Файл: optics_quant_phys_chpi_mgou.docx

В качестве источника света используются лампа накаливания с красным светофильтром и светодиодные осветители синего (4 светодиода с рабочим на­пряжением 4,5 В) и инфракрасного излучения (1 светодиод с рабочим напряже­нием 3 В), установленные на отдельных подставках (рейтерах). Спектр испус­кания лампы накаливания с красным светофильтром показан на рис. 11.2, спек­тры излучения синего и инфракрасного светодиодов показаны на рис. 11.3.

Рис. 11.2. Спектр испускания лампы накаливания с красным светофильтром

а б

Рис. 11.3. Спектры испускания синего (а) и инфракрасного (б) светодиодов

Длина волны излучения синего светодиода 460±10 нм, инфракрасного - 920±40 нм. Рейтера лампы накаливания, светофильтра и фотоэлемента установ­лены на оптической скамье. Измерения необходимо проводить в таких услови­ях, когда посторонний свет не падает на фотоэлемент.

Блок питания с выходным напряжением до 150 В, стрелочные вольтметр и микроамперметр установлены в одном корпусе. На переднюю панель вынесе­на ручка регулятора первого потенциометра R. Тумблеры переключения режи­мов работы находятся на правой стороне корпуса. Блок питания до 10 В, выво­ды для подключения мультиметров и ручка регулятора второго потенциометра R находятся на верхней поверхности корпуса. Для подключения блока к выво­дам фотоэлемента имеются два специальных разъема.

Световой поток, попадающий на катод фотоэлемента, рассчитывается по формуле:

Ф=М (11.9)

где J - сила света лампы, ю - телесный угол, внутри которого распределен све­товой поток Ф, падающий на светочувствительный слой фотоэлемента. Телес­ный угол ю, выраженный в стерадианах, равен отношению площади светочув­ствительного слоя S к квадрату расстояния R до источника света:

W=S/R¹,(11.10)

3. Измерение светового потока и снятие световой характеристики для красного света

Выполните и мерения в следующем порядке:

1. Добейтесь, чтобы посторонний свет не попадал на фотоэлемент. Уста­новите перед фотоэлементом красный светофильтр, атем лампу накаливания на расстоянии около R=10 см от фотоэлемента и включите ее. Откройте крыш­ку фотоэлемента и включите тумблером блок питания. Переключите тумблеры на диапаз он 0-150 В. Полярность напряжения должна быть положительной. Подайте на фотоэлемент напряжение U _вн1 около 140 В., з апишите показ ания стрелочного микроамперметра (силу фототока г_ф) в табл. 11.1.

---

Таблица 11.1

№	I, мкА	R, см	E1, лк	Ф, лм
1
2
3
. . .

2. Увеличивайте расстояние между источником света и фотоэлементом, при этом сила фототока будет уменьшаться. При целых значениях тока (в мкА) вносите показ ания микроамперметра и положение лампы в табл. 11.1 (не менее

5. строк). После з авершения измерений напряжение уменьшите до нуля.

3. Установите на оптическую скамью фотоприемник люксметра, а перед ним светонепроницаемую пластину с отверстием с тем же диаметром 25 мм, что и у фото катода фотоэлемента, и красный светофильтр. Перемещайте лампу на, те же расстояния до фотоприемника, что уже внесены в табл. 11.1, и из - мерьте показ ания люксметра E₁. Значение освещенности фотокатода равно E = Ej S₀/S , где S - площадь отверстия, S₀ - площадь фотоприемника люкс­метра. Световой поток, падающий на фотокатод равен Ф = ES_X = EjS₀. Из мерьте диаметр фотоприемника, найдите значение S₀ и рассчитайте значения светово­го потока Ф , и внесите результаты в табл. 11.1.

4. По полученным результатам постройте график 1=ЛФ) (световую ха­рактеристику) для использ ованного значения и_вн. По линейному участку гра­фика определите спектральную чувствительность у_х (11.7) для красного света.

---

4. Снятие вольт-амперных характеристик для красного и синего света

Выполните из мерения в следующем порядке:

1. При положениях тумблеров диапаз она 0-150 В установите красный све­тофильтр и лампу накаливания на минимальном расстоянии от фотоэлемента, включите лампу. Увеличивая напряжение на фотоэлементе U_вн с помощью ручки потенциометра, устанавливайте целые значения тока I (в мкА), з аписы- вайте показ ания микроамперметра и вольтметра в табл. 11.2. Предельное на­пряжение - 140В. В конце опыта напряжение уменьшите до нуля и выключите блок питания 0-150 В.

   .2

Лампа с красным светофильтром
I, мкА	U вн , В
0	0
. . .

