Экспериментальная установка.

Экспериментальная установка состоит из регулируемого осветителя. Фотоэлемент размещен внутри установки. Схема включения фотоэлемента и измерительных приборов приведена на рис.3: ИП - источник регулируемого напряжения, V – вольтметр для измерения напряжения в цепи, А – микроамперметр для измерения фототока, ФЭ - фотоэлемент.

Рис. 3. Схема экспериментальной установки

Измерения

1. Снимите вольтамперную характеристику фотоэлемента. Установите зависимость фототока от напряжения при нескольких постоянных значениях светового потока (по указанию преподавателя).Данные внесите в таблицы.

Таблица 1

Ф₁ = …лм

I, мкА
U, В

Таблица 2

Ф₂ = …лм

I, мкА
U, В

Постройте графики зависимостей I = f(U) по 10 - 12 точкам в одной системе координат (x=U(В), y=I(мкА)). Определите токи насыщения.

2. Снимите световые характеристики. Установите зависимость фототока от светового потока при нескольких постоянных значениях напряжения (по указанию преподавателя).Данные запишите в таблицы.

Таблица 3

U₁ = …В

I, мкА
Ф, лм

Таблица 4

U₂ = …В

I, мкА
Ф, лм

Постройте графики по 10-12 точкам в одной системе координат (x=Ф(лк), y=I(мкА)).

Контрольные вопросы

1. В чем состоит явление, называемое фотоэффектом.

2. Сформулируйте законы фотоэффекта. В чем эти законы противоречат представлениям классической физики?

3. Как качественно, следуя волновой картине излучения, объяснить фотоэффект?

4. Объясните законы фотоэффекта, исходя из формулы Эйнштейна.

5. Что такое красная граница фотоэффекта. Чем определяется числовое значение граничной частоты? Что влияет на положение красной границы фотоэффекта?

6. Что такое фотоэлемент и какова его вольтамперная характеристика?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6-3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЗОНАНСНОГО ПОТЕНЦИАЛА ВОЗБУЖДЕНИЯ АТОМА МЕТОДОМ ФРАНКА – ГЕРЦА

Цель работы: экспериментальное подтверждение дискретности атомных состояний и квантового поглощения энергии атомом.

Приборы и принадлежности: лабораторный комплекс ЛКК-2, лампы Л1 и Л2, наполненные соответственно неоном и гелием.

Теоретическая часть.

Первая попытка создания модели атома принадлежит Дж.Дж. Томсону (1903). Согласно этой модели, атом представляет собой непрерывно заряженный положительным зарядом шар радиусом порядка 10^-10 м, внутри которого около своих положений равновесия колеблются электроны. Суммарный положительный заряд шара равен заряду электронов, так что атом в целом нейтрален.

В 1911г. Э. Резерфорд, анализируя процесс рассеяния a- частиц при прохождении через тонкие слои вещества, предложил ядерную (планетарную) модель атома. Согласно Резерфорду, атом представляет собой систему зарядов, в центре которой расположено тяжелое положительное ядро с зарядом Ze, имеющее размер 10^-15-10^-14 м и массу, практически равную массе атома. Вокруг ядра в области с линейными размерами порядка 10^-10 м расположены Z электронов, распределенных по всему объему, образуя электронную оболочку атома.

Рис. 1. Планетарная модель атома.

Однако ядерная модель оказалась в противоречии с законами классической механики и электродинамики. Поскольку система неподвижных зарядов не может находиться в устойчивом состоянии, Резерфорду пришлось отказаться от статической модели атома и предположить, что электроны движутся вокруг ядра по замкнутым круговым орбитам. Но в этом случае электроны будут двигаться с ускорением (так как любое тело, двигаясь по окружности, обладает центростремительным ускорением), в связи с чем, согласно классической электродинамике, они должны непрерывно излучать электромагнитные волны. Процесс излучения сопровождается потерей энергии, так что электрон, в конечном счёте, должен упасть на ядро. Этого же не происходит.

Попытки построить модель атома в рамках классической физики не привели к успеху. Выход из создавшегося тупика был найден в 1913г. датским физиком Бором. В теории Бора не содержалось принципиального отказа от описания поведения электронов в атоме при помощи законов классической физики, однако, ему пришлось делать некоторые ограничения, противоречащие классическим представлениям. Эти ограничения сформулированы в виде двух постулатов:

1. Существуют некоторые стационарные состояния атома, находясь в которых он не излучает энергии. Стационарным состоянием атома соответствуют стационарные орбиты, по которым движутся электроны, имеющие дискретные квантованные значения момента импульса, удовлетворяющие условию:

(n = 1,2.3…).

2. При переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую излучается (поглощается) один фотон с энергией , равной разности энергий соответствующих стационарных состояний.

Квантовый характер поглощения энергии атомом, постулированный Бором, экспериментально подтверждён опытами Франка и Герца, поставленными в 1913 г. Схема установки изображена на рис.2. В трубке, заполненной парами ртути, под небольшим давлением (~1мм рт. ст.) имелись три электрода: катод К, сетка С и анод А. Электроны, вылетающие из разогретого катода, ускорялись разностью потенциалов U, приложенной между катодом и сеткой. Эту разность потенциалов можно было плавно менять. Между сеткой и анодом создавалось слабое задерживающее электрическое поле , тормозившее движение электронов к аноду.

Электроны, встречающие на своём пути атомы, могут испытывать с ними соударения двоякого рода.

Рис. 2.

Первый тип соударений - упругие столкновения, в результате которых энергия электронов не изменяется, а изменяется лишьнаправление скорости электронов. Такие столкновения, хотя и затрудняют попадание электронов на анод, не могут явиться причиной резкого спада анодного тока в трубке, который должен возрастать с увеличением ускоряющей разности потенциалов U.

Второй тип возможных соударений электронов с атомами - неупругие столкновения - связан с потерей электронами их энергии и передачей этой энергии атомам ртути.

В соответствии с постулатами Бора каждый из атомов ртути может поглотить лишь определённую энергию и перейти в одно из возбуждённых энергетических состояний. Ближайшее к нормальному состоянию атома ртути – возбуждённое состояние, отстоящее от основного по шкале энергий на 4,86 эВ.

До тех пор, пока электроны, ускоряемые полем, не приобретут энергию W₁ = 4,86 эВ, они испытывают лишь упругие столкновения, и анодный ток возрастает. Как только кинетическая энергия достигает 4,86 эВ, начинаются неупругие столкновения. Электрон с таким значением энергии полностью отдаёт её атому ртути, вызывая переход одного из электронов атома из нормального энергетического состояния в возбуждённое. Такой электрон, потерявший свою кинетическую энергию, не сможет преодолеть задерживающее его поле и не достигнет анода. Таким образом, при разности потенциалов между катодом и сеткой, равной 4,86 эВ, должно происходить резкое падение анодного тока. Аналогичное

Рис. 3.

явление происходит при W₂= 2×4,86 эВ, W₃ = 3×4,86 эВ и, вообще говоря, при W_n= n×4,86 эВ, когда электроны могут испытывать два, три и т.д. неупругих соударения с атомами ртути, теряя полностью свою энергию и не достигая анода. На рис.3

приведена характерная кривая зависимости анодного тока от разности потенциалов между катодом и сеткой в опытах Франка и Герца