1. vaja: Fotoefekt. Naloga: Ocenite energije fotonov rdeče, zelene in modre svetlobe!

Transcript

1 1. vaja: Fotoefekt Naloga: Ocenite energije fotonov rdeče, zelene in modre svetlobe! Fotocelica, svetilka, ampermeter, voltmeter, izvir napetosti, rdeč, zelen in moder filter. Navodilo: Vstavite med svetilko in fotocelico moder filter. Počasi spreminjajte napetost na fotocelici, dokler tok skozi fotocelico ni enak nič. Napetost med katodo in anodo, pri kateri tok skozi fotocelico ne teče, imenujemo zaporna napetost (U 0 ). Zabeležite zaporno napetost v tabelo in ponovite poskus še z zelenim in rdečim filtrom. barva U 0 [V] W f [ev] λ[nm] modra zelena rdeča Fotocelica je evakuirana steklena bučka, v kateri sta dve elektrodi. Deluje podobno kot dioda, le da katode ne grejemo, ampak jo osvetljujemo. Imenujemo jo fotokatoda. Tok skozi fotocelico steče, ko katodo osvetlimo. Svetloba izbija elektrone iz katode, anoda pa jih privlači. Majhen tok skozi fotocelico teče tudi, če na anodi ni pozitivne napetosti glede na katodo. Elektroni, ki jih svetloba izbije iz katode, imajo majhno kinetično energijo in nekateri dospejo na anodo. Kinetično energijo elektronov ob izstopu iz katode izmerimo tako, da na anodo priključimo majhno negativno napetost U proti katodi. Anoda zavrne vse elektrone, ki imajo manjšo kinetično energijo kot W k = e 0 U, kjer je e 0 naboj elektrona (1,6 x As). Pri poskusu večamo negativno napetost na anodi, dokler tok skozi fotocelico ne preneha teči. Napetost, pri kateri to dosežemo, imenujemo zaporna napetost. Zaporna napetost določa največjo kinetično energijo izbitih elektronov W k0 : W k0 = e 0 U 0. Pri poskusih se izkaže, da je največja kinetična energija izbitih elektronov odvisna od barve (frekvence ν ali valovne dolžine λ) vpadne svetlobe in snovi, iz katere je narejena fotokatoda in neodvisna od gostote svetlobnega toka, ki osvetljuje katodo. Zato sklepamo, da energija svetlobnem curku ni porazdeljena zvezno, ampak diskretno, v obliki kvantov ali fotonov. Energija fotona W f je odvisna od frekvence svetlobe: W f = hν = hc 0 /λ kjer je h Planckova konstanta (h = 6,62 x Js), c 0 pa hitrost svetlobe v vakuumu (c 0 = 3x10 8 m/s). Energije fotonov in majhnih delcev navadno izražamo v elektronvoltih (ev). En elektronvolt je enak kinetični energiji elektrona, ki smo ga pospešili z napetostjo 1 V: 1

2 W k = e 0 U = 1,6 x As. 1V = 1,6 x J. Foton ob trku z elektronom v kovini le-temu odda vso svojo energijo in pri 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 na fotokatodo vpadle svetlobe lahko zapišemo kot: W f = A i + W k0. Za cezijevo katodo naše fotocelice je izstopno delo približno 1,36 ev. Določite še valovno dolžino svetlobe, ki jo prepuščajo moder, zelen in rdeč filter. Vprašanje v razmislek: Zakaj nimajo vsi izbiti elektroni enake kinetične energije? 2

3 2. vaja: Disperzija svetlobe in barvna napaka leče Naloga: a) Razklonite curek bele svetlobe na prizmi in ugotovite, katera od barv v spektru bele svetlobe se lomi najbolj in katera najmanj. Določite, za koliko se razlikujeta lomna kota za obe skrajni barvi! b) 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. Optična klop, svetilo, leča, tristrana prizma, zaslon. Navodilo: a) Ozek curek svetlobe usmerite na rob tristrane prizme pod pravim kotom. Počasi vrtite mizico s prizmo, dokler na zaslonu ne zagledate mavrice. Določite, katera od barv v spektru se je najmanj in katera najbolj odklonila od prvotne smeri. Na kotomeru mizice odčitajte lomna kota (kot, pod katerim se lomi svetloba) obeh skrajnih komponent mavrice. Na prizmi se najmanj lomi barva. Na prizmi se najbolj lomi barva. Razlika lomnih kotov je. b) Odstranite zaslonko in optično mizico s prizmo in si na zaslonu oglejte sliko žarilne nitke. Pazljivo si oglejte obarvani rob slike. Lomni kvocient (n) prozornih snovi je odvisen od valovne dolžine (oz frekvence) svetlobe. Pojav imenujemo disperzija. Če lomni kvocient z naraščajočo valovno dolžino pada, je to normalna disperzija. Pri anomalni disperziji lomni kvocient z naraščajočo valovno dolžino narašča. Vprašanje v razmislek: Za katere vrste disperzijo gre pri optični prizmi? Kako odpravijo barvno napako leče v velikih optičnih instrumentih (objektivih ) Ali debelina leče (prizme ) vpliva na disperzijo? Kaj pa na razklon svetlobe? 3

