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

36884. Прилади індукційної, електростатичної, термоелектричної та випрямляючої систем 301 KB
  Прилади індукційної системи ПРИЗНАЧЕННЯ Й ОБЛАСТЬ ЗАСТОСУВАННЯ Електровимірювальні прилади індукційної системи призначаються для вимірювання електричних величин тільки в ланцюгах змінного струму. Причому на відміну від приладів змінного струму інших систем індукційні прилади можуть бути застосовані в ланцюгах з однією певною частотою і незначна зміна цієї частоти в ту або іншу сторону від номінальної спричиняє більші погрішності показань. У цей час із числа індукційних приладів наші заводи виготовляють тільки лічильники електричної енергії...
36885. Ознайомлення з роботою програмного симулятора dScope-51 123.5 KB
  1 Запуск програми dScope відбувається в середовищі Windows з вікна програм DSW51 Після запуску на екрані монітору з`являється типове вікно Windows з строчкою заголовку вікна кнопками системного меню згортання мінімізації та розгортання. За допомогою команда меню View Вид викликаються робочі вікна: Toolbr дозволяють підключати в вікно програми лінійку кнопкових перемикачів прискореного доступу до певних команд та вікон. Sttus Br дозволяють підключати в вікно програми лінійку статусу де наводиться інформація про...
36886. Прилади магнітоелектричної, електродинамічної та електромагнітної систем 229 KB
  Мета роботи: Вивчення будови принципу дії приладів магнітоелектричної електродинамічної та електромагнітної системи та методами їх використання. Завдання: Ознайомитись з призначенням та областю використання приладів магнітоелектричної електродинамічної та електромагнітної систем. Вивчити принцип дії приладів та методику їх використання. Ознайомитись із властивостями та технічними характеристиками приладів.
36887. Дослідження простої випадкової вибірки за допомогою функції «Выборка» Microsoft Excel 16.4 KB
  Загальні відомості Процедура отримання простої випадкової вибірки проілюстрована на наступному прикладі. Побудова простої випадкової вибірки здійснюється у такій послідовності: Генеральна сукупність – дані таблиці 1. Основа вибірки – нумерація елементів таблиці.
36888. Ознайомитись з основними командами програмного симулятора dScope-51 56.5 KB
  1 При введенні команд перед командою ставиться SM без нього введення команди не відбудеться. Всі команди проводяться через акумулятор А Основні команди симулятора: DD – додавання; SUBB – віднімання; CPL – інверсія; RL – зсув вліво на один; RR – зсув в право на один; XCH – обмін; CJNE – порівняння; CLR – встановлення нулів; DEC – віднімання від регістра одиниці; INC – додавання до регістру одиниці; h ставиться в кінці вводу команди для того щоб показати що число вводиться в шістнадцятирічній СЧ; означає що ми вводимо до...