- •Загальні положення
- •Лабораторна робота № 1 визначення фокусної відстані та оптичної сили збиральної та розсіювальної лінз
- •Короткі теоретичні відомості
- •Визначення фокусної відстані збиральної лінзи
- •Визначення фокусної відстані розсіювальної лінзи
- •Порядок виконання роботи
- •Питання для самоконтролю
- •Лабораторна робота № 2 визначення довжини світлової хвилі методом кілець ньютона
- •Короткі теоретичні відомості
- •Опис установки
- •Порядок виконання роботи
- •Питання для самоконтролю
- •Лабораторна робота № 3 визначення довжини світлової хвилі за допомогою дифракційної ґратки
- •Короткі теоретичні відомості
- •Порядок виконання роботи
- •Питання для самоконтролю
- •Лабораторна робота № 7 вивчення властивостей фотоелемента
- •Короткі теоретичні відомості
- •Опис установки
- •Порядок виконання роботи
- •Питання для самоконтролю
- •Лабораторна робота № 8 вивчення спектрів випромінювання атомів неону та ртуті
- •Короткі теоретичні відомості
- •Опис установки
- •Порядок виконання роботи
- •Опис установки
- •П Рис. 1 орядок виконання роботи
- •Питання для самоконтролю
- •Лабораторна робота № 10 визначення довжини хвилі когерентного випромінювання лазера
- •Короткі теоретичні відомості
- •Принцип дії і конструкція гелій - неонового лазера
- •Опис установки
- •Порядок виконання роботи
- •Опис установки
- •Порядок виконання роботи
- •Питання для самоконтролю
- •Лабораторна робота № 16 дослідження вольт-амперної характеристики напівпровідникового діода
- •Теоретичні відомості
- •Порядок виконання роботи
- •Опис лабораторної установки
- •Порядок виконання роботи
- •Питання для самоконтролю
- •Додатки
- •1. Основні фізичні константи (округлені значення)
- •2. Множники і префікси для утворення десяткових кратних одиниць та їхні назви
- •3. Довжини хвиль, що відповідають певному кольору спектра
- •4. Кільця Ньютона у відбитому світлі (фотокопія)
- •5. Робота виходу електрону з різних металів
- •6. Червона межа фотоефекту для деяких речовин
- •7. Довжини хвиль яскравих ліній у спектрі випромінювання ртутної лампи
- •8. Довжини хвиль деяких яскравих ліній у спектрі випромінювання неону
- •9. Довжини хвиль деяких спектральних ліній ртуті
- •10. Ширина забороненої зони δе (енергія активації) деяких власних напівпровідників
- •11. Ширина забороненої зони δе (енергія активації) деяких домішкових напівпровідників
- •1 2. Градуювальний графік
- •13. Методика розрахунків похибок прямих вимірювань фізичних величин
- •14. Значення коефіцієнтів Стьюдента
- •15. Побудова прямої методом найменших квадратів (мнк)
- •Рекомендована література
Принцип дії і конструкція гелій - неонового лазера
У даній роботі використовується газовий лазер ЛГ-56, основним елементом якого є газорозрядна трубка діаметром 7–10 мм, що наповнена сумішшю гелію і неону. Парціальний тиск гелію 1 мм рт. ст., неону 0,1 мм рт. ст. При високій постійній напрузі 1–2 кВ, яка подається між електродами трубки, у трубці виникає електричний газовий тліючий розряд, який виконує роль системи накачування. Накачування відбувається у два етапи: гелій є носієм енергії збудження, а лазерне випромінювання створює неон. Електрони розряду при зіткненні збуджують атоми гелію. При зіткненні збуджених атомів гелію з незбудженими атомами неону відбувається передача їм енергії (без випромінювання). В результаті виникає інверсна заселеність на одному із верхніх рівнів атома неону. Перехід атома неону з верхнього рівня на один із нижніх супроводжується лазерним випромінюванням (генерацією червоного світла з довжиною хвилі λ = 0,6328 мкм).
