5 fizikos laboratoriniai darbai

VILNIAUS GEDIMINO TECHNIKOS UNIVERSITETAS

FIZIKOS KATEDRA

FIZIKOS LABORATORINIAI DARBAI

NR. 16, 17, 18, 25, 28

Atliko: STVin-10 stud. Vida Truikytė

Tikrino: doc. dr. Antanas Urbelis

2011

Vilnius

LABORATORINIS DARBAS NR. 16

ŠILUMINIO SPINDULIAVIMO TYRIMAS IR TEMPETATŪROS MATAVIMAS OPTINIU PIROMETRU

DARBO TIKSLAS: Optiniu pirometru išmatuoti įkaitinto kūno temperatūrą ir nustatyti Stefano– Bolcmano konstantą.

DARBO PRIEMONĖS: Nykstamojo siūlo pirometras, kaitinamoji lempa, ampermetras, voltmetras, maitinimo šaltinis.

Pav. 1

PAGRINDINĖS FORMULĖS

Stefano – Bolcmano konstanta; S – Kūno paviršiaus plotas;

I – Srovės stipris; T – Tikrojį įkaitinto kūno tempetatūra;

U – Įtampa; To – Aplinkos temperatūra.

A – Sugėrimo geba;

BANDYMO EIGA

1. Paruošiame darbui optinį pirometrą. Įjungiame pirometro kaitinimo šaltinį; ampermetro rodyklė

rodo “0”. Sukant diską pagal laikrodžio rodyklę įjungiame pirometro varžą. Per okuliarą stebime

pirometro lemputės siūlą, kuris pastebimas, kai jo temperatūra yra apie 500ºC. Įjungiame raudoną

filtrą (matinis filtras išjungtas). Keičiant okuliaro padėtį, t.y. stumdant jo vamzdelį, gauname ryškų

lemputės siūlo vaizdą.

2. Įjungiame kaitinimo lempos, kurios siūlelio temperatūrą matuosime, maitinimo šaltinį ir

sudarome nedidelę įtampą, kad lemputė silpnai šviestų.

3. Pirometro objektyvą nukreipiame į kaitinimo siūlą ir nustatome ryškų vaizdą. Pirometrą

pastatome taip, kad jo lemputės siūlas uždengtų tiriamos kaitinimo lempos siūlą.

4. Dėstytojas nurodo srovės didumus, kuriems esant matuojama lemputės siūlo temperatūra tr

( 3 matavimai).

5. Matavimo duomenis ( I –srovės stiprumą; U-įtampą; tr-išmatuotą pirometru temperatūrą)

surašome į lentelę. Nustatome tikrąją temperatūrą T pagal išmatuotą pirometru trir darbo vietoje

pateiktą lentelę.

6. Pagal formulę apskaičiuojame Stefano-Bolcmano konstantą , kai A1.

7. Suformuluojame išvadas.

DARBO REZULTATAI IR SKAIČIAVIMAI

Eil.Nr.

I,A U,V T, oC Tʼ, K T, K σ

1. 4,5 5,1 1260 1533 15682. 5,0 6,4 1385 1658 15963. 5,5 7,7 1420 1693 1731

T1 = 1260+273= 1533 K

T2 = 1385+273= 1658 K

T3 = 1420+273 = 1693 K

T=

,

IŠVADOS:

Stefano-Bolcmano konstanta gavosi (σ=6,4∙10‾8). Eksperimentiškai apytiksliai nustatyti konstantą pavyko.

NAUDOTA LITERATŪRA:

N.Astrauskienė ir kt. “Fizikos laboratoriniai darbai” Vilnius “Technika” 1997m.

KONTROLINIAI KLAUSIMAI

1. Šiluminis spinduliavimas ir jo savybės.

Šiluminis spinduliavimas - yra kūno elektromagnetinis spinduliavimas, kurį sukelia kūno sužadinti

atomai arba molekulės dėl jų šiluminio judėjimo. Didėjant kūno temperatūrai spinduliuotės tankis

didėja. Šiluminis spinduliavimas stacionarus, jei spinduliuojančiojo kūno temperatūra pastovi dėl

pastovaus jo kaitinimo.

Šiluminis spinduliavimas - yra pusiausvyrinis procesas. Priklausomai nuo temperatūros, kūnai gali

spinduliuoti įvairaus ilgio elektromagnetines bangas. Kad kūnas spinduliuotų ir nekistų temperatūra,

spinduliavimo energija turėtų būti lygi sugerties energijai.

