2. Описание установки и метода измерений
Источником света, в спектре которого есть серия Бальмера, служит специальная разрядная водородная лампа.
Для наблюдения видимой части спектра используется монохроматор УМ-2. Монохроматор служит для выделения из спектра узкой полосы или определенной спектральной линии. Основными частями монохроматора являются коллиматор, диспергирующая призма с поворотным механизмом и зрительная труба. Оптическая схема прибора изображена на рис. 1.
* S
Рис. 1
Свет от источника S с помощью линзы L1 (конденсора) фокусируется на входной щели K1 коллиматора. Назначение коллиматора – дать параллельный пучок света, падающий на призму P. Для этого щель K1 устанавливается в фокальной плоскости объектива коллиматора L2. В призме свет разной длины волны преломляется неодинаково в зависимости от показателя преломления. Выходящие из призмы пучки параллельных лучей разных цветов, имея различные направления, дают в фокальной плоскости линзы L3 целый ряд различно окрашенных изображений щели – спектр. Наблюдать спектр можно с помощью окуляра L4, который вместе с линзой L3 (объективом) образует зрительную трубу. Общий вид монохроматора представлен на рис. 2.
Рис. 2
Коллиматор крепится в обойме 1 на плате 2. Ширина раскрытия щели 3 регулируется барабанчиком 4. Призма монохроматора делается подвижной. Столик, на котором установлена призма, получает движение от микрометрического винта 5 поворотного механизма. Для определения относительного положения линий спектра в фокальной плоскости окуляра 6 зрительной трубы 7 расположен указатель с головкой. Вращая призменный столик, добиваются совмещения указателя окуляра с исследуемой спектральной линией. Отсчет её положения производится с помощью барабана 8, на котором нанесены относительные деления – градусы. Отсчет считается против индекса 9, скользящего по специальной канавке. Во время работы шкалу и индекс освещают лампочкой от источника питания 10.
3. Порядок выполнения работы
Для определения длин волн водорода необходимо предварительно проградуировать монохроматор, т. е. выразить показания шкалы барабана 8 в длинах волн. Для этого используется лампа с известными длинами волн спектральных линий (указаны на установке).
1.Включить градуировочную лампу и добиться четкого изображения спектральных линий лампы в поле зрения монохроматора, отрегулировав положение окуляра 6 вращением рифленого кольца.
2.Включить освещение шкалы и указателя на пульте питания 10.
3.Наблюдая спектр и осторожно вращая барабан 8, добиться совпадения указателя окуляра с линиями спектра и для каждой линии снять отсчет шкалы барабана. Результаты занести в табл. 1, предварительно вписав в неё известные длины волн. Они указаны в таблице, помещенной на установке.
4.В той же последовательности произвести работы с водородом, для чего включить водородную лампу. На лампу подается высокое напряжение около 3000 В, поэтому
при включенной лампе НЕЛЬЗЯ ПРИКАСАТЬСЯ К ПРОВОДАМ! Следует заметить, что в обычных условиях на линейчатый спектр атомарного водорода накладывается полосатый спектр молекулярного водорода, но так как характер их различен, то наблюдать линии серии Бальмера сравнительно легко. Первая линия серии Бальмера Hα – ярко-красная линия (nk = 3), вторая – голубая (nk = 4), третья линия Hγ – фиолетовая (nk = 5). (Серия Бальмера получается при переходе с любого уровня на уровень с ni = 2.)
Таблица 1
Результаты измерений для градуировочной лампы
Цвет |
Длина волны |
Деления шкалы |
Таблица 2
Результаты измерений для водородной лампы
Цвет линии |
Квантовые |
Деления |
Длина волны |
Волновое |
Постоянная |
|
числа |
шкалы |
число |
Ридберга |
|||
Ярко-красная |
2 |
3 |
||||
Голубая |
2 |
4 |
||||
Фиолетовая |
2 |
5 |
||||
4. Обработка результатов измерений
1.По данным табл. 1. на миллиметровой бумаге построить градуировочный график, откладывая по оси абсцисс показания шкалы барабана, по оси ординат – длины волн спектра градуировочной лампы.
2.Пользуясь градуировочным графиком, нанести на ось абсцисс показания шкалы и из этой точки восстановить перпендикуляр до пересечения с градуировочной кривой, затем по оси ординат найти соответствующие значения длин волн серии Бальмера.
3.Для каждого значения линии водорода, найденного по графику, рассчитать постоянную Ридберга по формуле (5).
4.Вычислить среднее экспериментальное значение постоянной Ридберга R .
5.Найти погрешность постоянной Ридберга ∆R. Записать результат измерений в форме R = R ± ДR .
6.Сравнить полученное значение постоянной Ридберга с ее теоретическим значением Rтеор. Проверить выполнение соотношения
R − Rтеор ≤ ДR .
5. Дополнительные задания
1.Пользуясь расчётной формулой, зная теоретическое значение постоянной Ридберга, рассчитать ожидаемые значения длин волн серии Бальмера.
2.Вычислить энергию фотона, соответствующего первой линии серии Бальмера.
3.С помощью градуировочного графика найти область пропускания цветного стекла.
Лабораторная работа № 24
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ШИРИНЫ ЗАПРЕЩЁННОЙ ЗОНЫ
КРЕМНИЯ ПО КРАСНОЙ ГРАНИЦЕ ВНУТРЕННЕГО
ФОТОЭФФЕКТА
Цель работы: изучение явления внутреннего фотоэффекта; определение красной границы внутреннего фотоэффекта.
1. Введение
При освещении полупроводника светом, частота которого удовлетворяет условию hщ > еg ,
где εg – ширина запрещённой зоны полупроводника, ћ – постоянная Планка, наблюдается увеличение проводимости, т. е. внутренний фотоэффект. Если частота меньше, чем
щ |
= |
еg |
(1) |
|
h |
||||
кр |
– красная граница фотоэффекта, то внутренний фотоэффект не наблюдается. Фотогальванический эффект – частный случай внутреннего фотоэффекта. Он на-
блюдается на границе раздела (контакте) двух разнородных полупроводников – p- и n-типа. Как известно, на границе двух разнородных полупроводников существует контактная разность потенциалов, а, следовательно, и область с отличным от нуля электрическим полем. Если осветить контактную область, то электроны, попавшие в область действия поля контактной разности потенциалов, начинают в нём двигаться, т. е. возникает электрический ток.
Таким образом, главная особенность фотогальванического эффекта состоит в том, что при освещении p-n-перехода генерируется электрический ток без внешних источников питания. Фотогальванический преобразователь является генератором, превращающим световую энергию в энергию электрического тока. Хорошо известный пример
– солнечные батареи.
Естественно, что при освещении фотогальванического преобразователя светом с частотой, меньшей, чем красная граница внутреннего фотоэффекта, он не будет гене-