_Files_MethodAtom3_corrected_02112012

5.4.Указания по выполнению наблюдений

1.Перед началом эксперимента выдержать приборы включенными в течении 5-10 мин. Установить напряжение генерируемых колебаний, соответствующее 4…10 делениям стрелочного индикатора. Ручку «УСИЛЕНИЕ» установить таким образом, чтобы на экране осциллографической трубки наблюдалась «шумовая дорожка». Установить переключатель «КОНТРОЛЬ УРОВНЯ» в положение «МОДУЛЯЦИЯ». Ручкой «МОДУЛЯЦИЯ» установить ток модуляции, соответствующий 10 делениям стрелочного индикатора. Установить ток электромагнита, указанный на панели прибора.

2.Поместить датчик №3 (из комплекта прибора Ш1-1) в центр зазора электромагнита. Переключатель «ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ» установить в положение Ш. Медленно вращая ручку «ЧАСТОТА» от 6,2 МГц до 7 МГц, добиться появления на экране осциллографа сигнала ЯМР. Отличительной особенностью сигнала является его исчезновение при изменении напряжения источника на 2–4 В. Переключателем «МОДУЛЯЦИЯ» уменьшить модуляционный ток до значения, при котором сигнал ЯМР наблюдается на экране осциллографа. Ручкой «ФАЗА» добиться наложения резонансных кривых прямого и обратного хода тока модуляции. Ручкой «ЧАСТОТА» совместить максимум резонансных кривых с центром горизонтальной развертки осциллографа. Определить частоту генератора прибора по градуировочной кривой на передней панели прибора Ш1-1.

3.Снять зависимость протонной резонансной частоты от силы тока Iэм электромагнита. Для этого измерять силу тока электромагнита в пределах и с шагом, указанными на панели прибора. Для каждого значения тока определить значение резонансной частоты ν0i.

4.Для датчика №3 (протоносодержащий образец) установить частоту генерации автодина ν′01= 7,5 МГц. Изменяя ток в электромагните, добиться появления сигнала ЯМР на экране осциллографа. Оба графика совместить в центре экрана. Определить значение тока электромагнита Iэм. Измерения повторить при двух других значениях частоты ν″01= 8,5 МГц, ν'''01= 9,5 МГц.

5.Измерения по п. 4 повторить с использованием датчика №4 (Li7) на частотах ν02=14; 15; 16 МГц и датчика №5 (H2) на частотах ν03=11; 12; 13 МГц.

41

5.5.Указания по обработке результатов

1.Используя соотношение B = 0,023487ν (B – магнитная индукция поля в Тл, ν – частота генератора-автодина в МГц), по данным п. 3 предыдущего раздела определить значение индукции магнитного поля для каждого значения тока электромагнита. Построить график B = f(Iэм).

2.Определить значение индукции B0i с использованием градуировочного графика B = f(Iэм) и измеренных в п. 4, 5 значений силы тока в электромагните.

3.Для каждой пары значений ν0i и B0i по соотношениям (5.3) и (5.4) рассчитать магнитный дипольный момент ядра.

4.Определить магнитный момент исследуемых ядер. Результат предста-

вить в стандартной форме I I I . Выразить полученные значения I в

ядерных магнетонах.

5. Обсудить соответствие измеренных магнитных моментов I с результатами расчета по п. 4 задания по подготовке к работе.

5.6.Контрольные вопросы

1.Какие физические явления лежат в основе ядерного магнитного резонанса?

2.В чем отличие ядерного магнитного резонанса и электронного парамагнитного резонанса?

3.Для каких целей используется метод ЯМР?

4.Что характеризует ядерное спиновое число?

5.При выполнении каких условий может наблюдаться поглощение энергии электромагнитного поля ядром?

6.В какой вид преобразуется энергия электромагнитного поля при ядерном магнитном резонансе?

Список литературы

1.Лундин А.Г., Федин Э.И. Ядерный магнитный резонанс. –М.: Наука, 1980,

гл.1, 2.

2.Бородин П.М., Володичева М.И., Москалев В.В. и др. Ядерный магнитный резонанс. Л.: Изд-во ЛГУ, 1982, гл.1.

42

3.Специальный физический практикум, ч.1/Под ред. А.А. Харламова. –М.: Изд-во МГУ, 1977. С.90-105.

4.Лабораторный практикум по физике. Под ред. К.А. Барсукова и Ю.М.

Уханова. – М. : Высш. шк., 1988. – 351с.

Работа 6 (9.4). ИССЛЕДОВАНИЕ ВНУТРЕННЕГО ФОТОЭФФЕКТА

Цель работы: изучение зависимости фототока в сернистом свинце от напряжения и освещенности.