Energijos srautą, kurį spinduliuoja vienetinis kūno ploto vienetas, aprėžtas erdviniu 2 kampu,

vadinamas energetiniu kūno švytėjimu ( R ). Kūnas spinduliuoja visą spektrą, o bangų ilgių () arba

dažnių (). Tai ,

čia r - spinduliavimo geba ir ji yra r(T)rT temperatūros funkcija.

2. Šiluminio spinduliavimo chareteristikos: spinduliavimo ir sugėrimo geba, integralinė

spinduliavimo geba.

K ū no spinduliavimo geba - E yra energijos srautas, kurį skleidžia kūno vienetinis paviršius visomis

kryptimis: .

Jei į vienetinį paviršių krinta šviesos srautas dΦ, tai jo dalį dΦ′ kūnas sugeria. Santykis A = dΦ ′/dΦ

vadinamas k ū no sugerties geba .

Per bandymus pastebėta, kad spinduliavimo geba priklauso ne tik nuo dažnio (arba bangos ilgio),

bet ir nuo spinduliuojančio kūno temperatūros T.

Didėjant temperatūrai kūno spinduliuojama energija didėja (2 kreivė); didėja skirstinio kreivės

ribojamas plotas, t. y. didėja visuminė kūno spinduliavimo geba. Kūno sugerties geba taip pat

priklauso nuo dažnio (arba bangos ilgio) ir temperatūros.

Energijos srautas, kurį išspinduliuoja įkaitusio kūno paviršiaus ploto vienetas visomis 2 π

erdvinio kampo kryptimis ir visų dažnių bangomis, vadinamas kūno energiniu šviesiu (integraline

emisijos geba) . .

3. Šiluminio spinduliavimo dėsniai.

Tiriant šiluminį spinduliavimą buvo suformuluotas Stefano ir Bolcmano dėsnis, kuris teigia, kad juodojo kūno visuminė (visų ilgių bangų) spinduliavimo geba proporcinga temperatūrai ketvirtuoju laipsniu. Kirchhofo dėsnis:

.

Taigi, šis Stefano ir Bolcmano dėsniu - vadinamas ryšys nurodo, kad absoliučiai juodo kūno

energinis šviesis yra proporcingas temperatūros ketvirtajam laipsniui. Šiame dėsnyje

yra Stefano ir Bolcmano konstanta.

Planko formulė pagrindžia ir du Vyno (V.Wien) nustatytus dėsnius - apibūdinančius

spektrinę padėtį bangų ilgių , kuriomis išspinduliuojama daugiausia energijos, ir emisijos

gebos vertę , atitinkančią šį bangos ilgį. Taigi, Vyno poslinkio dėsnis teigia, kad bangos

ilgis , atitinkantis emisijos gebos didžiausią vertę yra atvirkščiai proporcingas kūno

temperatūrai T. Konstanta b vadinama Vyno konstanta.

Kylant kūno temperatūrai spinduliavimo spektras slenka į trumpesnių bangų sritį (kūnai

keičia savo spalvą nuo raudonos link baltos ir net „melsvai“ baltos).

4. Energijos pasiskirstymas absoliučiai juodojo kūno spinduliavimo spektre.

Kūnas, kuris visiškai sugeria į jį krintančią visų dažnių spinduliuotę, vadinamas juoduoju kūnu;

jo sugerties geba Aν,T = 1. Teoriškai modeliuojant juodąjį kūną, kaip begalinę harmoninių

osciliatorių visumą, kurių kiekvienas skleidžia atskirą monochromatinę bangą, o visi

kartu – ištisinio spektro spinduliuotę (juodojo k ū no spinduliuot ę ), ir naudojantis dėsniais,

valdančiais šių osciliatorių veikimą, galima nustatyti tokios sistemos (juodojo k ū no ) spinduliavimo

dėsnį.

5 . Planko matinio sinduliavimo hipotezė. Planko farmulė.

M.Plankas ( Planck ) jo hipotez ė teigia - kad elektromagnetinė spinduliuotė spinduliuojama ne

tolygiai, o atskiromis porcijomis (kvantais), kurių energijos dydis proporcingas dažniui:

;

Čia J*S – universalioji konstanta, vėliau pavadinta Planko konstanta.

Planko hipotezė prieštarauja klasikinės fizikos dėsniams, nes iš jų išplaukia, kad visi

dydžiai (energija, judėjimo kiekis) gali laisvai įgyti bet kurias kiek norima mažas vertes ir

gali kisti tolygiai.