Таблица 1

Лампа с красным светофильтром			Синий светодиодный осветитель
I, мкА	U вн , В	I, мкА		U вн , В

3. Выключите лампу накаливания, отодвиньте ее и красный светофильтр от фотоэлемента. Установите синий светодиодный осветитель на минимальном расстоянии от фотоэлемента и включите его. Повторите из мерения так же, как и в предыдущем пункте, з аписывайте показ ания микроамперметра и вольтмет­ра в табл. 11.3. После достижения максимального напряжения выключите блок питания 0-10 В и внесите в табл. 11.3 значение тока при нулевом напряжении. Переключите тумблеры полярности на отрицательное напряжение. Увеличи­вайте подаваемое напряжение до тех пор, пока ток фотоэлемента не станет равным нулю. После завершения измерений выключите светодиодный освети­тель, снимите его с оптической скамьи и переключите полярность напряжения на положительную.

---

5. Снятие вольт-амперной характеристики для инфракрасного излучения светодиода

1. Установите инфракрасный светодиодный осветитель на минимальном расстоянии от фотоэлемента и включите его. Повторите из мерения так же, как и в предыдущем пункте, з аписывайте показ ания микроамперметра и вольтмет­ра в табл. 11.3. После достижения максимального напряжения выключите блок питания 0-10 В.

2. Постройте график з ависимости тока фотоэлемента от подаваемого на­пряжения - вольт-амперную характеристику.

6. Вычисление постоянной Планка

1. По полученным в п. 4 результатам постройте графики з ависимости тока фотоэлемента от подаваемого напряжения - вольт-амперные характеристики I=f(U) для освещения фотодиода красным и синим светом. Для построения этих графиков удобно использовать программы Advanced Grapher, MicroCal Origin 3.0 и Open Office.org Calc. Найдите точки пересечения кривых с осью абсцисс - з апирающие значения внешнего потенциала U_{вн з} и U_{вн з син} , начи-

вн.з.кр. вн.з.син.

няя с которых фототок становится отличным от нуля для красного и синего света. Из формулы (11.5) следует

^кр ^- Аых = - ^hv0 = е (|^Uк| - ^Uв_Н.з,р. ), ⁽¹¹.¹¹⁾

hv - A = hv - hv₀ = e (|U - U ), (11.12)

син ^ых син 0 VI к вн.з.син.,/’

и

hv - hv = — - — = e(u - U ). (11.13)

син кр л л \ вн.з.кр. вн.з.син./ ^v '

^Хсин ^Хкр

По известному значению длины волны красного света (X_кр « 0.65 мкм) и

найденной с помощью колец Ньютона длины волны синего света Х_син вычис­лите значение постоянной Планка e (U - U )Х X

\ вн.з.кр. вн.з.син. / син кр ... . ._N

h = — ^L. (11.14)

c(X -X )

кр син

и сравните ее с табличным значением.

Считая значение постоянной Планка известным, определите значение контакт­ной разности потенциалов и работы выхода.

7. Определение длины волны инфракрасного излучения светодиода и оценка красной границы фотоэффекта

---

На графике вольт-амперной характеристики для инфракрасного свето­диода найдите точку пересечения кривой с осью абсцисс - запирающее значе­ния внешнего потенциала и_{вн з ин}ф_кр , начиняя с которых фототок становится от­личным от нуля. Используя схему вычислений (11.11)-(11.13) найдите значения величин hv^^ и Х_инф_кр. Найденное значение может служить оценкой красной

границы фотоэффекта, сравните его со значением, полученным в предыдущем пункте. Сравните полученное значение X_инф_кр со спектром излучения свето­диода на рис. 11.3.

8. Работа с компьютерной моделью фотоэффекта

Запустите компьютерную программу Открытая физика (версия 2.6) часть 2 и откройте в Содержании раздел “ Квантовая физика. 5.2. Фотоэффект. Фотоны”. Ознакомьтесь с теоретическим материалом, в его конце щелкните по изображе­нию модели фотоэффекта (рис. 11.4). С помощью бегунка выберите цвета излу­чения наиболее близкие к цвету красного светофильтра и синего светодиодного осветителя. Запишите значение длин волн света, по формуле (11.2) вычислите соответствующую работу выхода. Запишите оценку для красной границы фото­эффекта и работы выхода использованного фотоэлемента.

Откройте лабораторную работу 5.1 “Фотоэффект” (рис. 11.5). Ее можно най­ти следующим образом. Щелкните по гиперссылкам: Помощь-

Н. 1.3.Основныевозможностипрограммы-Выполнение лабораторных работ -5.1 Фотоэффект. Выполните задачи, указанные преподавателем.

ftv = 2,01 эВ I = 0,024 нА

(у |—ЛЛДЛЛЛ-|

и - 10,2 IlfjB р= |1,0 IlfjMBT

х=[616 |рГ|Я нм

Рис. 11.4. Компьютерная модель фотоэффекта для красного (слева) и синего (справа) света

---