Описание установки и вывод расчетной формулы

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ   «БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра физики

ЕН.Ф. 03 ФИЗИКА

ЕН.Ф. 03 ФИЗИКА И БИОФИЗИКА

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

КВАНТОВАЯ ФИЗИКА

АТОМНАЯ И ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА

Уфа 2006

УДК 539

ББК 22.38

Л 12

Рекомендовано к изданию методической комиссией факультета электрификации и автоматизации сельского хозяйства (протокол № ____ от «____» ______________2006 г.)

Составитель: ст. преподаватель Фахретдинова Э.Ш.

Рецензент: профессор кафедры электрических машин и электрооборудования Муфазалов Ф.Ш.

Ответственный за выпуск: зав. кафедрой физики, доцент Юмагужин Р.Ю.

Лабораторный практикум предназначен для студентов всех специальностей.

ОГЛАВЛЕНИЕ

	Введение
	Лабораторная работа № 1 Изучение законов теплового излучения
	Лабораторная работа № 2 Изучение фотоэффекта и определение характеристик вакуумного фотоэлемента
	Лабораторная работа № 3 Изучение линейчатых спектров ртути, неона и водорода
	Лабораторная работа № 4 Изучение работы газового лазера и определение длины волны его излучения
	Лабораторная работа № 5 Определение активности радиоактивного вещества
	Лабораторная работа №6 Изучение поглощения ионизирующего излучения веществом
	Библиографический список
	Приложение А

Введение

Лабораторный практикум по квантовой, атомной и ядерной физике предназначен для студентов очного и заочного отделений всех специальностей.

Тематика работ соответствует ГОС и примерной программе дисциплины «Физика», утвержденной Минобразования России в 2000 году.

Лабораторные занятия имеют своей целью укрепление знаний теоретического материала, ознакомление с работой газового лазера, монохроматора, счетчиком Гейгера-Мюллера, а также с физическими явлениями, наблюдающимися в природе и использующимися на практике. Открытие сложного строения атома и атомного ядра – важный этап становления современной физики, наложивший отпечаток на все её дальнейшее развитие. В процессе создания теории атома и ядра, были открыты новые законы движения микрочастиц – законы квантовой физики.

При подготовке к лабораторным занятиям студент обязан составить конспект по теоретическому материалу, пользуясь литературой, указанной в библиографическом списке.

Лабораторный практикум составлен на основе методических указаний, разработанных преподавателями кафедры физики БГАУ: Белобородовой Н.Н., Лобановым В.М., Фахретдиновой Э.Ш., Посняком В.К.

Лабораторная работа №1

Изучение законов теплового излучения

Цель и задачи работы:Изучение законов теплового излучения, устройства оптического пирометра, определение температуры нагретого тела и постоянной Стефана – Больцмана.

Общие сведения

Тепловым (или температурным) излучением называется электромагнитное излучение, испускаемое телами за счет их внутренней энергии, т.е. за счет движения атомов и молекул вещества. Оно свойственно всем телам при любой температуре выше нуля Кельвина.

Для количественной оценки теплового излучения вводятся следующие характеристики:

1) Энергетическая светимость или полная излучательная способность R_Т – это энергия W, излучаемая с единицы площади поверхности S излучаемого тела по всем направлениям за единицу времени t при данной температуре Т:

. (1)

2) Спектральная излучательная способность или спектральная плотность энергетической светимости R_lТ - это количество энергии dW, в узком интервале длин волн от l до l+dl , испускаемой за единицу времени по всем направлениям с единицы площади поверхности S тела, имеющего температуру Т :

. (2)

3) Спектральная поглощательная способность A_l,Т – величина, показывающая, какая часть энергии излучения с длиной волны l, достигающая за единицу времени площади поверхности тела, имеющего температуру Т, поглощается им (коэффициент поглощения):

. (3)

В теории теплового излучения вводится понятие – абсолютно черное тело – тело, которое полностью поглощает весь падающий на него поток излучения. Коэффициент поглощения абсолютно черного тела равен единице. В природе абсолютно черных тел нет, наиболее близким приближением к абсолютно черному телу является модель в виде непрозрачного сосуда сферической формы, стенки которого имеют одинаковую температуру.