Planko formulė :

arba ;

Planko formulė gerai atitinka eksperimentinius rezultatus. Ji apibendrina du pagrindinius

juodojo kūno spinduliavimo dėsnius – Stefano ir Bolcmano bei Vyno dėsnius.

6. Optinio pirometro veikimo principas.

Matuojant temperatūrą optiniu pirometru, lyginamas įkaitusio kūno ir etaloninio kūno

monochromatinės spinduliuotės skaistis.


RADIOAKTYVIOJO SPINDULIAVIMO ŠALTINIO AKTYVUMO TYRIMAS

DARBO TIKSLAS: Nustatyti radioaktyviojo spinduliavimo šaltinio aktyvumą.

DARBO PRIEMONĖS: Prietaisas IMFĮ –15V0, sukuriantis silpną savąjį spinduliavimo foną,

impulsų skaičiavimo įrenginys PP-16 , spindulių šaltinis, sekundometras.

1 pav. Silpnojo fono įrenginys.

PAGRINDINĖS FORMULĖS

1.) ; 2.)

3.) n'=n l –n f 4.)

BANDYMO EIGA

1. Įjungti impulsų perskaičiavimo prietaisą PP –16 ir palaukti ~ 30 minučių. Po to patikrinti

detektoriaus veikimą.

2. Uždaryti cilindrą (be radioaktyvaus šaltinio). Išmatuoti įrenginio savojo fono sąlygojamo

spinduliavimo impulsų skaičių nf per 5 minutes.

3. Į cilindro viduje esančią išpjovą įdėti šaltinį ir išmatuoti impulsų skaičių nI per 5 minutes.

Apskaičiuoti impulsų skaičių nf ir nI vienai sekundei. šaltinio sukeltų impulsų skaičius

vienai sekundei: n = nf - nI . Nustatant šaltinio spinduliavimo aktyvumą, reikia atsižvelgti

į tai, kad įrenginyje matuojame šaltinio spinduliavimo detales į 1,425π kampą. Pilnąjį

šaltinio aktyvumą apskaičiuosime nustatę spinduliuojamų dalelių į erdvinį 4π skaičių.

4. Įvertiname paklaidas ir suformuluojame išvadas.


1. Lentelė. Radioaktyvaus šaltinio aktyvumo nustatymo duomenys.

Matavimo laikas t, min

Impulsų skaičius

Šaltinio aktyvumas

a, Bq

Fono nf Šaltinio su fonu n1

Šaltinio be fono

n = n1 - nf

Užregistruotų impulsų

skaičius per 1s

6 60 681 621 1,725 4,84

2. Lentelė. Radioaktyviosios spinduliuotės sugertiems koeficiento nustatymo duomenys.

Sugeriančioji

medžiaga

(pavadinimas)

Medžiagos

storis x, m

Impulsų

skaičius su

fonu, nxf

Impulsų skaičius be

fono nx = nxf - nf

Sugertiems

koeficientas

, m-1

Kartonas 0,00054 383 323 120,9

Plastmasė 0,00063 298 238 152,2

βq

n=n1-nf, n=681-60=621

IŠVADOS:

Paskaičiavus kartono ir plastmasės sugertiems koeficientus nustatėme, kad plastmasė sugeria geriau

nei kartonas. k = 120,9 m-1; plast.=152,2 m-1; plast.> k.


N.Astrauskienė ir kt. “Fizikos laboratoriniai darbai” Vilnius “Technika” 1997


1. Atomo branduolių sandara ir pagrindinės charakteristikos.

Branduolį sudaro protonai ir neutronai. Protonų skaičius branduolyje lygus elemento

eilės numeriui Mendelejevo lentelėje ir žymimas Z. Neutronų skaičius branduolyje žymimas N.

Protonų ir neutronų skaičius žymimas A ir vadinamas masės skaičiumi.

2. Radioaktyvusis spinduliavimas ir jo rūšys.

Pastebėta, kad nestabiliųjų medžiagų izotopai skleidžia trijų tipų radioaktyviuosius

spindulius, vadinamus α, β ir γ spinduliais. α spinduliavimas vyksta tada, kai dėl vidinių procesų

branduoliuose iš jų išlekia keturių elementariųjų dalelių – dviejų protonų ir dviejų neutronų

sankaupa. Taigi α dalelių struktūra atitinka du kartus jonizuotą helio atomą arba branduolį.

