Vaje: Barve. 1. Fotoefekt. Barbara Rovšek, Ana Gostinčar Blagotinšek, Toma d Kranjc. Vse vaje izvajamo v zatemnjenem prostoru.

Transcript

1 Barbara Rovšek, Ana Gostinčar Blagotinšek, Toma d Kranjc Vaje: Barve Vse vaje izvajamo v zatemnjenem prostoru. 1. Fotoefekt Naloga: Ocenite energije fotonov rdeče, zelene in modre svetlobe. Za izvedbo vaje potrebujete fotocelico, ampermeter, voltmeter, vir napetosti, rdečo, zeleno in modro diodo. Fotocelica je evakuirana steklena bučka, v kateri sta dve elektrodi. Deluje podobno kot dioda, le da katode (ki jo imenujemo fotokatoda) ne grejemo, ampak jo osvetljujemo. Če na fotocelici, ki jo držimo v temi, ni napetosti (U = 0), skozi njo tok ne teče, kar vidimo na ampermetru (I = 0). Ko fotokatodo osvetlimo, skozi fotocelico steče električni tok kljub temu, da na njej ni napetosti (še vedno velja U = 0). Svetloba izbija iz katode elektrone, ti zatem letijo v vse smeri. Nekaj jih prileti tudi do anode, zato skozi fotocelico teče majhen tok. Pojav, ko svetloba iz snovi izbija elektrone, je fotoefekt. fotokatoda + anoda Če damo na fotocelico napetost tako, da je na anodi + in na katodi -, se tok precej poveča, ker pozitivna anoda elektrone, ki so negativni, privlači in zato polovi tudi veliko tistih, ki letijo najprej v druge smeri. Če pa je na fotocelici nasprotna napetost (napetost v zaporni smeri), na anodi - in na katodi + (kot je narisano na sliki 1), anoda elektrone odbija. Če je ta napetost majhna, nekateri elektroni, ki imajo dovolj veliko kinetično energijo in letijo proti anodi, do nje kljub temu, da se njihova hitrost zmanjšuje, vseeno dospejo. Ampermeter kaže majhen tok, ki pa se zmanjšuje, ko napetost U v zaporni smeri(slika 1) povečujemo. Anoda odvrne vse elektrone, ki imajo tik zatem, ko jih svetloba izbije iz fotokatode, kinetično energijo manjšo kot W k = e 0 U, kjer je e 0 = 1, As naboj elektrona. Pri poskusu večamo napetost v zaporni smeri, dokler toka skozi fotocelico ni več. Napetost, pri kateri to dosežemo, imenujemo zaporna napetost U zap. Zaporna napetost odvrne od anode tudi elektrone, ki imajo po izbitju največjo kinetično energijo W k,max, W k,max = e 0 U zap. A + U V Slika 1. Fotocelica, na kateri merimo zaporno napetost. Pri poskusih se izkaže, da je zaporna napetost odvisna od barve (frekvence ν ali valovne dolžine λ) vpadle svetlobe in snovi, iz katere je narejena fotokatoda in ni odvisna od gostote svetlobnega toka, ki osvetljuje katodo. Fotoefekta ne moremo razložiti z valovno sliko svetlobe, lahko pa ga pojasnimo z delčno (kvantno). Svetloba predaja svojo energijo 1

2 2 snovi v paketih ali kvantih, ki jim rečemo fotoni. Energija fotona W f je odvisna od frekvence svetlobe: W f = hν = hc 0 λ, kjer sta h = 6, Js = 4, ev Planckova konstanta in c 0 = 3, m/s hitrost svetlobe v vakuumu. Vsi fotoni svetlobe z določeno valovno dolžino λ imajo enako energijo. Energije fotonov in majhnih delcev navadno izražamo v elektronvoltih (ev). En elektronvolt je enak kinetični energiji elektrona, ki ga pospeši napetost 1 V, W k = e 0 U = 1, As 1V = = 1eV = 1, J. Fotoefekt je pojav, ko foton trči z elektronom v kovini (fotokatodi), mu pri tem preda vso svojo energijo in ob tem izgine. Elektron del prejete energije porabi za premagovanje privlačne sile kovine, preostanek pa obdrži kot