Экспериментально установлено несколько законов теплового излучения:

1) Закон Кирхгофа. Отношение излучательной способности R_lТ тел к их поглощательной способности A_lТ не зависит от природы тел, а зависит от температуры тел и от длины волны излучения и равно излучательной способности абсолютно черного тела r(l, Т):

. (4)

Рисунок 1 Спектр излучения абсолютно черного тела

Энергетической светимостью R_T абсолютно черного тела называется количество энергии, излучаемой с единицы площади за единицу времени для всех длин волн:

. (5)

2) Закон Стефана-Больцмана.Энергетическая светимость абсолютно черного тела прямо пропорциональна четвертой степени термодинамической температуры

(6)

где s = 5,67×10^-8 Вт×м^-2×К^-4 – постоянная Стефана-Больцмана.

3) Закон Вина (закон смещения). Длина волны на которую приходится максимум излучательной способности, обратно пропорциональна термодинамической температуре абсолютно черного тела:

(7)

где b₁ = 2,9×10^{-3 м}×К.

Описание установки и вывод расчетной формулы

Для выполнения данной лабораторной работы используются пирометр, источник теплового излучения (лампа накаливания), амперметр, вольтметр, калибровочный график.

Законы излучения абсолютно черного тела используются при измерении температуры раскаленных и самосветящихся тел (например, расплавленного металла в доменных печах, звезд). Методы измерения высоких температур, использующие законы теплового излучения, называются оптической пирометрией.

Приборы, предназначенные для измерения температуры нагретых тел по интенсивности их теплового излучения в оптическом диапазоне спектра, называются пирометрами. В зависимости от того, какой закон теплового излучения используется при измерении температуры тел, различают радиационную, цветовую и яркостную температуру. Так как интенсивность теплового излучения резко убывает с уменьшением температуры тел, методы пирометрии применяют для измерения сравнительно высоких температур. При Т<1000^оС они играют второстепенную роль, при Т>1000^оС становятся главными, а при Т>3000^оС практически единственными методами измерения температуры. Связано это с тем, что методы пирометрии не требуют контакта датчика измерительного прибора с телом, температура которого измеряется. Основное условие применимости методов пирометрии – излучение тела должно быть чисто тепловым, т.е. должно подчиняться закону излучения Кирхгофа.

В настоящей работе измерение температуры тела проводится при помощи яркостного пирометра с исчезающей нитью, обеспечивающего наибольшую точность в диапазоне температур от 10³ до 10⁴ К. Этот метод основан на визуальном сравнении монохроматических яркостей эталона и изображения раскаленного тела (вольфрамовой спирали лампы накаливания). В качестве эталона яркости в оптическом пирометре используется пирометрическая лампа 1 (рисунок 2), для которой известна зависимость температуры нити от тока, протекающего по ней.

Рисунок 2 Оптическая и электрическая схема установки:

1- пирометрическая лампа; 2- объектив; 3- светофильтр;

4-окуляр; 5-кнопка включения пирометра; 6-исследуемая

лампа; 7-ручка регулировки накала лампы пирометра;

8-аккумулятор; 9-амперметр; 10- вольтметр; 11-источник тока в цепи лампы накаливания; 12-регулятор тока

Изображение источника излучения 6, температуру которого хотят измерить, с помощью объектива 2 проецируется в плоскости пирометрической лампы 1. Наблюдатель, смотрящий в окуляр 4, видит нить пирометрической лампы на фоне спирали лампы накаливания. Регулируя ток накала лампы пирометра регулятором R₂, можно добиться того, что она станет одинаковой яркости с исследуемой нитью и перестанет быть видимой на фоне спирали, т.е. «исчезает». В этом режиме и следует определить температуру по шкале прибора.

Так как исследуемая нить не является абсолютно черной, то найденная таким образом температура тела Т_ЯРК всегда ниже ее истинной термодинамической температуры, так как любое тело излучает меньше энергии, чем абсолютно черное тело при той же температуре (согласно закону Кирхгофа). Для того, чтобы определить истинную температуру, нужно учесть поправку DТ, тогда

. (8)

На рисунке 3 представлена зависимость поправки DТ от температуры Т_ЯРК.

Рисунок 3 Зависимость температурной поправки DТ

от яркостной температуры

По закону Стефана-Больцмана для серого тела энергетическая светимость:

, (9)

где а_Т – коэффициент поглощения (для вольфрама а_Т =0,45).

Мощность излучения тела, имеющего температуру Т в среде с температурой Т₀:

, (10)

где S – площадь излучающей поверхности (для лампы в данной лабораторной установке S = 0,6×10^{-4 м2}).

На поддержание накала нити лампы затрачивается мощность:

(11)

где I – сила тока, А;

U – напряжение, В.

При равновесной температуре нити (т.е. Т = const)

, (12)

поэтому

Отсюда получим выражение для постоянной Стефана-Больцмана:

. (13)

Поскольку , то можно приближенно записать:

. (14)