β spinduliavimas vyksta tada, kai dėl vidinių branduolio kitimų išlekia dviejų tipų

elementariosios dalelės: elektronai arba pozitronai.

γ spinduliavimas tai labai trumpos elektromagnetinės bangos, kurias skleidžia

sužadinti branduoliai.

3.Radioaktyviojo skylimo dėsniai. Skilimo pastovioji, pusamžis, aktyvumas.

Kiekvieno radioaktyviojo izotopo didelis skaičius branduolių skyla pagal vieną dėsnį,

kurį matematiškai galima išreikšti taip:

Ši lygtis vadinama radioaktyviojo skylimo dėsniu. Čia N0 - radioaktyviųjų branduolių

skaičius laiko momentu nuo kurio pradedama stebėti (t=0). Iki tam tikro laisvai pasirinkto laiko

momento t nesuskilusių branduolių skaičius pažymėtas raide N. Raide T žymimas pastovus dydis,

priklausantis nuo radioaktyviojo izotopo tipo. Ši konstanta vadinama skilimo pusamžiu. Per laiko

tarpą, kuris lygus skilimo pusamžiui (t=T) pradinis radioaktyviųjų branduolių skaičius sumažėja du

kartus.

4.β spindulių prigimtis ir pagrindinės savybės.

Atradus grupę radioaktyviųjų elementų, tokių kaip β pradėta tirti jų spindulių fizikinę

prigimtį. Teigiamų dalelių pluoštelis buvo pavadintas alfa spinduliais, neigiamų – beta (β)

spinduliais, o neutralus – gama spinduliais (α, β, γ spinduliais). Šie spinduliai nepaprastai skiriasi

skvarbumu, t.y. Skirtingos medžiagos nevienodai juos sugeria. Mažiausiai skvarbūs α spinduliai.

Apie 0,1 mm storio popieriaus sluoksnio jie jau neįveikia. Kur kas mažiau medžiaga sugeria β

spindulius.

α, β, γ spindulių fizikinė prigimtis skirtinga. β spinduliavimas vyksta tada, kai dėl vidinių

branduolio kitimų išlekia dviejų tipų elementariosios dalelės: elektronai arba pozitronai

Dalelinės jonizuojančiosios spinduliuotės energija

Spinduliuotės rūšis yra: Apytikslis dalelių energijų diapazonas

Beta (β) dalelės (elektronai ir pozitronai) 10 keV – 10 MeV

5.Branduolių masės ir krūvio poslinkio dėsniai β skylimo atveju.

β spinduliavimas vyksta tada, kai dėl vidinių branduolio kitimų išlekia dviejų tipų

elementariosios dalelės: elektronai ( ) arba pozitronai ( ). Šios dalelės išmetamos tada,

kai įvyksta pasikeitimas tarp nuklonų pagal dėsnius:

Taigi, įvykus β spinduliavimui ir susidarius elektronams ( ), cheminis elementas

pasislenka periodinėje lementų sistemoje per vieną skaičių į didesnio Z,

(čia Z – elemento eilės numeris ) pusę, o susidarius pozitronui ( ) – į mažesnio Z pusę.

Elemento poslinkio dėsniai užrašomi taip:

Elektrinio krūvio, energijos ir impulso tvermės dėsniai reikalauja, kad skilimo metu susidarytų dar

vieno tipo elementariosios dalelės. Pastarosios vadinamos neutrinu ( ) arba antineutrinu ( ).


LINIJINIŲ SPEKTRŲ TYRIMAS MONOCHROMATORIUMI

DARBO TIKSLAS: Susipažinti su spektrinės analizės metodais, nubrėžti monochromatoriaus

gradavimo kreivę , vadinamą dispersijos kreive, pagal gradavimo kreivę rasti nežinomo

spektro linijų bangų ilgius, lyginant išmatuotus bangų ilgius su nurodytais atlase, nustatyti

nežinomą medžiagą.

DARBO PRIEMONĖS: Linijinio spektro šaltinis (neono lampa), monochromatorius, neono

spektro atlasas, spektrų linijų atlasas, nežinomo spektro šaltinis.

1.pav. Monochromatoriaus schema; 2.pav. Darbo įrangos schema;

BANDYMO EIGA

1.Prieš monochromatoriaus plyšį pastatome žinomą šviesos šaltinį (neoninę lempą).

2. Reguliuodami okuliarą, gauname ryškų spektrą. Lygindami gauto spektro linijų spalvą ir

atstumą tarp jų su duotu spektro atlasu, nustatome tas pačias linijas abiejuose spektruose.