kinetično energijo. Delo, ki ga elektron opravi proti privlačni sili kovine, je odvisno od vrste kovine in ga imenujemo izstopno delo A i. Energijo fotonov svetlobe, ki vpada na fotokatodo, lahko zapišemo kot W f = hc 0 λ = A i +W k,max = A i + e 0 U zap. (1) Za cezijevo katodo naše fotocelice je izstopno delo približno 1,36 ev. Približajte modro diodo fotocelici, skoznjo steče tok. Počasi povečujte nasprotno napetost na fotocelici dokler tok ne preneha teči, kar opazite na ampermetru. Zapišite si napetost, pri kateri ste ravno zaustavili ves tok. To je zaporna napetost U zap za fotone, ki jih oddaja modra dioda. Poskus ponovite še z zeleno in rdečo diodo. Rezultate zabeležite v tabelo 1. Iz enačbe (1) izračunajte tudi energije in valovne dolžine fotonov modre, zelene in rdeče svetlobe. barva U zap [V] W f [ev] λ [nm] modra zelena rdeča Tabela 1. Vprašanji v razmislek: Zakaj nimajo vsi izbiti elektroni enake kinetične energije? Kaj se spremeni, ko se pri nespremenjeni valovni dolžini poveča svetlobni tok na fotocelico? 2. Disperzija svetlobe in barvna napaka leče Za izvedbo vaje potrebujete optično klop, svetilo, zaslonko z ozko režo, vrtljivo mizico, lečo, tristrano prizmo in zaslon. Naloga: Razklonite curek bele svetlobe na prizmi in ugotovite, katera od barv v spektru bele svetlobe se lomi najbolj in katera najmanj. Ugotovite, koliko se razlikujeta lomna kota za obe skrajni barvi! Oglejte si preslikavo žarilne nitke z bikonveksno lečo na zaslonu in zabeležite zaporedje barv, ki jih vidite ob robu slike. Pojav se imenuje barvna napaka leče in povzroča težave v optičnih instrumentih, sestavljenih iz leč. Svetloba se v vakuumu širi s hitrostjo c 0 = 3, m/s, ki je neodvisna od valovne dolžine (oziroma frekvence) svetlobe. V prozornih snoveh pa je hitrost svetlobe lahko odvisna od njene valovne dolžine, c = c(λ). Zato je od valovne dolžine svetlobe odvisen tudi lomni količnik snovi, n = c 0 c = n(λ). Ta pojav imenujemo disperzija. Posledica disperzije je razklon bele svetlobe na njene mavrične komponente, kadar vpada curek bele svetlobe poševno na mejo dveh snovi. Svetlobe različnih valovnih dolžin, ki so v beli svetlobi, se na meji različno lomijo. Pred svetilo namestite zbiralno lečo in skupaj z njo zaslonko, ki ima eno navpično režo. Reža prepusti ozko svetlobno zaveso, ki na sko-

3 3. Spektrometer na prizmo 3 raj vodoravni, le malo nagnjeni vrtljivi mizici pusti sled, ki je podoba svetlobnega curka. Na vrtljivo mizico položite tristrano prizmo tako, da svetloba vpada pravokotno na eno od njenih treh stranskih ploskev. Za prizmo postavite zaslon, ki prestreže svetlobo, ki je potovala skozi prizmo. Počasi vrtite mizico s prizmo, dokler na zaslonu (ki ga po potrebi prestavite) ne zagledate spektra bele svetlobe, mavrice. Ugotovite, katera od barv v spektru se najmanj in katera najbolj odkloni od prvotne smeri. Na kotomeru mizice odčitajte lomna kota (kota, pod katerima se lomi svetloba) obeh skrajnih komponent mavrice na vaši prizmi. Ugotovite, katera lastnost (poleg valovne dolžine svetlobe) še vpliva na lomni kot svetlobe na prizmi. Na stekleni prizmi se najmanj lomi... svetloba in najbolj... svetloba. Lomni kot na prizmi je odvisen od valovne dolžine svetlobe in... Odstranite zaslonko z režo in vrtljivo mizico s prizmo ter namestite pred svetilo zbiralno lečo tako, da na zaslonu na drugi strani ujamete sliko žarilne nitke. Pazljivo si oglejte obarvani rob slike. Razklon svetlobe na prizmičnih robovih leče na mavrične barve je barvna napaka leče. Vprašanja v razmislek: Kako odpravijo barvno napako leče v velikih optičnih instrumentih (objektivih)? Ali debelina leče (prizme) vpliva na disperzijo? Kaj pa na razklon svetlobe? Ker ima tudi voda disperzijo, lahko včasih opazujemo pisan naravni pojav. Katerega? 