Приборы и принадлежности: оптическая скамья с рейтерами, фотосопротивление ФС-A1, микроамперметр, вольтметр, реостат, эталонная лампа накаливания.

6.1.Общие сведения

Втвердом теле уровни энергии атомных электронов, трансформируются в

энергетические зоны. Области разрешенных значений энергии отделены друг от друга областями запрещенных значений. Если энергетическая зона заполнена электронами не полностью, то ее электроны при наложении электрического поля могут создавать ток, в противном же случае они не участвуют в токопереносе. Ширина запрещенной зоны проводников, практически равна нулю, для создания тока в проводнике достаточно приложить электрическое поле. Чтобы обеспечить электропроводность полупроводника или диэлектрика, необходимо сообщить электронам некоторую энергию, которая определяется шириной запрещенной зоны. Так как ширина запрещенной зоны полупроводников невелика, то уже при небольшом нагревании полупроводника электроны приобретают энергию, достаточную для перехода в зону проводимости. Запрещенная зона изоляторов широка (несколько эВ), поэтому вызвать заметную электропроводность изоляторов нагреванием невозможно.

При переходе электронов из валентной зоны в зону проводимости на энергетических уровнях валентной зоны образуются свободные места (дырки). Заполняясь электронами с нижележащих уровней, дырки перемещаются по направлению поля как положительные заряды.

Описанный механизм проводимости полупроводника определяет собст-

венную проводимость. Если в кристаллической решетке твердого тела имеются

43

атомы примеси, то электроны этих атомов обычно размещаются не на энергетических уровнях основной решетки, а на отдельных энергетических уровнях. В зависимости от расположения примесного уровня в запрещенной зоне соответствующий атом примеси может обусловить электронную или дырочную проводимость тела. Так, занятый электронами примесный уровень вблизи дна зоны проводимости создает электронную проводимость, а свободный уровень вблизи верха валентной зоны — дырочную проводимость.

Это краткое описание механизма проводимости полупроводников показывает, что проводящее состояние полупроводника является возбужденным. Поэтому всякое воздействие, сообщающее энергию электронам полупроводника, влияет на его электропроводность. Наряду с тепловым механизмом возбуждения проводимости большое значение имеет механизм возбуждения проводимости фотонами.

Если энергия фотона, поглощаемого веществом, равна или больше энергии, необходимой для перехода электрона в зону проводимости, в твердом теле под действием излучения появляются добавочные носители тока. Они обусловливают добавочную проводимость и создают фототок.

6.2. Исследуемые закономерности

Объектом исследования является фотосопротивление (рис. 6.1, а) — тонкий слой 1 полупроводникового материала, нанесенный на изолирующую пластинку 2. На краях слоя расположены электроды 3. Вся конструкция монтируется в пластмассовый корпус 4.

На рис, 6.1, б приведена схема включения фотосопротивления (ФС). При отсутствии освещения в цепи протекает темповой ток Iт, зависящий от приложенного напряжения и темнового сопротивления. При освещении ток I в цепи больше темнового тока. Разность между током при освещении и темновым током составляет фототок Iф.

Характеристиками фотосопротивления являются чувствительность, зависимость чувствительности от длины волны падающего излучения (спектральная характеристика) и от освещенности (световая характеристика), рабочее напряжение, темновое сопротивление.

44

Чувствительность в общем случае вычисляется как отношение фототока Iф к лучистому потоку Фэ:

S = Iф/ Фэ.

Если фотосопротивление используется для регистрации излучения видимой части спектра, чувствительность выражают в амперах (чаше микроамперах) на люмен. Поскольку чувствительность фотосопротивления зависит от спектрального состава падающего излучения, при определении чувствительности необходимо указывать, каким источником создавалось излучение, Для определения чувствительности фотосопротивления в видимой части спектра источником излучения обычно служит лампа накаливания с вольфрамовой нитью при температуре 2840 К.

Рис. 6.1. Устройство фотосопротивления (а) и схема его включения (б) Величина фототока зависит не только от лучистого потока, но и от при-

ложенного напряжения, поэтому при заданий чувствительности необходимо либо указывать рабочее напряжение U, либо пользоваться понятием удельной чувствительности

Su = Iф/ UФэ.

В работе исследуются:

1) зависимость темнового тока и фототока от напряжения на фотосопротивлении при постоянном световом потоке (вольтамперные характеристики);

2)зависимость фототока от освещенности (световые характеристики);

3)зависимости темнового сопротивления rт и относительного изменения сопротивления r/rт при постоянном напряжении от освещенности.