3. Sutapatiname siūlelį su ryškesnėmis linijomis ir užrašome jų bangų ilgius (iš atlaso) bei

mikrometro parodymus. Taip išmatuojame 10 – 12 spektro linijų ir duomenys surašome į lentelę.

4. Pagal juos brėžiame monochromatoriaus gradavimo kreivę n = f(λ).

5. Prieš monochromatoriaus plyšį statome nežinomą šviesos šaltinį.

6. Išmatuojame kelis jo spektro linijas atitinkančius mikrometro parodymus ir pagal

gradavimo kreivę nustatome bangų ilgius.

7. Lygindami rastus bangų ilgius su ilgiais, būdingais atskiriems elementams, nustatome,

kokiam elementui priklauso išmatuotos linijos.

8.Suformuojame išvadas.


1.Lentelė. Bangų ilgiai ir mikrometro parodymai;

Bangos ilgio reikšmės pateiktos namometrais

( 1 nm =10-9m)

n= f(λ)

2.Lentelė. Bangų ilgiai, mikrometro parodymai bei medžiagos nustatymas pagal išmatuotas linijas.

Nežinomos šviesos šaltinis Lentelės duomenys

Spalva no Medžiaga

Žalia 1859 540 546,1 Hg

Geltona 2038 573 576,9 Hg

Geltona 2047 575 579,9 Hg

Raudona 2250 622 623,4 Hg

no

Eil.

Nr.

no

1. 585,2 2110

2. 540,0 1888

3. 534,1 1848

4. 594,4 2154

5. 603,0 2220

6. 615,3 2244

7. 626,6 2296

8. 640,2 2346

9. 650,6 2360

1 Grafikas. Monochromatoriaus gradavimo kreivę;

IŠVADOS: Lygindami išmatuotus bangų ilgius su žinomais cheminių elenentų spektrais,

nustatėme, kad medžiaga sudaryta iš gyvsidabrio. Remdamiesi gradavimo kreive, nustatėme

nežinomo spektro bangų ilgius, kurie pateikti 1 lentelėje.




1. Linijinių spektrų kilmė, vandenilio atomo spektras

Linijiniai spektrai sudaryti iš atskirų spalvotų linijų. Juos skleidžia įkaitintos vienatomės dujos ir

metalų garai. Kietųjų kūnų arba skysčių linijinį spektrą galime gauti tik juos išgarinę. Linijiniai

spektrai skiriasi vieni nuo kitų linijų skaičiumi, išsidėstymu ir spalvomis. Linijinių spektų sudarymą

lemia procesai, vykstantys atomo viduje. XIX a.pab. –XX a pr. buvo pastebėti vandenilio atomo

linijinio spektro empiriniai dėsningumai. Paaiškėjo, kad linijos išsidėsto serijomis, ir visų serijų

linijų dažnis nusako formulė: , kur R = 3,29 * 1015 s-1 – Rydbergo konstanta;

Sveikasis skaičius n nusako linijų seriją ( n = 1-Laimano; n = 2 –Balmerio; n = 3 –Pašeno,.....);

sveikasis skaičius m = n+1, n+2, n+3,… nusako linijos numerį serijoje. Boro atomo teorija

paaiškina vandenilio atomo spektrinių linijų kilmę. Ši teorija ribota, nes nepaaiškina sudėtingesnių

atomų spinduliavimo. Po to buvo sukurta kvantinė mechanika.

2. Juostiniai ir ištisiniai spektrai, jų kilmė.

Spektrai, sudaryti iš tolygiai besikeičiančių vaivorykštės spalvų, vadinami ištisiniais spektrais.

Juos gauname išsklaidę šviesą. Įkaitinti ar kitaip sužadinti kūnai skleidžia įvairaus dažnio šviesą. Ją

išdėstę į atskirus dažnius (jie lemia spalvą), gauname spinduliavimo (emisijos) spektrą. Trys

pagrindinės spektrų rūšys: ištisiniai, juostiniai, linijiniai. Beveik ištisinis yra saulės spektras: jame

yra visos regimos spalvos ir neregimi spinduliai – infraraudonieji, ultravioletiniai. Laimei, kol kas

atmosfera nepraleidžia pražūtingų skvarbiųjų spindulių. Juostiniais – atskirų dažnio zonų -

spinduliavimo spektrais pasižymi molekulės. Atskiri garų būsenos atomai spinduliuoja tik tam tikro

dažnio bangas, sudarančias linijinį spektrą – kiekvienam elementui tik su jam būdingu linijų

išdėstymu. Pagal tai spektrinės analizės metodais nustatoma, kurios būtent išgarintos medžiagos

švietė.