3. Spektrometer na prizmo Naloga: Umerite spektrometer in določite valovne dolžine črt v spektru plinastega svetila. Za izvedbo vaje potrebujete spektrometer na prizmo, UV žarnico in neznano plinasto svetilo. Spektrometer je naprava, ki analizira sestavo svetlobnega curka. Z njegovo uporabo lahko ugotovimo, katere valovne dolžine so prisotne v svetlobnem curku. Delovanje različnih spektrometrov je osnovano na različnih pojavih. Disperzijo svetlobe v steklu izkorišča spektrometer na prizmo. Zaradi različnih lomnih količnikov se svetloba različnih valovnih dolžin na prizmi spektrometra različno lomi. Curek zmešane svetlobe se v spektrometru razstavi na curke določenih valovnih dolžin, ki se po potovanju skozi prizmo širijo v različnih smereh. Spektrometer najprej umerimo s svetlobo, katere sestavo poznamo. Uporabimo UV žarnico, živosrebrno svetilko. Poznamo valovne dolžine značilnih črt, ki so v njenem spektru. V tabelo zabeležite lego (x) teh črt na skali spektrometra. Narišite umeritveno krivuljo λ(x) za spektrometer. barva λ [nm] lega črte x rumenooranžna 590 zelena 564 modra 502 vijolična 409 Nato analizirajte še svetlobo neznanega svetila. Zapišite barve in lege značilnih črt v njenem spektru v tabelo. Iz umeritvene krivulje, ki jo narišete za UV žarnico, določite valovne dolžine štirih najbolj izrazitih črt. barva λ [nm] lega črte x Vprašanji v razmislek: Zakaj so spektri plinastih svetil črtasti? Kakšni so spektri trdnih svetil? Zakaj?

4 4 4. Spektrometer na uklonsko mrežico Naloga: Umerite spektrometer in določite valovne dolžine črt v spektru plinastega svetila. Za izvedbo vaje potrebujete uklonsko mrežico, He- Ne laser z valovno dolžino 633 nm, neznano plinasto svetilo in dve merili. POZOR! Laserska svetloba lahko trajno poškoduje vid, zato ne glejte naravnost v laser! Spektrometer na uklonsko mrežico za svoje delovanje uporabi drug pojav kot spektrometer na prizmo. Uklonska mrežica ima veliko število ozkih, enakomerno in malo razmaknjenih rež. Ko posvetimo nanjo s koherentno lasersko svetlobo, se svetloba na režah uklanja in zato delujejo na drugi strani mrežice vse reže kot izviri koherentnih krogelnih valovanj. Vsa ta valovanja za mrežico interferirajo (se sestavljajo). Daleč stran od mrežice dobimo pasove oslabitev (neosvetljena področja na zaslonu) in ojačitev (svetle črte ali pike na zaslonu). Ko svetlobni curek vpada pravokotno na mrežico, velja za ojačene pasove enačba: asinβ N = Nλ, N = 0,1,2,... (2) Tu so a razdalja med sosednjima režama na mrežici, β N kot med smerjo N-te ojačitve in smerjo vpadnega curka in N red ojačitve (slika 2). a a 1λ β1 β1 1λ β1 N = 1 N = 0 Slika 2. Uklonska mrežica z ozkimi režami v razmiku a in koti β za ojačitev 1. reda (N = 1). Kot β, pri katerem se pojavijo interferenčne ojačitve, je, kot vidimo iz enačbe (2) odvisen od valovne dolžine svetlobe λ. Če pošljemo na uklonsko mrežico curek zmešane svetlobe, imajo na drugi strani mrežice interferenčne ojačitve njenih komponent z različnimi valovnimi dolžinami različne smeri. Razen v centralni ojačitvi (N = 0), kjer se vse spet sestavijo v zmešano svetlobo. Vajo izvajajte v paru. Kot pri prejšnji vaji tudi pri tej spektrometer najprej umerite s svetlobo z znano valovno dolžino (He-Ne, λ = 633 nm). uklonska mr. laser leva, N = 2 l β 1 β 1 β 2 desna, N = 2 merilo x 1,levo x 1,desno leva lega, N = 1 50 cm, N = 0 desna lega N = 1 Slika 3. Postavitev laserja, uklonske mrežice in merila. Usmerite laserski curek na zaznamek 50 cm na sredini merila. Laserja ne premikajte več. Pred laser postavite uklonsko mrežico in zabeležite legi prvih dveh (N = 1, 2) interferenčnih ojačitev (rdeči piki) na levi in desni strani od centralne ojačitev (N = 0 pri zaznamku 50 cm) na merilu. Potrebščin ne premikajte več. Za prvi (N = 1) in drugi (N = 2) red izračunajte povprečno oddaljenost leve in desne ojačitve od centralnega x N. Izmerite razdaljo med uklonsko mrežico in merilom l, l = Kot β N izračunate iz zveze tanβ N = x N l Iz enačbe (2) izračunajte razdaljo med sosednjima režama v uklonski mrežici a. Seveda morata biti vrednosti a za oba reda približno enaki, saj je to konstantna lastnost mrežice. Izračunajte tudi, koliko rež ima mrežica na razdalji 1 mm. št. rež na mm = 1mm a. =

5 5. Prepustnost barvnih filtrov 5 red N lega levo [cm] lega desno [cm] x N,levo [cm] x N,desno [cm] x N [cm] β N [ ] a [µm] / 1 2 Ugasnite laser, ga umaknite in prižgite plinasto svetilo, ki je za merilom pri zaznamku 50 cm. Uklonske mrežice ne prestavljajte. Poglejte skoznjo plinasto svetilo in določite lego črt posameznih barv v spektru ojačitev 1. reda na merilu. Določite valovne dolžine sestavin spektra neznanega plinastega svetila. barva x 1 [cm] β [ ] λ [nm] Vprašanji v razmislek: Kako lahko ugotovite, ali je spektrometer na prizmo ali na uklonsko mrežico? Ali je občutljivejše oko ali uho? Primerjajte zmožnost ločevanja posameznih enobarvnih sestavin svetlobe in zvoka. 5. Prepustnost barvnih filtrov Naloga: Posnemite in primerjajte spektra bele svetlobe in svetlobe, ki jo prepusti barvni filter, na katerega pada bela svetloba. Za izvedbo vaje potrebujete diaprojektor, filtre, uklonsko mrežico, računalnik, vmesnik, senzor in ustrezno programsko opremo. Bela svetloba je mešanica mavričnih barv, ki se razlikujejo po frekvenci (oziroma valovni dolžini). Spekter sončne svetlobe je zvezen. Poleg vidne (ki jo zaznamo z očmi), vsebuje tudi ultravijolično in infrardečo svetlobo, ki ju zaznavamo s kožo. Spekter običajnih belih žarnic je zelo podoben spektru sončne svetlobe. Spekter bele svetlobe žarnice diaprojetorja kažeta sliki 4 in 5. Slika 5. Spekter bele svetlobe. Filtre uporabimo, kadar želimo iz bele svetlobe izločiti del njenega spektra, določeno barvno območje. Filter namreč nekaj svetlobe prepusti, ostalo pa vpije (absorbira). Filter navadno poimenujemo po barvi, ki jo prepušča. Od kvalitete filtra je odvisno, kako širok (v smislu območja valovnih dolžin oz. frekvenc) pas svetlobe prepušča. Spektra dveh filtrov, rdečega in magente, kažejo slike 6 9. Slika 4. Spekter bele svetlobe žarnice diaprojektorja. Slika 6. Rdeč filter.

