50233

Вивчення спектральних характеристик фотоелементів

Лабораторная работа

Физика

Прилади й обладнання Монохроматор типу УМ–2 напівпровідниковий селеновий та вакуумний фотоелементи гальванометр джерело світла Опис установки Експериментальна установка для вивчення спектральних характеристик фотоелементів зібрана на базі монохроматора типу УМ–2. 1 схематично вказані основні елементи установки в тому числі які входять і до складу монохроматора вони виділені в окрему групу елементів.1 світло від джерела випромінювання 1 фокусується конденсорною лінзою 3 на вхідній щілині 5 монохроматора і пройшовши через об’єктив...

Украинкский

2014-01-18

505 KB

4 чел.


 Лабораторна робота №43

Вивчення спектральних характеристик фотоелементів

Мета роботи

Ознайомитись із законами внутрішнього і зовнішнього фотоефектів, вивчити спектральні характеристики селенового та вакуумного фотоелементів, визначити роботу виходу електрона з катоду вакуумного фотоелемента, визначити ширину забороненої зони напівпровідникового

матеріалу – селену, який складає фоточутливий шар фотоелемента

Для виконання лабораторної роботи студенту попередньо необхідно: знати фізичну суть явища зовнішнього (§3.3) і внутрішнього (§6.3) фотоефектів, основні властивості фотонів (§3.4)

Прилади й обладнання

Монохроматор типу УМ–2, напівпровідниковий (селеновий) та вакуумний фотоелементи, гальванометр, джерело світла

Опис установки

Експериментальна установка для вивчення спектральних характеристик фотоелементів зібрана на базі монохроматора типу УМ–2. На рис. 1 схематично вказані основні елементи установки, в тому числі, які входять і до складу монохроматора (вони виділені в окрему групу елементів). Загальний вигляд установки наведено на рис.2.

Як видно з рис.1, світло від джерела випромінювання 1 фокусується конденсорною лінзою 3 на вхідній щілині 5 монохроматора, і, пройшовши через об’єктив монохроматора 6, попадає на дисперсійну призму 7. Далі світловий промінь через об’єктив зорової труби 8 та вихідну щілину 9 досягає фотоелементи 10 (11). Фотострум в електричному колі фотоелементів вимірюється високочутливим гальванометром 12. На робочому місці знаходиться графік градуювання (крива дисперсії) монохроматора, яка дозволяє переводити покази шкали барабана монохроматора у значення довжин хвиль падаючого випромінювання.

Рис. 1

1− джерело світла; 2 − захисний кожух джерела світла; 3 − конденсорна лінза; 4 – збиральна лінза; 5 − вхідна щілина; 6 − об’єктив коліматора; 7 − дисперсійна призма; 8 − об’єктив зорової труби; 9 − вихідна щілина; 10 − селеновий фотоелемент; 11 − вакуумний фотоелемент; 12 − гальванометр.

Послідовність виконання роботи

Завдання 1. Вивчення спектральної чутливості селенового фотоелемента

Для цього (див. рис.2):

  1.  Розмістити селеновий фотоелемент 10 навпроти вихідної щілини монохроматора. УВАГА! установку налагоджує керівник заняття.
  2.  Увімкнути установку в мережу 220 В. При цьому, спостерігати свічення джерела світла 1 та підсвітку покажчика шкали відліків гальванометра 7.
  3.  За допомогою конденсорної лінзи 4 сфокусувати світло на вхідну щілину монохроматора.

Рис. 2

1 –  селеновий фотоелемент; 2 – вакуумний фотоелемент; 3 – монохроматор;

4 – конденсорна лінза; 5 – джерело світла в захисному кожусі; 6 – пульт керування установкою;

7 – мікроамперметр; 8 – барабан довжин хвиль монохроматора. 

  1.  Встановити перемикач вибору типу фотоелементів на пульті у положення “СФ” – селеновий фотоелемент і зняти залежність  фотоструму  від показів шкали барабана монохроматора з кроком 100 в межах =1000–3300 поділок. Одержані дані записати в таблицю 1.