3. Emisijos ir absorbcijos spektrai.

Jeigu baltų spindulių kelyje padėsime kokį nors kūną, absorbuojantį vienus ar kitus spektro

spindulius, tai ištisiniame spektre gausime tamsias linijas arba ruožus. Šių tamsių linijų išsidėstymas

atitinka spalvotų linijų tos pačios medžiagos emisiniame spektre išsidėstymą. Kiekvieno elementai

atomai absorbuoja tas šviesos bangas, kurias jie patys skleidžia. Aprašyti spektrai vadinami

absorbcijos spektrais.

4. Kokybinė ir kiekybinė spektrinės analizės.

Metodas, kuriuo pagal spektrus nustatoma medžiagos cheminė sudėtis vadinamas spektrine

analizė. Ji būna kiekybinė ir kokybinė. Kiekvienų dujų arba garų spektras yra būdingas tiktai toms

dujoms. Pvz.: jei spektre randame žalią liniją, tai reiškia, kad medžiagoje yra talio. spektrinės

analizės metodu atrastos helis, rubidis, cezis, galis ir kt. Tyrinėjant saulės absorbcijos spektrus buvo

nustatyta, kad Saulės atmosferoje yra beveik visi elementai, kurie randami ir žemėje. Spektrinės

analizės metodu galima aptikti cheminius elementus, kai jų kiekis 10 -10-10-13kg, ko neįmanoma

padaryti cheminiais metodais. Iš linijų intensyvumo spektre sprendžiama apie cheminio elemento

kiekį tiriamajame mišinyje.

5. Darbo eiga ir laukiami rezultatai.

1.Prieš monochromatoriaus plyšį pastatome žinomą šviesos šaltinį (neoninę lempą).

2. Reguliuodami okuliarą, gauname ryškų spektrą. Lygindami gauto spektro linijų spalvą ir atstumą

tarp jų su duotu spektro atlasu, nustatome tas pačias linijas abiejuose spektruose.

3. Sutapatiname siūlelį su ryškesnėmis linijomis ir užrašome jų bangų ilgius (iš atlaso) bei

mikrometro parodymus. Taip išmatuojame 10 – 12 spektro linijų ir duomenys surašome į lentelę.

4. Pagal juos brėžiame monochromatoriaus gradavimo kreivę n = f(λ).

5. Prieš monochromatoriaus plyšį statome nežinomą šviesos šaltinį.

6. Išmatuojame kelis jo spektro linijas atitinkančius mikrometro parodymus ir pagal gradavimo

kreivę nustatome bangų ilgius.

7. Lygindami rastus bangų ilgius su ilgiais, būdingais atskiriems elementams, nustatome, kokiam

elementui priklauso išmatuotos linijos.

Rezultatai: Lygindami išmatuotus bangų ilgius su žinomais cheminių elenentų spektrais, nustatėme,

kad medžiaga sudaryta iš gyvsidabrio. Remdamiesi gradavimo kreive, nustatėme nežinomo spektro

bangų ilgius.


IŠORINIO FOTOEFEKTO DĖSNINGUMŲ TIKRINIMAS

DARBO TIKSLAS: Susipažinti su išoriniu fotoefektu, patikrinti soties fotosrovės priklausomybę

nuo katodo apšviestumo.

DARBO PRIEMONĖS: Vakuuminis fotoelementas, šviesos šaltinis, elektroninis voltmetras,

liniuotė, nuolatinės įtampos šaltinis, mikroampermetras.

1.Pav. Matavimo įrenginio schema

DARBO METODIKA IR PAGRINDINĖS FORMULĖS

Išorinis fotoefektas - tai reiškinys, kai veikiant šviesai, iš medžiagos paviršiaus išlekia

elektronai.

Dėsningumai:

1. Esant pastoviai šviesos šaltinio spinduliuojamos šviesos, sukeliančios fotoefektą, spektrinei

sudėčiai, išlėkusių elektronų skaičius per laiko vienetą yra proporcingas katodo

apšviestumui.

2. Išlėkusių elektronų didžiausia kinetinė energija nepriklauso nuo katodo apšviestumo, o

priklauso nuo fotoefektą sukėlusios šviesos bangos ilgio (dažnio).

