Методические указания а. Д. Рожковский (стр. 10 из 20)
Наличие импульса у фотона, предсказанное еще Дж. Максвеллом (1873), было подтверждено экспериментально П.Н. Лебедевым (1900) измерением светового давления. При этом его величина совпала с предсказанной с хорошей точностью. Эффект Комптона (1923) подтверждает квантовую природу света во взаимодействии фотона со связанным в атоме электроном. При исследовании рассеяния рентгеновского или γ – излучения А. Комптон установил, что при прохождении его через вещество регистрируются излучение с большей длиной волны. Это можно объяснить, если только представить пучок лучей фотонами - частицами, упруго сталкивающимися со слабо связанными электронами и передающими им импульс.
Лабораторная работа № 6. Порядок выполнения работы.
Задание. Свойства света в фотоэффекте.
Ознакомьтесь с теоретической частью работы.
Откройте рабочее окно.
А). Нажмите кнопку Тест. Используя движок, уменьшайте длину волны, пока не возникнет ток в регистрирующем приборе, и вы не увидите поток электронов. Медленно увеличивая длину волны, определите максимальное ее значение λ0 (длина волны красной границы фотоэффекта) при котором наблюдается фотоэффект. Запишите это значение. Рассчитайте энергию фотона и найдите работу выхода A в электрон-вольтах. Подставьте это значение в окно теста и нажмите кнопку Проверить. Если расчеты сделаны правильно, появиться надпись Правильно!!! и переключатель теста переключится в положение масса фотона.
Б). Увеличивая и уменьшая интенсивность света переключателем над движком, проследите, как меняется поток электронов в зависимости от интенсивности света. Сделайте вывод. При минимальной интенсивности света, немного увеличьте длину волны, так чтобы фотоэффект перестал наблюдаться. Рассчитайте для этой длины волны энергию фотона. Увеличьте интенсивность в 2 раза, а затем в 4 раза. При увеличении интенсивности пропорционально увеличивается количество фотонов и, соответственно, их суммарная энергия: E = nhn; = nc/l, где n- число фотонов. Пронаблюдайте, возникнет ли при увеличении интенсивности света фотоэффект или нет. Будет ли в этих 2-х случаях суммарная энергия потока фотонов больше, чем суммарная энергия потока фотонов для λ0 при минимальной интенсивности света? От чего зависит проявление фотоэффекта: от энергии каждого фотона в световом потоке или от суммарной энергии всех фотонов? Какой вывод можно сделать на основании проведенных наблюдений?
В). Используя найденное для λ0 значение энергии фотона, рассчитайте его массу. Подставьте это значение в окно теста и нажмите кнопку Проверить. Если расчеты сделаны правильно, появиться надпись Правильно!!! Покажите результат преподавателю. Внимание! Вам в первой части теста и во второй дается 3 попытки. Если появится надпись «Попробуйте еще раз!!!», надо будет снова нажать кнопку тест, и передвигая движок, заново определить длину волны λ0.
Лабораторная работа № 6. Форма отчета.
Общие требования к оформлению.
Работа выполняется на листах бумаги формата A4, или на двойных тетрадных листах.
В заголовке указываются:
Фамилия и инициалы студента, № группы
НАЗВАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ
Каждое задание лабораторной работы оформляется как ее раздел и должно иметь заголовок. В отчете по каждому заданию, должны быть даны ответы на все вопросы и, если это указано, сделаны выводы и приведены необходимые рисунки. Результаты тестовых заданий обязательно должны быть показаны преподавателю. В заданиях, включающих в себя измерения и расчеты, должны быть приведены данные измерений и данные проведенных расчетов.
Задание. Свойства света в фотоэффекте
А). Найденное значение длины волны красной границы фотоэффекта λ0. Расчеты энергии фотона и работы выхода A в электрон-вольтах.
Б). Вывод о влиянии изменения интенсивности света на наблюдаемый поток электронов в фотоэффекте.
Расчет энергии фотона для длины волны большей, чем λ0. Ответы на вопросы.
Заключительный вывод, почему из полученных данных следует, что в фотоэффекте свет проявляет не волновые свойства, а корпускулярные?
В). Расчет массы фотона для длины волны λ0 красной границы фотоэффекта.
C:\www\doc2html\work\bestreferat-411759-14098678075836\content_t.html
Контрольные вопросы для проверки усвоения темы лабораторной работы:
1. Какое противоречие в теории электромагнитного излучения привело к представлению, что свет может проявлять дискретные свойства?