Зависимость фототока от освещенности фотосопротивления имеет обычно нелинейный характер, так как внутренний фотоэффект сопровождается раз-

45

личными вторичными явлениями (рекомбинацией носителей тока в объеме и на поверхности, захватом носителей, дефектами решетки и др.).

6.3. Экспериментальная установка

Экспериментальная установка для исследования внутреннего фотоэффекта изображена на рис. 6.2, где ФС — фотосопротивление (типа ФС — Al), PU — вольтметр, РА — микроамперметр, R — реостат, SЭ — эталонная лампа накаливания. Фотосопротивление и лампа установлены на оптической скамье.

Рис. 6.2. Схема для исследования внутреннего фотоэффекта

6.4.Указания по выполнению работы и содержанию отчета

1.Прикрыть шторкой фотосопротивление и снять вольтамперную характеристику темнового тока, изменяя напряжение на фотосопротивлении от 0 до 15 В через 3 В.

2.Установить фотосопротивление на расстоянии а = 20 см от лампы, поднять шторку и снять вольтамперную характеристику фототока, изменяя напряжение от 0 до 15 В. Результаты измерений представить в табл. 6.1. Подобные измерения сделать также для расстояния 10 см.

Таблица 6.1. Вольтамперная характеристика фотосопротивления

46

Построить графики зависимости темнового тока и фототока от напряжения при двух значениях освещенности (три кривые расположить на одном чертеже). Освещенность вычислять по формуле E = J/a2, где J — сила света (указана на приборе), а — расстояние от лампы до фотосопротивления.

3.Снять световые характеристики фотосопротивления при напряжении 10

и15 В. Для этого, поддерживая напряжение постоянным, изменять расстояние а между фотосопротивлением и источником света от 10 до 40 см через 5 см и измерять ток I; затем вычислить Iф = I – Iт. Результаты измерений записать в табл.

6.2.

Световые характеристики фотосопротивления

Построить график зависимости фототока Iф от освещенности E для двух напряжений (10 и 15 В).

4. Вычислить относительное изменение сопротивления по формуле

при постоянном напряжении и различной освещённости и построить график зависимости, r/rт от освещенности для двух напряжений.

5. Вычислить удельную чувствительность фотосопротивления при рабочем напряжении 15 В и освещенности 100 лк.

Список литературы

1.Фриш С. Э., Тиморева А. В. Курс общей физики. — М.: Физматгиз, 1962, Т. 3. § 333, 336

47

2.Путилов К. А., Фабрикант В. А. Курс общей физики. — М.: Физматгиз, 1963, Т. 3. § 51, 74

3. Савельев И. В. Курс общей физики. — М.: Наука, 1979. р 3, §.57-59.

4.Барщевский Б. У. Квантово-оптические явления. — М.: Высш.. школа, 1982, гл. 2.

Работа 7 (11.4). ИССЛЕДОВАНИЕ ТУННЕЛЬНОГО ЭФФЕКТА

В ВЫРОЖДЕННОМ p–n ПЕРЕХОДЕ

Цель работы: изучение элементов теории туннельного эффекта, исследование проявлений туннельного эффекта в туннельном диоде.

Приборы: лабораторная установка для снятия вольт-амперных характеристик туннельных диодов.

7.1.Общие сведения

1.Если в некоторой области пространства имеется потенциальный барьер конечной высоты Eр0 и ширины l (рис. 7.1, а), то по классическим представлениям частица с энергией E>EP0 всегда преодолевает барьер, тогда как частица с энергией, меньшей Ер0, барьером зеркально отражается.

В действительности существуют отличные от нуля вероятности отражения барьером частицы с энергией Е>Еp0 и проникновения сквозь барьер (туннелирования) частиц с энергией Е<Ер0.

2.Туннельный эффект является одним из следствий корпускулярноволнового дуализма микрочастиц и может быть количественно исследован путем решения основного уравнения квантовой механики — уравнения Шредингера — с использованием свойств непрерывности волновой функции и ее производных в местах скачка потенциальной функции.

48

скольку в области 3 отсутствует физическая причина для «отражения». Использовав граничные условия

получим следующие волновые функции в областях 1, 2 и 3 (с точностью до постоянного множителя А1):

где ik ; * ik .

Для дальнейшего анализа можно упростить выражения (7.3), приняв во внимание, что вероятность прохождения частиц сквозь потенциальный барьер невелика. Положив в (7.3) ехр(–βl)<<ехр(βl), получим

Анализ выражений (7.4) показывает, что частица с энергией Е<Еp0, движущаяся слева в сторону потенциального барьера, может быть обнаружена как внутри барьера (область 2), так и справа от него (область 5). Количественно эффект туннелирования можно оценить, вычислив плотность вероятности

w * обнаружения частицы в каждой из областей пространства. В результате вычислений получаем

50