3. Egzistuoja fotoefektą sukeliantis didžiausias bangos ilgis (mažiausias dažnis), vadinamas

fotoefekto raudonąją riba, priklausantis nuo katodo medžiagos.

Fotoefekto lygtis:

Čia - sugerto kvanto energija,

h – Planko konstanta,

m – elektrono masė,

- išlėkusio elektrono didžiausias greitis,

A – elektrono išlaisvinimo iš katodo paviršiaus darbas, priklausantis nuo medžiagos

rūšies.

Iš min fotoefektą sukelianti kvanto energija:

Raudonosios ribos dažnis:

Voltamperinėje fotoefekto charakteristikoje stebima soties srovė yra proporcinga katodo

ašviestumui , t.y.

Taškinio šviesos šaltinio atveju, kai spinduliai į katodą krinta statmenai:

I – šaltinio šviesos stiprumas,

r – jo atstumas nuo šviesos šaltinio.

Pastoviam I (šviesos šaltinis ir jo maitinimo įtampa nekinta):

Ekperimentiškai tikriname matavimo įrenginiu, kurio schema pavaizduota 1 pav.

BANDYMO EIGA

1. Prieš pradedant matuoti patikrinme 1 pav. pateiktą schemą.

2. Esant didžiausiam apšvietimui (mažiausiam r, kurį nurodo dėstytojas), išmatuojame

fotosrovės priklausomybę nuo įtamos tarp katodo ir anodo.

3. Nubrėžiame voltamperinę charekteristiką i=f(V).

4. Iš voltamperinės charekteristikos nustatome įtampos, kuriai esant fotosrovė įsisotina,

didumą.

5. Sudarius tokią įtampą (arba šiek tiek didesnę) išmatuojame fotosrovės priklausomybę nuo

atstumo r . Nubrėžiame grafinę priklausomybę .

6. Suformuluojame išvadas.


1. Lentelė. Srovės stiprio priklausomybė nuo įtampos.

r1, m = 0,14 m r2, m = 0,16 m r3, m = 0,18 m

U,V U, V U, V

1,9 6 1,8 5 1,9 53,6 10 4,2 10 4,9 106,3 15 7,6 15 9,3 159,5 20 11,6 20 14,3 2012,0 25 16,4 25 21,4 2517,1 30 23,0 30 29,9 3022,7 35 30,2 35 41,0 3528,5 40 38,6 40 63,6 4034,4 45 49,9 45 70,0 4240,6 50 66,4 50 80,0 4250,5 55 75,0 52 90,0 4260,5 60 85,0 52 99,9 4270,0 65 95,2 5480,0 72 99,9 5490,0 7299,9 72

1grafikas.. Voltamperinė charakteristika esant skirtingiems apšviestumams (atstumams nuo šaltinio iki fotoelemento).

Iš voltamperinės charakteristikos grafiko matome (kai atstumas lygus 0,15m), kad

fotosrovė įsisotina esant 85V įtampai. Sudarę tokią įtampą, išmatuojame fotosrovės priklausomybę

nuo atstumo r. Nubrėžiam grafinę priklausomybę .

2 lentelė. Srovės stiprio priklausomybės nuo šviesos šaltinio atstumo r.

r, m 0,14 0,16 0,18 0,20 0,22 0,24 0,26 0,28

is,μA 72 54 42 35 29 25 21 191/r2, m-2 51,0 39,0 30,8 25,0 20,6 17,4 14,8 12,8

1/r2, m-2

is,μA

2 grafikas. Grafinė srovės stiprio priklausomybė nuo šviesos šaltinio atstumo r.

IŠVADOS: Iš pirmo grafiko matome, kad soties srovė is priklauso tik nuo šviesos šaltinio atstumo

iki fotoelemento katodo, o antrasis grafikas parodo, kad soties fotosrovės stipris atvirkščiai

proporcingas šviesos šaltinio atstumo nuo katodo kvadratinis.




1. Išorinis fotoefektas.

Elektronų išlaisvinimo iš kietųjų ir skystųjų medžiagų, veikiant šviesai, reiškinys vadinamas

išoriniu fotoefektu.

2.Išorinio fotoefekto tyrimo schema.

