ф = m_Фc², отсюда m_Ф =

ИМПУЛЬС ФОТОНА p = m_Ф c = где  - длина волны ЭМИ.

ВНЕШНИЙ Фотоэффект есть явление вылета электронов из вещества (металла, фотокатода) при его облучении электромагнитным излучением (ЭМИ), например, светом. Вылетевшие электроны называются фотоэлектронами. Далее для краткости указанное явление будем называть просто фотоэффектом.

Кинетическая энергия электрона внутри вещества увеличивается на hn, но при вылете фотоэлектрона из вещества им совершается работа А_ВЫХ (работа выхода) против сил электростатического притяжения к металлу. У фотоэлектрона сообщенная ему фотоном порция энергии уменьшается на величину, равную работе выхода из металла (фотокатода), а оставшаяся часть имеет вид кинетической энергии фотоэлектрона вне металла (фотокатода):

= hn - А_ВЫХ .

Это соотношение называют формулой (законом) Эйнштейна для фотоэффекта.

Красная граница фотоэффекта есть минимальная частота ЭМИ, при которой еще наблюдается фотоэффект, т.е. для которой энергия фотона равна работе выхода hn_КР= А_ВЫХ.

Запирающим (задерживающим) напряжением называется минимальное тормозящее напряжение между анодом вакуумной лампы (фотоэлемента) и фотокатодом, при котором отсутствует ток в цепи этой лампы, т.е. фотоэлектроны не долетают до анода. При таком напряжении кинетическая энергия электронов у катода равна потенциальной энергии электронов у анода, откуда следует выражение:

U_ЗАП = ,

где е - заряд электрона.

МЕТОДИКА и ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ

Внимательно рассмотрите рисунок и зарисуйте необходимое в свой конспект лабораторной работы.

Зацепите мышью движок реостата регулятора интенсивности (мощности) облучения фотокатода и установите его на максимум.

Аналогичным образом установите нулевое напряжение между анодом и фотокатодом и минимальную длину волны ЭМИ. Наблюдайте движение электронов в фотоэлементе, изменяя напряжение до запирания фототока.

ИЗМЕРЕНИЯ

1. Зацепив мышью, перемещайте метку на спектре, постепенно увеличивая длину волны облучения фотокатода. Добейтесь полного отсутствия фототока. Зафиксируйте самую большую длину волны (она будет равна _кр), при которой фототок еще присутствует. Запишите в тетрадь значение длины волны красной границы фотоэффекта (_кр).

2. Для более точного определения связи запирающего напряжения с длиной волны падающего излучения

• Сначала установите значение запирающего напряжения в соответствии с таблицей 2.

• Перемещая мышью вертикальную метку на спектре, установите такое максимальное значение длины волны, при котором прекращается фототок (при визуальном наблюдении электронов вы видите, что практически все электроны долетают до анода и после этого движутся обратно к катоду).

• Значения  и U_ЗАП занесите в таблицу 1.

ТАБЛИЦА 1. результаты измерений для UЗАП = ___							ТАБЛИЦА 2. ЗНАЧЕНИЯ ЗАПИРАЮЩЕГО НАПРЯЖЕНИЯ (не перерисовывать)
	i =	1	2	3	4			Бригады	UЗАП1	UЗАП2	UЗАП3	UЗАП4
	UЗАПi, В							1, 5	-0.1	-0.3	-0.6	-0.8
	i, нм							2, 6	-0.2	-0.4	-0.6	-0.9
	1/i,106м-1							3, 7	-0.3	-0.5	-0.7	-1.0
								4, 8	-0.4	-0.7	-0.8	-1.1

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА:

1. Вычислите и запишите в таблицу обратные длины волн.

2. Постройте график зависимости напряжения запирания (U_ЗАП) от обратной длины волны (1/).

3. Определите постоянную Планка, используя график и формулу

.

1. Используя длину волны красной границы фотоэффекта, вычислите значение работы выхода материала фотокатода.

2. Запишите ответы и проанализируйте ответы и график.

ТАБЛИЦА 3. Значения работы выхода для некоторых материалов

Материал	калий	литий	платина	рубидий	серебро	цезий	цинк
АВЫХ, эВ	2.2	2.3	6.3	2.1	4.7	2.0	4.0

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Что такое фотоны?

2. Назовите все модели электромагнитного излучения.

3. Напишите формулу энергии фотона.

4. Напишите формулу, связывающую энергию фотона и его массу.

5. Напишите выражение энергии фотона через его импульс.

6. Дайте формулировку явления внешнего фотоэффекта.

7. Опишите по шагам, что происходит с фотоном, падающим на границу металла.

8. Опишите по шагам, что происходит со свободным электроном металла, после его взаимодействия с фотоном.

9. Опишите, что происходит с электроном, входящим в состав атома металла, после его взаимодействия с фотоном.

10. Что такое работа выхода? Чья это характеристика?

11. Напишите формулу Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

12. Дайте определение красной границы фотоэффекта.

13. Как устроен фотоэлемент?

14. Почему катод фотоэлемента называют фотокатодом?

15. Что такое запирающее напряжение для данного фотокатода.

16. Как движется фотоэлектрон в фотоэлементе при потенциале анода ниже потенциала фотокатода?

17. Как движется фотоэлектрон в фотоэлементе при потенциале анода выше потенциала фотокатода?

18. Как связана кинетическая энергия электрона у катода с его потенциальной энергией а анода и почему?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 402

СПЕКТР ИЗЛУЧЕНИЯ АТОМАРНОГО ВОДОРОДА

Ознакомьтесь с теорией в конспекте и учебнике (Савельев, т.3, §12, §28). Прочитайте краткие теоретические сведения. Необходимое запишите в свой конспект.