2. В каких явлениях свет проявляет корпускулярные свойства?
3. Почему в формуле Эйнштейна только часть энергии фотона передается электрону в виде кинетической энергии?
4. Почему энергию кванта Е = hν можно приравнять к энергии, определяемой через формулу Эйнштейна E = mc2?
5. Какие особенности проявления фотоэффекта указывают на то, что в этом явлении свет проявляет корпускулярные, а не волевые свойства?
6. Какой концептуально важный вывод о свойствах материи (поля и вещества) можно сделать на основании того, что свет можно представлять как распространение электромагнитного поля, так и как поток частиц - фотонов?
7. Если на пути распространения звуковых волн поставить вертушку или расположить флюгер, вам вряд ли удастся заставить ее вертеться, а флюгер повернуться вдоль направления движения звука. Однако даже под действием слабого ветра это происходит? Используя эту аналогию, объясните, почему под действием света (электромагнитных волн) в опытах Лебедева вертушка крутилась и почему хвост кометы направлен в противоположную сторону от Солнца? Какие свойства проявляет в данных случаях свет?
Лабораторная работа № 7. ОПИСАНИЕ
Дифракция электронов.
Рабочее окноВид рабочего окна приведен на Рис. 1.1. В рабочем окне приведена модель дифракции электронов. В нижней правой части окна расположены кнопки управления и кнопки теста. Кнопка Пуск запускает модель, кнопка Стоп останавливает. В окнах рядом с кнопками теста фиксируется число правильных ответов и число попыток. В окно под кнопками теста вводятся рассчитанные параметры. В верхнем положении переключателя это длина волны электрона, а в нижнем - его скорость. Перемещением движка можно изменять напряжение электрического поля, в котором разгоняются электроны.
C:\www\doc2html\work\bestreferat-411759-14098678075836\content_t.html
Рисунок 1.1.
Длина волны определяется измерением расстояния между максимумами интерференционной картины. Для этого используется перемещаемая линейка. Скорость электрона определяется по величине ускоряющего напряжения. Измерения проводятся для нескольких значений напряжения. Тестовая система фиксирует количество правильно данных ответов и общее число попыток.
Для открытия рабочего окна нажмите на его изображение.
Лабораторная работа № 7. Теория.
Дифракция электронов.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: На примере дифракции электронов дать представление студентам о корпускулярно-волновых свойствах материи. Используя модель дифракции электронов на металлической фольге, наглядно продемонстрировать, проявление волновых свойств у микрочастиц.
Волновые свойства микрочастиц.
Развитие представлений о корпускулярно-волновых свойствах материи получило в гипотезе о волновом характере движения микрочастиц. Луи де Бройль из идеи симметрии в природе для частиц вещества и света приписал любой микрочастице некий внутренний периодический процесс (1924). Объединив формулы E = hν и E = mc2, он получил соотношение, показывающее, что любой частице соответствует своя длина волны: λБ= h/mv = h/p, где p- импульс волны-частицы. К примеру, для электрона, имеющего энергию 10 эВ, длина волны де Бройля составляет 0,388 нм. В дальнейшем было показано, что состояние микрочастицы в квантовой механике может быть описано определенной комплексной волновой функцией координат Ψ(q), причем квадрат модуля этой функции |Ψ|2 определяет распределение вероятностей значений координат. Эта функция была впервые введена в квантовую механику Шредингером в 1926 г. Таким образом, волна де Бройля не несет энергию, а только отображает “распределение фаз” некоего вероятностного периодического процесса в пространстве. Следовательно, описание состояния объектов микромира носит вероятностный характер, в отличие от объектов макромира, которые описываются законами классической механики.
Для доказательства идеи де Бройля о волновой природе микрочастиц немецкий физик Эльзассер предложил использовать кристаллы для наблюдения дифракции электронов (1925). В США К. Дэвиссон и Л. Джермер обнаружили явление дифракции при прохождении пучка электронов через пластинку из кристалла никеля (1927). Независимо от них дифракцию электронов при прохождении через металлическую фольгу открыли Дж. П. Томсон в Англии и П.С. Тартаковский в СССР. Так идея де Бройля о волновых свойствах вещества нашла экспериментальное подтверждение. Впоследствии дифракционные, а значит волновые, свойства были обнаружены у атомных и молекулярных пучков. Корпускулярно-волновыми свойствами обладают не только фотоны и электроны, но и все микрочастицы.