Опис установки
Всі деталі установки (екран, лазер, дифракційну ґратку) змонтовано на оптичній лаві. Лазерне випромінювання, що пройшло через дифракційну ґратку, дає на екрані ряд дифракційних максимумів і мінімумів, розташованих симетрично відносно найбільш яскравого центрального максимуму нульового порядку (рис. 10.1).
У даній роботі використовується дифракційна ґратка зі сталою величиною b = 10 -5 м.
Рис. 10.1
Увага! Вмикання лазера робить тільки викладач. Лазер вмикається тільки на 10 хвилин. Попадання в очі прямого лазерного випромінювання небезпечне для зору. Тому, при роботі з лазером, його світло треба спостерігати тільки на розсіювальних поверхнях.
Порядок виконання роботи
Завдання 1.
Визначення довжини хвилі лазерного випромінювання
Увімкнути блок живлення лазера в мережу 220 В і через 1–2 хв. натиснути на кнопку «Запуск». З’явиться лазерний промінь.
На відстані ~ 0,6 м від вихідного вікна лазера розмістити рейтер з дифракційною ґраткою так, щоб промінь лазера проходив через її центр.
Змінюючи відстань L від дифракційної ґратки до площини екрану, виміряти лінійкою відстань Dk між центрами лівого і правого максимумів другого порядку.
Обчислити довжину хвилі λ за формулою:
,
де b = 10 -5 м – стала ґратки, k = 2 – порядок спектру.
Результати вимірювань та обчислень занести до таблиці 10.1.
Завдання 2.
Визначення сталої тонкої структури
Зняти з оптичної лави рейтер з дифракційною ґраткою та екраном.
На відстані ~ 0,6 м від вихідного вікна лазера розмістити рейтер з тонкою структурою.
Не змінюючи відстань L від рейтера з тонкою структурою до екрану (~ 3 м) виміряти відстань Dk між центрами лівих і правих максимумів різних порядків (k=1,2,3,4,5). Екраном у даному випадку слугує аудиторна дошка.
Обчислити сталу b тонкої структури за формулою:
,
де – середнє арифметичне значення довжини хвилі лазерного випромінювання, знайдене в попередньому завданні.
Дані вимірювань та обчислень занести до таблиці 10.2.
Таблиця 10.1
№ пп |
k |
L, м |
Dk, м |
λi, м |
Δλi, м |
(Δλi)2, м2 |
1 |
2 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
Таблиця 10.2
№ пп |
k |
Dk, м |
L, м |
bi, м |
Δbi, м |
(Δbi )2, м2 |
1 |
1 |
|
|
|
|
|
2 |
2 |
|
|
|
|
|
3 |
3 |
|
|
|
|
|
4 |
4 |
|
|
|
|
|
5 |
5 |
|
|
|
|
Виконати статистичну обробку результатів обчислень λ і b за стандартною методикою (див. додатки) і записати остаточний результат у вигляді:
і .
Визначити відносні похибки за формулою:
і .
Проаналізувати одержані результати і зробити висновки.
Питання для самоконтролю
Що таке лазер ?
Які основні частини лазера і їх призначення?
Поясніть термін «інверсія заселеності».
Як здійснюється процес накачування у лазері?
За яких умов виникає вимушене (індуковане) випромінювання?
Які властивості лазерного випромінювання?
Наведіть приклади застосування лазерів у науці і техніці.
Лабораторна робота № 15
ВИЗНАЧЕННЯ ШИРИНИ ЗАБОРОНЕНОЇ ЗОНИ НАПІВПРОВІДНИКОВОГО ТЕРМОРЕЗИСТОРА
Мета роботи: визначити ширину забороненої зони напівпровідника з температурної залежності його опору.
Прилади та матеріали (змонтовані на загальному стенді): терморезистор, електропіч, джерело постійної напруги, вольтметр, міліамперметр, термопара, термометр на основі термопари.