4 3. vaja: Spektrometer na prizmo Naloga: Umerite spektroskop in določite valovne dolžine črt v spektru plinastega svetila! Spektroskop na prizmo, UV žarnica, neznano plinasto svetilo. Navodilo: Vajo izvajamo v zatemnjenem prostoru. Skozi spektroskop si oglejte svetlobo, ki jo oddaja UV žarnica. Zabeležite lege posameznih črt na skali instrumenta x. S pomočjo znanih valovnih dolžin tipičnih črt narišite umeritveno krivuljo (λ(x)) za spektroskop. barva rumenooranžna zelena modra vijolična lega x λ [nm] Meritve ponovite še z neznanim svetilom. S pomočjo umeritvene krivulje določite valovne dolžine črt v spektru! barva lega x λ [nm] Vprašanji v razmislek: Zakaj so spektri plinastih svetil črtasti? Kakšni so spektri trdnih svetil? Zakaj? 4

5 4. vaja: Spektrometer na mrežico Naloga: Umerite spektroskop in določite valovne dolžine črt v spektru plinastega svetila! Uklonska mrežica, He Ne laser z valovno dolžino 633 nm, neznano plinasto svetilo, ravnila. Navodilo: Vajo izvajamo v zatemnjenem prostoru. POZOR! Laserska svetloba lahko trajno poškoduje vid, zato ne glejte neposredno v laser! Vajo izvajajte v paru. Usmerite laserski curek na zaznamek 50 cm (sredina) merila. Laserja ne premikajte več. Med laser in merilo postavite uklonsko mrežico in zabeležite legi prvih dveh (N = 1, 2) uklonskih maksimumov (rdeči črti) na merilu. Potrebščin ne premikajte več. N lega x [cm] 50 Izmerite še razdaljo med uklonsko mrežico in merilom l. l =. Ugasnite laser in prižgite plinasto svetilo. Poglejte plinasto svetilo skozi uklonsko mrežico in določite lego črt posameznih barv na merilu. Določite valovne dolžine sestavin spektra neznanega plinastega svetila. barva lega x [cm] λ [nm] Uklonska mrežica ima veliko število ozkih rež na majhnih medsebojnih razdaljah. Ko posvetimo nanjo, delujejo reže kot izviri koherentnih valovanj, ki za mrežico interferirajo (se sestavljajo). Dobimo pasove oslabitev (neosvetljena področja na zaslonu) in ojačitev (svetle črte na zaslonu). Za ojačene pasove velja enačba: a sin β = Nλ. (N = 0,1, 2, 3 ) Tu sta a razdalja med sosednjima režama na mrežici in β kot med smerjo prepuščenega in smerjo ojačenega curka (skica). Vprašanje v razmislek: Ali je občutljivejše oko ali uho? Primerjajte zmožnost ločevanja posameznih enobarvnih sestavin svetlobe in zvoka! 5

6 5. vaja: Prepustnost barvnih filtrov Naloga: Posnemite in primerjajte spektra bele svetlobe in svetlobe, ki jo prepusti barvni filter, na katerega pada bela svetloba! Vajo izvajamo v zatemnjenem prostoru. Diaprojektor, filtra, uklonska mrežica, računalnik, vmesnik, senzor, programska oprema. Navodilo: Pri snemanju spektrov vam bo pomagal laborant. Posnemite spekter bele svetlobe tako, da med izvir (diaprojektor) in zaslon (senzor) vstavite uklonsko mrežico. 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 se odkloni 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! Bela svetloba je mešanica mavričnih barv, ki se razlikujejo po frekvenci in 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. Običajne,»bele«žarnice, imajo spekter, zelo podoben spektru sončne svetlobe. Filtre uporabimo, kadar želimo iz bele svetlobe izločiti eno (ali nekaj) barvno komponento. 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. 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

7 bela svetloba rdeč filter filter magenta 7

8 6. vaja: Odbojnost različnih površin Naloga: Izmerite in primerjajte odbojnost (albedo) bele, sive in črne površine! Optična klop, svetilo, zaslon, luxmeter. Navodilo: Vajo izvajamo v zatemnjenem prostoru. Osvetlite bel zaslon in z luxmetrom izmerite osvetljenost površine. Osvetljenost površine nam pove svetlobni tok na enoto površine (j) (enoti sta W/m 2 in lux). Osvetljenost izmerite 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 za 20 cm. Pazite, da s senzorjem ne zasenčite zaslona. Senzor zaznava svetlobo, ki jo odbija zaslon. Izmerite in zabeležite gostoto toka odbite svetlobe (j odb ). Med obema meritvama boste morali spremeniti merilno območje luxmetra. Prekrijte zaslon s sivim kartonom in ponovite meritvi. Meritvi opravite še s črnim zaslonom. bela siva črna j [lux] j odb [lux] a = j odb /j Svetloba se na zaslonu delno odbije, delno vpije. Albedo (ali odbojnost) definiramo kot kvocient med gostotama svetlobnega toka vpadne in odbite svetlobe. Vprašanja v razmislek: Kolikšen je albedo idealne bele površine? Kolikšen je albedo idealne črne površine? Zakaj se sneg in led na polih ne stalita kljub pol leta dolgem»dnevu«? Kako različna odbojnost tal vpliva na vremenske procese? Kakšna enota je W/m 2 in kakšna lux? 8