                                                                                                                       Таблиця 1

№ з/п

п

λ , нм

Іф , мкА

Е, еВ

ΔЕ , еВ

1

2

...

33

  1.  Встановити перемикач вибору фотоелементів у положення “0”.
  2.  За градуювальним графіком монохроматора, який знаходиться на робочому місці, визначити довжини хвиль, що відповідають значенням барабана монохроматора. Побудувати графік  . Відкласти на осі Х значення довжин хвиль в нм, а на осі Y – фотострум  у мкА.
  3.  Визначити енергію фотона , якій відповідає максимум спектральної чутливості селенового фотоелемента за формулою:

,                                                                      (1)

де  − стала Планка; − швидкість світла у вакуумі;  − довжина хвилі, що відповідає максимальному значення фотоструму  на графіку .

  1.  За довгохвильовим краєм поглинання  фотоелемента (перетин з віссю довжин хвиль продовження лінійної ділянки довгохвильового спаду спектральної залежності ) визначити ширину забороненої зони селену за формулою:

.                                                                                    (2)

Результати подати в електрон–вольтах (1еВ = 1,6·10-19Дж).

 

Завдання 2. Визначення спектральної характеристики вакуумного фотоелемента та

                      роботи виходу електронів з його катода.

  1.  Розмістити вакуумний фотоелемент навпроти вихідної щілини монохроматора
  2.  Встановити перемикач на пульті керування роботою установки у положення “ВФ” – вакуумний фотоелемент і зняти залежність  фотоструму  від показів шкали барабана  монохроматора з кроком 100 в межах =900–3300 поділок.
  3.  Дані вимірювань записати в таблицю 2.

                                                                                                                               Таблиця 2

№ з/п

п

λ , нм

Іф, мкА

Е0, еВ

А , еВ

1

2

...

33

  1.  Встановити перемикач вибору типу фотоелементів в положення “0”.
  2.  Вимкнути установку з мережі 220 В.
  3.  За градуювальним графіком монохроматора, який знаходиться на робочому місці, визначити довжини хвиль, що відповідають показам  шкали барабана монохроматора. Побудувати графік . Відкласти на осі Х значення довжин хвиль в нм, а на осі Y – фотострум  у мкА.
  4.  Визначити енергію фотона, якій відповідає максимум спектральної чутливості вакуумного фотоелемента за формулою:

,

де  − стала Планка; с − швидкість світла у вакуумі;  − довжина хвилі випромінювання,  що відповідає максимальному значення фотоструму  на графіку .

  1.  За довгохвильовим краєм поглинання  (перетин з віссю довжин хвиль продовження лінійної ділянки довгохвильового спаду спектральної залежності ) визначити роботу виходу електрона з  катода вакуумного фотоелемента за формулою:

.

Результати подати в електрон–вольтах (1еВ = 1,6·10-19Дж).

УВАГА! Відкривати фотоелемент при увімкнутому перемикачі в положення “ВФ”на пульті керування установкою категорично забороняється.

Контрольні запитання

  1.  Сформулюйте закони зовнішнього фотоефекту. Поясніть їх на основі квантових уявлень.
  2.  В чому полягає суть внутрішнього фотоефекту?
  3.  Що таке робота виходу електрона? Чому для катодів фотоелементів із зовнішнім фотоефектом використовують лужні метали?
  4.  Яким способом можна визначити максимальну швидкість фотоелектронів?
  5.  Що таке заборонена зона напівпровідників і як її можна експериментально визначити?
  6.  Як за допомогою дослідних даних з фотоефекту можна визначити сталу Планка ?

і матеріали

Оптичний пірометр із зникаючою ниткою, електрична лампочка розжарення, регулятор напруги, ватметр, блок живлення пірометра (акумуляторна батарея)

Теоретичні відомості та опис установки

Абсолютно чорні тіла є ідеалізацією реальних тіл. Теплове випромінювання реальних тіл визначається хімічною будовою тіла і станом його поверхні.

