Дослідження О. Г. Столєтова

Фотоелектричний ефект.

Застосування законів теплового випромінювання

Закони теплового випромінювання застосовуються для вимірювання температури розжарених тіл і тіл, які світяться, віддалених від спостерігача (зірки), якщо не можна використовувати звичайні термометри розширення, терморезистори або термопари. Сукупність методів вимірювання високих температур, які ґрунтуються на використанні залежності випромінювальної здатності досліджуваного тіла або його енергетичної світимості від температури, називається оптичною пірометрією. Прилади, які застосовуються для цих цілей, називаються пірометрами.

Цей метод підходить лише тоді, коли тіла випромінюють за законами, наближеними до законів випромінювання абсолютно чорного тіла.

Існують методи визначення температури тіла:

· згідно методів Стефана-Больцмана;

· згідно першого закону Віна; визначається довжина, на яку припадає максимум спектрального випромінювання;

· метод порівняння яскравості двох тіл за допомогою оптичного пірометра.

Світіння розжарених тіл широко використовується для виготовлення джерел світла. Перші лампи розжарювання зробив О.М. Лодигін ще в 1873 році, а перші дугові лампи – П.М. Яблочков у 1876 році. Нині використовують лампи розжарювання з вольфрамовою ниткою, яка має велику тугоплавкість і стійкість до розпилювання при високих температурах нагрівання. Частина енергії, яка припадає на випромінювання видимого світла, у вольфраму значно більша, ніж у абсолютно чорного тіла, нагрітого до тієї самої температури. Лампи розжарювання ще заповнюють інертним газом, щоб зменшити швидкість розпилювання вольфраму. Температура розігрівання вольфрамової нитки в області довжин хвиль, які відповідають денному світлу = 5500 нм, дорівнює 2500 – 3000 К. Енергетичний коефіцієнт сучасних ламп розжарювання не перевищує 5 %, тобто не більш як 5 % енергії, витраченої в лампі, випромінюється нею у вигляді видимого світла.

Виривання електронів з поверхні речовини під дією електромагнітної хвилі називається зовнішнім фотоефектом.

Існує внутрішній, зовнішній та ядерний фотоефект.

Випадок, коли електрон переходить з однієї енергетичної зони в іншу, не покидаючи речовини, називають внутрішнім фотоефектом.

Ядерний фотоефект - це виривання складових ядра (нукло­нів) під дією g-випромінювання.

Явища зовнішнього фотоефек­ту відкриті в 1883 році Герцем. Він спостерігав розряд між двома кульками і помітив, що той "покращується", якщо опромінюва­ти кульку світлом, проте Герц не пояснив цього явища.

Закономірності фотоефекту досліджував Столєтов. Його дослід (рис. 1.5) з виявлення фотоефекту полягає в тому, що в колбу, де створено технічний вакуум, впаяні катод та анод. Через отвір в колбі на катод падає світло. До колби паралельно підключено вольтметр V, послідовно - гальванометр мА, який фіксував виникнення струму.

Унаслідок цих досліджень була встановлена вольт-амперна характеристика залежності фотоструму від напруги (рис. 1.6). Досліди з чутливим гальванометром показали, що потік електронів від освітленого катода досягає анода і без прискорюючої напруги між ними (значення І₀).

І₀ – струм, який спостерігається у колі при умові, що напруга між катодом і анодом дорівнює 0.

Струм у колі спостерігається тому, що з поверхні катоду вириваються електрони з кінетичною енергією, достатньою, щоб за її рахунок дістатися аноду. Щоб звести фотострум до нуля, довелося прикласти до електродів, у приладі Столєтова, деяку гальмуючу напругу U_З (рис. 1.6). Очевидно, електрони, що вивільнялися з катода під дією світла, дістали певну швидкість (кінетичну енергію), яку можна було визначити за величиною гальмуючої напруги U_З (тобто кінетична енергія електрона витрачається на роботу проти сил електростатичного поля, яке створене між катодом та анодом), а саме: кінетична енергія електрона дорівнює

,

тоді як робота проти сил електростатичного поля визначається:

,

тобто

,

де U_З − затримуюча різниця потенціалів.

При збільшенні напруги між катодом і анодом збільшується енергія електричного поля. Кількість електронів, які будуть досягати анода в одиницю часу, буде збільшуватися, а тому струм у колі буде зростати.

При певному значенні напруги кількість вирваних електронів з поверхні катода за одиницю часу буде рівна кількості електронів, які досягли поверхні аноду за цей самий проміжок часу. Тому, при подальшому збільшенні напруги, струм у колі залишається постійним і називається струмом насичення. Величина струму насичення залежить від матеріалу катоду.

Сила струму насичення І_н визначається кількістю електронів, які “вириваються” з поверхні катоду за одиницю часу під дією електромагнітної хвилі (світла).

Закономірності фотоефекту за Столєтовим.

1. Кількість електронів, що вириваються світлом за 1 с, прямопропорційна величині світлового потоку, що падає на катод (метал).

2. Максимальна початкова енергія фотоелектронів визначається лише частотою опромінення і не залежить від його інтенсивності.

3. Незалежно від інтенсивності світла, фотоефект починається тільки при певній частоті (довжині хвилі) опромінення n; якщо n < n_о, (n_о - мінімальна частота, при якій виникає фотоефект), то фотоефект не виникає, при n > n_о - виникає (n_о залежить від речовини, з якої виготовлений катод). Частоту n_о називають “червоною межею” фотоефекту.

4. Фотоефект - явище безінерційне (дослідження показали, що час між паданням світла і виходом електронів з металу не перевищує 10^-8 с).

Дата добавления: 2017-02-01