6 6 Slika 7. Spekter svetlobe, ki jo prepušča rdeč filter, ko nanj vpada bela svetloba. Slika 8. Filter magenta. Slika 9. Spekter svetlobe, ki jo prepušča filter magenta, ko nanj vpada bela svetloba. Pri snemanju spektrov vam bo pomagal laborant. Posnemite spekter bele svetlobe tako, da med izvir bele svetlobe (žarnica diaprojektorja) in zaslon (senzor) vstavite uklonsko mrežico. Centralna ojačitev je bela, ojačitve 1. reda pa so zvezno porazdeljene. Potrebščin ne premikajte več. Katera barvna komponenta bele svetlobe se najmanj odkloni od smeri prepuščenega curka, in katera najbolj (primerjajte s prizmo!!)? Najmanj se odkloni... barva, najbolj pa... barva. V režo diaprojektorja (k zaslonki) vstavite rdeč filter in ponovno posnemite spekter prepuščene svetlobe. Nadomestite rdeč filter s škrlatnim (magenta) in ponovite poskus. Primerjajte vse tri spektre! Vprašanja v razmislek: Kaj lahko izvemo o svetilu iz spektra svetlobe, ki ga oddaja? Kako astronomi določajo lastnosti oddaljenih zvezd? Katere lastnosti lahko določijo z analizo spektra svetlobe z zvezde? Kje vse uporabljamo barvne filtre? 6. Odbojnost različnih površin Naloga: Izmerite in primerjajte odbojnost (albedo) bele, sive in črne površine. Za izvedbo vaje potrebujete optično klop (ne nujno), svetilo, zaslon in luksmeter. Ko svetloba vpade na snov, se na njej delno odbije, delno vpije, delno pa potuje skozi snov. Albedo a (ali odbojnost) definiramo kot razmerje med gostotama svetlobnega toka odbite j odb in vpadne svetlobe j vp, a = j odb j vp. Gostoti vpadnega svetlobnega toka j = P S, rečemo tudi osvetljenost. Pove nam, kolikšen je vpadni svetlobni tok P na enoto površine S. Merimo jo s fizikalnimi enotami W/m 2 = J/(s m 2 ) ali fiziološkimi enotami luksi (lux). Osvetlite bel zaslon in z luksmetrom izmerite osvetljenost površine j vp. Izmerite jo tako, da senzor z občutljivo (belo) stranjo navzgor položite na zaslon. Zabeležite osvetljenost v tabelo. Obrnite občutljivi del senzorja proti zaslonu in ga oddaljite od zaslona

7 6. Odbojnost različnih površin 7 za cm. Pazite, da s senzorjem ne zasenčite zaslona. Senzor zdaj zaznava svetlobo, ki jo zaslon odbija. Izmerite in zabeležite gostoto toka odbite svetlobe j odb. Med obema meritvama boste morali spremeniti merilno območje luksmetra. Nato prekrijte zaslon s sivim kartonom in potem še s črnim ter ponovite meritve. barva površ. j vp [luks] j odb [luks] a bela siva črna Vprašanja v razmislek: Kolikšen je albedo idealne bele površine? Kolikšen je albedo idealne črne površine? Zakaj se sneg in led na zemeljskih polih ne stalita kljub pol leta dolgem dnevu? Kako različna odbojnost tal vpliva na vremenske procese? Kakšna je razlika med fizikalnimi in fiziološkimi enotami?