Використання властивостей теплового випромінювання тіл покладено в основу безконтактних методів вимірювання їх температури. Один з них – метод яскравісної пірометрії. Яскравісною температурою тіла Тя у випромінюванні з довжиною хвилі  називається така температура абсолютно чорного тіла, при якій яскравість обох тіл у світлі однієї і тієї ж довжини хвилі рівні між собою. Дійсна температура  пов’язана з яскравісною температурою Тя співвідношенням:

,                                                                  (3)

де ; =0,45– для вольфраму в області температур 1000–1500 0С, (ln0,45=-0,8);  – середня довжина хвилі спектральної ділянки, яку пропускає світлофільтр пірометра.

Оскільки закон Стефана - Больцмана неможливо застосовувати для реального тіла, то інтегральну випромінюючу здатність  такого тіла  можна визначити із формули:

              ,                (2)

де С, n – величини, які залежать від температури тіла; – дійсна температура тіла.

Якщо реальним тілом є вольфрамова нитка лампи розжарення, то при високій температурі потужність Р, яка підводиться до нитки, майже повністю витрачається на випромінювання. Тоді . Логарифмуючи вираз (2) отримаємо:

                        lnP = lnС + n lnTд.        (3)

Побудувавши залежність lnP від lnTд, можна знайти n як тангенс кута нахилу прямої Tд до осі абсцис і сталу . Підставивши значення ,  і в (2) отримаємо значення інтегральної випромінюючої здатності RT  вольфраму.

В коло розжарювання вольфрамової нитки електричної лампочки 6 включені автотрансформатор 7 і ватметр W. В коло розжарювання еталонної лампочки 1 включені реостат , міліамперметра  і акумуляторна батарея Б. Реостатом  можна регулювати струм розжарювання еталонної лампочки 1 пірометра.

Рис. 1

Шкала пірометра проградуйована в градусах Цельсія по випромінюванню абсолютно чорного тіла. Шкала має дві межі вимірювання: 800...1400 С і 1200...2000 С. Еталонна лампа 1, реостат , міліамперметр  вмонтовані всередині корпуса пірометра. Регулювання реостата здійснюється за допомогою гофрованого кільця, яке знаходиться ззовні на пірометрі.

Оптична схема пірометра складається з об’єктива 3, окуляра 5, червоного світлофільтра 2 і дозволяє розглядати в монохроматичному світлі =6,510-7м зображання розжареної вольфрамової спіралі лампи 1.

Димчатий фільтр  використовують при вимірюванні температур в діапазоні 1400...2000С.

Послідовність виконання роботи.

  1.  Увімкнути лабораторну установку в мережу 220В. За допомогою регулятора напруги автотрансформатора встановити розжарення нитки лампочки 6, що відповідає червоному світлу.
  2.  Увімкнути акумуляторну батарею Б і, переміщуючи окуляр пірометра, добитися різкого зображення нитки розжарення лампочки 6.
  3.  Встановити на пірометрі червоний світлофільтр 2.
  4.  Обертаючи гофроване кільце реостата пірометра, встановити температуру 900С нитки розжарення еталонної лампочки пірометра. Підрахунок здійснювати за верхньою шкалою пірометра. (При наступних вимірюваннях встановлювати температуру 1000, 1100, 1200, 1300С).
  5.  Обертаючи ручку автотрансформатора, досягти вирівнювання яскравостей обох спіралей.
  6.  В момент рівності яскравостей спіралей обох лампочок визначити за ватметром значення потужності, яка споживається досліджуваною лампочкою розжарення.
  7.  За шкалою пірометра зробити відлік яскравісної температури (). Використовуючи формулу (2), обчислити дійсні температури  вольфрамової нитки електричної лампочки, використовуючи відповідні значення .
  8.  Побудувати залежність  від  згідно з формулою (3).
  9.  Визначити п як тангенс кута нахилу прямої до осі абсцис а також . За визначеним з графіка значенням  знайти С.
  10.  Обчислити величину  вольфрамової нитки електричної лампочки для всіх значень .
  11.  Одержані дані записати в таблицю 1.

Таблиця 1

№ п/п

Тя ,

0С

Тд ,

К

ln Тд

P ,

Вт

ln P

1

900

2

1000

3

1100

4

1200

5

1300

  1.  Проаналізувати отримані результати та зробити висновки.

