Мета роботи

Лабораторна робота №43

Вивчення спектральних характеристик фотоелементів

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.

4. 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
...

5. Встановити перемикач вибору фотоелементів у положення “0”.

6. 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.

7. 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 .

8. 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 (1 еВ = 1,6·10^-19 Дж).

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
...

4. Встановити перемикач вибору типу фотоелементів в положення “0”.

5. Вимкнути установку з мережі 220 В.

6. 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.

7. 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 .

8. 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 ( 1 еВ = 1,6·10^-19 Дж).

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 ?

Дата добавления: 2015-06-04