Теоретичні відомості
Всі речовини за своїми електрофізичними властивостями можна поділити на три великих класи: провідники, напівпровідники і діелектрики. Груба класифікація здійснюється за значенням питомого опору при кімнатній температурі: провідники мають питомий опір в межах , напівпровідники – , діелектрики – . Проте значення питомого опору не може бути єдиним критерієм належності даної речовини до якогось класу. Існує багато інших, більш суттєвих ознак. Наприклад, у металів (провідників) зі збільшенням температури питомий опір зростає, а у напівпровідників, навпаки, – зменшується. При дуже низьких температурах напівпровідники поводять себе як діелектрики. Крім цього, провідність напівпровідників значною мірою залежить від наявності домішок, освітлення та електромагнітних полів.
Зонна теорія твердих тіл пояснює з єдиної точки зору існування провідників, напівпровідників і діелектриків через відмінності їхніх енергетичних властивостей: по-перше, неоднаковим заповненням електронами дозволених зон і, по-друге, різною шириною заборонених зон.
Зона дозволених найбільших енергій, яка при повністю, у відповідності до принципу Паулі, заповнена електронами називається валентною зоною. Зона дозволених енергій, що розташована вище від валентної зони і при частково заповнена електронами або порожня називається зоною провідності. Зона заборонених енергій, що розташована між зоною провідності і валентною зоною називається забороненою зоною.
Електрони є вільними тільки у зоні провідності. Ці електрони і беруть участь у електричній провідності твердого тіла. Електрони валентної зони є зв’язаними, тому не можуть брати участь у процесі переносу електричного струму.
З точки зору зонної теорії твердого тіла, якщо при зона провідності частково заповнена електронами, то тіло є провідником електричного струму, а якщо вона не містить електронів, то – діелектриком або напівпровідником. Відмінність між діелектриками і напівпровідниками досить умовна і визначається шириною заборонених зон: у діелектриків вона доволі широка, а у напівпровідників – доволі вузька. Ширина забороненої зони у діелектриків ΔЕ>2еВ, у напівпровідників – .
Електрони можуть здійснювати тільки внутрішньозонні переходи. При температурах, близьких до абсолютного нуля, напівпровідники поводять себе як діелектрики, тому що перехід електронів із валентної зони у зону провідності не відбувається. З підвищенням температури у напівпровідників збільшується кількість електронів, які за рахунок теплового збудження переходять у зону провідності, тобто електрична провідність напівпровідників зростає. (відповідно їх опір зменшується).
Напівпровідники поділяються на власні і домішкові. Власними напівпровідниками є хімічно чисті напівпровідники, їхня провідність називається власною. Наявність у напівпровіднику домішки істотно змінює його провідність. Провідність напівпровідників, яка зумовлена домішками, називається домішковою провідністю, а самі напівпровідники – домішковими напівпровідниками.
Для власних напівпровідників залежність опору від температури має вигляд:
, (15.1)
де R – опір при абсолютній температурі Т; R0 – постійний опір, що не залежить від температури; k – стала Больцмана; ΔЕ – енергія, що необхідна для переходу електрона з валентної зони в зону провідності (ширина забороненої зони).
Логарифмуючи рівняння (15.1), одержимо:
, (15.2)
тобто між значеннями і існує лінійна залежність. Якщо виміряти значення R при різних температурах Т і побудувати графік залежності , то утвориться пряма лінія, тангенс кута нахилу якої до вісі абсцис: , за яким можна визначити ширину ΔЕ забороненої зони напівпровідника. Користуючись формулою (15.2), для двох довільно вибраних на прямій точок із абсцисами і та відповідних їм значень ординат R1 і R2 одержимо:
. (15.3)
У фізиці твердого тіла ширина забороненої зони ΔЕ вимірюється у електронвольтах (еВ). Для одержання енергії в еВ використовують таке співвідношення: 1 еВ = 1,6∙10 -19 Дж.
Терморезистор (термістор) – електронний напівпровідниковий прилад, що являє собою пластинку напівпровідникового матеріалу з антизапірними контактами. Термістори застосовуються у системах вимірювання і регулювання температури, для вимірювання потужності електромагнітного випромінювання, швидкості потоку рідин і газів, у стабілізаторах напруги, реле та ін.
Для побудови графіка необхідно знати опір термістора R при різних температурах. Його можна визначити за законом Ома:
, (15.4)
де U – напруга, прикладена до термістора, I – струм, що протікає через термістор.