fizika_668

81

30 Визначення постійної Ридберга по спектрі атома водню

30.1 Мета роботи

Засвоїти методику визначення постійної Ридберга по атомних спектрах атома водню.

30.2 Порядок виконання роботи

30.2.1Насамперед необхідно проградуювати спектрометр (монохроматор), тобто довідатися, які довжини хвиль спектральних ліній відповідають певним розподілам шкали на барабані спектрометра. Для градуювання використовується ртутна лампа, установлювана на оптичній лаві приладу.

30.2.2Включити ртутну лампу. На об'єктив спектрометра встановити ковпачок, і, переміщаючи уздовж оптичної лави лінзу, домогтися того, щоб на об'єктив падало чітке зображення джерела випромінювання. Зняти ковпачок з об'єктива.

30.2.3Обертаючи барабан спектрометра, домогтися того, щоб були видні спектральні лінії ртуті. В окуляр повинна бути видна також світна стрілка – покажчик. Обертаючи барабан, сумістити стрілку – покажчик із крайньої фіолетової лінії спектра. Записати відповідний розподіл шкали барабана. Продовжуючи обертати барабан, знайти розподіли його шкали, що відповідають всім спектральним лініям, довжини хвиль яких наведені в таблиці 30.1, а відповідні номери в спостережуваному спектрі – на рисунку 30.1. Дані вимірювань занести

втаблицю 30.1. Користуючись результатами проведених вимірювань,

побудувати градуювальну криву =f(n), відкладаючи по осі абсцис ділення n шкали барабана, а по осі ординат – довжини хвиль спектральних ліній.

82

Таблиця 30.1

	№	Кольори лінії спектра	, нм	Поділка шкали
	лінії			барабана, n
	1	Фіолетова	404,7
	2	Фіолетова	407,8
	3	Фіолетова яскрава із	435,8
		трьох близьких
	4	Зелена	491,6
	5	Зелена	495,9
	6	Жовто-зелена	546,1
	7	Жовта	576,9
	8	Жовта	579,1
	9	Червона	623,4
	10	Червона	690,7

30.2.4 Замість ртутної лампи встановити на оптичну лаву водневу трубку. Знову фокусувати випромінювання, що дається нею, на об'єктив спектрометра. Обертаючи барабан, суміщати спектральні лінії водню з кінцем стрілки – покажчика в окулярі приладу. Записувати відповідні їм ділення барабана в таблицю 30.2.

Таблиця 30.2

Кольори лінії	Поділкі шкали	Довжини хвиль
спектра	барабана, n	спектра водню, нм
Фіолетова
Синьо-зелена
Червона

Таблиця 30.2 – це таблиця відповідності поділки шкали барабана з довжинами хвиль кольорових променів. По градуювальній кривій знайти довжини хвиль спектральних ліній водню й занести їхнього значення в таблицю 30.2.

30.2.5 Значення постійної Ридберга знайти по (сериальній формулі) узагальненій формулі Бальмера (30.1), підставляючи в неї довжини хвиль відповідних ліній з таблиці 30.2. У формулі (30.1): n = 2 , m – приймає значення 3, 4 і 5 для червоної, синьо-зеленої й фіолетової ліній, відповідно. Із трьох отриманих значень постійної Ридберга обчислити середнє арифметичне.

								83
R			1			,		(30.1)
	λ (	1			1	)
		n 2			m 2

де – довжина хвилі [м], n – номер енергетичного рівня, на який переходить електрон, m – номер енергетичного рівня, з якого переходить електрон.

84

31 Визначення ширини заборонної зони напівпровідникового

опору

31.1 Мета роботи

Дослідження температурної залежності провідності напівпровідників.

31.2 Схема й принцип дії установки

Термістор, який застосовується у дійсній роботі, має форму циліндра діаметром кілька міліметрів і довжиною близько 3 см.

Термістор припаяний до двох провідників. Кінці цих провідників підведені до клем, які закріплені на кришці калориметра. Калориметр наповнюється водою, у яку разом з термістором опущений термометр. Для нагрівання води в калориметрі використовується електроплитка. Опір термістора виміряється омметром.

Через сильно виражену залежність опору напівпровідників від температури, їх можна застосовувати для вимірювання температур. Однієї з переваг термісторів є значний питомий опір, що дозволяє зробити їхні габарити дуже малими. Малі габарити термісторів спричиняються їхню малу теплоємність. А це дозволяє використати термістори для вимірювання температур малих об'єктів (наприклад, листи рослин, шкіра людини). До переваг термісторів також ставиться велика відносна зміна їхнього опору (порядку 5 8% на кожний градус).

31.3Порядок виконання роботи

31.3.1Перевірити, чи досить води в калориметрі (термістор повинен бути повністю занурений у воду).

31.3.2Виміряти опір термістора при кімнатній температурі й

температуру.

85

31.3.3Включити електроплитку й у процесі нагрівання виміряти опір термістора при 30, 40, 50, 60 оС. Значення опорів і відповідні значення температур заносити в таблицю 31.1.

31.3.4Електроплитку виключити й щоб уникнути виходу з ладу термістора калориметр зняти з електроплитки.

31.3.5Для всіх вимірюваннь визначити (103/T) і lgR. За обчисленим значенням побудувати графік lgR = f (103/T), відкладаючи по осі абсцис 103/T, а по осі ординат lgR.