Контрольні запитання

  1.  Яке випромінювання називається тепловим? Яка його відмінність від інших видів випромінювання?
  2.  Сформулюйте основні характеристики теплового випромінювання.
  3.  Дайте означення, що називається абсолютно чорним тілом?
  4.  Сформулюйте закон Кірхгофа для теплового випромінювання.
  5.  Запишіть та поясніть закон Стефана – Больцмана для теплового випромінювання.
  6.  В чому суть квантової гіпотези Планка?
  7.  Поясніть оптичний метод вимірювання температури тіл, який використовується в даній лабораторній роботі.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

79171. Междисциплинарные аспекты развития технознания. Роль техники в формализации и математизации научного знания, гуманитарные приложения технических наук 35.5 KB
  Роль техники в формализации и математизации научного знания гуманитарные приложения технических наук Технознание – целостная система знаний о технике технологии и техносфере. В связи с возрастанием сложности проектируемых технических систем появлением новых прикладных дисциплин выработкой системных принципов исследования особое значение приобретает деятельность направленная на организацию и руководство такими видами деятельности как с одной стороны проектирование компонентов конструирование отладка разработка технологии а с другой...
79172. Философско-методологические аспекты соотношения научного и вненаучного. Наука, паранаука и мифология в их соотношении 36.5 KB
  Научное знание – основано на принятой в данном обществе концепции рациональности которая находится в соответствии с др. Включает в себя учения или размышления трактаты о явлениях объяснения о которых не является убедительными Лженаучное знания домыслы и рассуждения Квазинаучное знания Осуществляется через методы насилия и принуждения отрицание кибернетики Лысенковчина Антинаучное знание Сознательное искажение действительности Псевдонаучное знание интеллектуальная активность специализирующееся на популярных исследованиях. IV...
79174. Эволюционная эпистемология, её генезис и современные тенденции развития. Глобальный эволюционизм и современная научная картина мира 39 KB
  Эпистемология- согласно Фуко это исторически изменчивые структуры которые определяют условия образования сознания в конкретный исторический период.
79175. Культурологический дискурс техники. Техноидиллия и технический алармизм в современной культуре. Традиционная и проектная культура 33 KB
  Культурологический дискурс техники. Это связано в первую очередь с развитием техники. Техника и технология основные понятия фил техники. История становления современного чел связана с историей развития и услож техники.
79176. Антропологический дискурс техники и технознания. Теория органопроекций. Орудийная и праксеологическая концепции техники 16.94 KB
  В работе Общая и сравнительная география 1845 рассматривает историю как результат активного взаимодействия человека и окружающей его среды. В своей философской концепции техники Капп исходит из антропологического критерия который провозглашает человека фактическим центром мироздания и объявляет его исходным пунктом и конечной целью т. Человек – мера всех вещей Протагор При этом человека который с антропологической точки зрения находится в центре мира следует брать и понимать как неразрывное единство тела и сознания. Однако...
79177. Гуманистические традиции философии техники. Антисциентизм и антитехницизм в их соотношении. Проблемы гуманизации современной техники 26.5 KB
  В современной философии конституируется более широкий взгляд на дегуманизацию культуры в техногенной цивилизации связанный с признанием невозможности рационализировать техническое развитие и сделать его нерепрессивным по отношению к человеку ибо техника есть естественное порождение и органичное выражение самой сущности человека плоть от плоть его отношения к миру как к объекту потребления ярчайший пример отношение к природе артикулированное в категориях природопользования где техника выступает лишь средством инструментом...
79178. Техника и технознание в контексте современной глобалистики. Техника как коммуникативная стратегия современности 28 KB
  Техника и технознание в контексте современной глобалистики. Техника как коммуникативная стратегия современности. Широкий смысл понятия техники: искусственный или организованный прием усиливающий улучшающий или облегчающий действие техника письма техника плавания техника вопросов и т. Созидательный характер техники: техника есть основание на котором стоит техногенная цивилизация: в аспекте творчества: средство реализации сущностных сил человека форма материализации потенций человека и природы во всем их многообразии; в аспекте...