Таблиця 31.1

№ досліду	t, OС		Т, К		103/Т, 1/K		R,	Ом
31.3.6 Обчислити tgφ			(φ –	кут нахилу до			осі	абсцис), як

відношення протилежного катета до прилеглого, і по формулі (31.1) обчислити ширину забороненої зони.

W = 0,4·tgφ (еВ).

(31.1)

86

32 Визначення ширини забороненої зони напівпровідника оптичним методом.

32.1 Мета роботи

Визначення ширини забороненої зони напівпровідника при переході в зону провідності електронів, збуджених світлом.

32.2 Схема й принцип дії установки

Для визначення кр використовується установка, схематично представлена на рис. 32.1.

Лампа накалювання дає суцільний спектр випромінювання. У цьому можна переконатися, якщо закрити поверхню зразка білим папером і направити відбитий папером світло в монохроматор. Досліджуючи спектр випромінювання, відбитий від поверхні напівпровідника, побачимо, що він змінився: короткохвильова частина

87

спектра стала темніше. Це відбулося тому, що кванти світла ≤ кр, які мають енергію h c/ ≥ W, поглинаються електронами валентної зони.

Частина спектра, що відповідає > кр, залишилася без зміни, тому що енергія h c/ < W недостатня для переходу електронів з валентної зони в зону провідності, і ця енергія не поглинається.

32.3Порядок виконання роботи

32.3.1Градуювання спектрометра виконати також, як у лабораторній роботі № 30 (пункти 30.2.1 30.2.3).

32.3.2Установити зразок так, щоб кут спостереження θ (рисунок 32.1) був малий (не більше 10?).

32.3.3Включити лампу накалювання й за допомогою лінзи сфокусувати світло на поверхню напівпровідника. Закрити поверхню напівпровідника білим папером і переконатися, що спектр випромінювання лампи накалювання суцільний. Потім забрати папір.

32.3.4Обертаючи барабан, установити покажчик на границю розділу між частиною спектра зі зменшеною інтенсивністю й залишилася без зміни. Зробити відлік n по барабану.

32.3.5Використовуючи градуіровочну криву = f(n), визначити

кр, що відповідає найменшій енергії, необхідної електрону для переходу з валентної зони в зону провідності.

32.3.6Знаючи кр, обчислити ширину забороненої зони W, використовуючи формулу (32.1).

W = h· с/ кр,

(32.1)

де h = 6,63 10-34 Дж с – стала Планка, с = 3 108 м/с – швидкість світла у вакуумі, кр – критична довжина хвилі [м].

88

33 Зняття вольтамперної характеристики напівпровідникового випрямляча

33.1 Мета роботи

Вивчення залежності сили струму в напівпровідниковому випрямлячі від величини різниці потенціалів і напрямку електричного поля, прикладеного до нього.

33.2 Схема й принцип дії установки

Схема електричного кола зображена на рис. 33.1.

Джерелом струму є акумулятор Е. З допомогою реостата R можна змінювати напругу від нуля до 1,5 В, виміряючи його вольтметром V. При прямому напрямку струму через напівпровідниковий діод (випрямляч) для вимірювання сили струму включається мілліиамперметр мА, при зворотному – мікроамперметр мкА. Перемикач П, що служить для зміни напрямку струму, перебуває на панелі поруч із селеновим випрямлячем СВ.

Густина струму, яка припустима через селеновий випрямляч 40 50 А/см2, а зворотна напруга, яка припустима на один випрямний елемент 18 20 В.

Властивості випрямлячів характеризуються коефіцієнтом випрямлення К, що визначається відношенням прямого струму Iпр до

зворотного струму Iзвор – при однакових по величині прямою і зворотною напругах: К = Iпр/Iзвор.

89

У даній роботі потрібно досліджувати залежність струму від напруги для селенового випрямляча й побудувати графіка цієї залежності, а також побудувати графік залежності опору випрямляча від напруги на ньому й визначити коефіцієнти випрямлення при різних напругах.

33.3 Порядок виконання роботи

33.3.1Зібрати електричне коло за схемою, представленою на рисунку 33.1. До перевірки схеми керівником акумулятор не підключати. Для вимірювання прямого струму підключити мілліамперметр (мА).

33.3.2Поставити перемикач П у положення «Прямий струм».

33.3.3Задаючи значення струму 10, 20, 30, 40, 50, 70, 100, 150, 200, 300 мА, записати показання вольтметра. Зазначені значення струму обрані так тому, що прямий струм через випрямляч залежить від напруги на ньому за експонентним законом. Дані вимірювання занести в табл. 33.1.

Таблиця 33.1

№	U		I		R, Ом	К
досліду	Поділка	В	Поділка	мА

33.3.4Замінити мілліамперметр мА мікроамперметром мкА, тобто перемикач П поставити в положення «Зворотний струм».

33.3.5Подаючи таку ж напругу, що й для випадку прямого струму, записати показання мікроамперметра мкА. Дані вимірюваннь занести в табл. 33.2.

Таблиця 33.2

№	U		I		R, Ом	К
досліду	Поділка	В	Поділка	мкА

33.3.6 Накреслити графіки: 1) I = f(U) ; 2) R = f(U); 3) К = f(U). При побудові першого графіка струм і напругу відкладати в одній координатній системі, уважаючи прямий струм і напругу

90

позитивними. Масштаб для струму в прямому і зворотному напрямках вибрати різний, наприклад, у прямому напрямку в 10 100 разів менший.