Išorinis fotoefektas tiriamas - vakuuminiu fotoelementu. Jį sudaro stiklinis balionas, iš kurio

išsiurbtas oras. Balione įrengti du elektrodai: katodas ir anodas. Katodas - dažniausiai plonas

šarminių metalų sluoksnis, o anodas - vielos kilpa ar rutuliukas. Anodui suteikiamas teigiamas, o

katodui - neigiamas potencialas. Todėl tarp jų susidaro elektrinis laukas. Šis laukas išlėkusius iš

katodo fotoelektronus verčia judėti anodo link, ir elektrine grandine teka elektros srovė.

1 paveiksle. Išorinio fotoefekto tyrimo shema.

Čia Š - nuolatinės įtampos šaltinis, kurio įtampa keičiama; V – voltmetras; A – mikroampermetras; F – fotoelementas; K – katodas; A - anodas.

3. Išorinio fotoefekto dėsningumai.

I. Maksimalus pradinis fotoelektronų greitis

priklauso nuo šviesos dažnio ir nepriklauso nuo jos

intensyvumo.

II. Kiekvienai medžiagai būdinga tam tikra

fotoefekto raudonoji riba, t.y. minimalus šviesos dažnis

0, kuriam esant dar galimas išorinis fotoefektas; 0

reikšmė priklauso nuo medžiagos cheminės prigimties ir

paviršiaus būsenos.

S

ŠV

F

A

1 pav. paveiksle. Čia Š - nuolatinės įtampos šaltinis, kurio įtampa keičiama; V – voltmetras; A – mikroampermetras; F – fotoelementas; K – katodas; A - anodas.

K

A

III. Per laiko vienetą išlaisvintų iš katodo elektronų skaičius n yra proporcingas šviesos

intensyvumui (soties fotosrovė proporcinga katodo energiniam apšviestumui).

4. Einšteino lygtis fotoefektui.

,

čia h - sugerto kvanto energija ( - monochromatinės šviesos dažnis, h – Planko konstanta), m –

elektrono masė, vmax – išlėkusio elektrono didžiausias greitis, A – elektrono išlaisvinimo iš katodo

paviršiaus darbas, priklausantis nuo medžiagos rūšies, t.y. minimali energija, kurią reikia suteikti

elektronui, kad jis išlėktų iš katodo paviršiaus.

Ši lygtis buvo sudaryta, laikant, kad elektronai juda metale nepriklausomai vienas no kito, t.y.

nesąveikaudami. Todėl, kai fotonas perduoda savo energiją vienam iš elektronų, visų kitų elektronų

energija nepakinta. Šia prielaida pagrįsta fotoefekto teorija vadinama vienelektronine.

5.Elektronų išlaisvinimo darbas.

Kinetinė šių elektronų energija gali kisti nuo nulio iki didžiausios vertės EF,

vadinamos Fermio energija, arba Fermio lygmeniu. Taigi suminė jų energija yra neigiama.

Potencialo duobės gylis ir Fermio energijos vertė priklauso nuo metalo prigimties. Fermio

lygmenyje esančiam elektronui suteikus energijos kiekį, lygų A arba už jį didesnį, tas elektronas gali

išlėkti iš metalo, - vyksta išorinis fotoefektas. Dydis A vadinamas elektronų išlaisvinimo

darbu - jis priklauso nuo metalo rūšies ir paviršiaus būsenos (defektų, priemaišų). Turinčiam

Fermio lygmens energiją elektronui sugėrus vieną fotoną, kurio energija didesnė už išlaisvinimo

darbą, jis išlėks turėdamas didžiausią kinetinę energiją.

Em = h · υ - A

6. Fotoefekto raudonoji riba, jos nustatymo būdai.

Fotoefekto raudonoji riba – tai minimalus šviesos dažnis 0, kuriam esant dar galimas išorinis

fotoefektas. Išorinis fotoefektas gali vykti tik tais atvejais, kai fotono energija h didesnė už A arba

kraštutiniu atveju jam lygi. Vadinasi fotoefekto raudonosios ribos dažnis 0 yra lygus:

. Jis priklauso tik nuo elektrono išsilaisvinimo darbo, t.y. nuo metalo cheminės prigimties

ir jo paviršiaus būsenos.


PUSLAIDININKO LYGINTUVINIO DIODO TYRIMAS

DARBO TIKSLAS: Išmatuoti puslaidininko lygintuvinio diodo voltamperinę charakteristiką,

apskaičiuoti lyginimo koeficientą ir nubrėžti jo priklausomybės nuo įtampos grafiką; iš

voltamperinės charakteristikos įvertinti p-n sandūros kontaktinį potencialų skirtumą.

DARBO PRIEMONĖS: Nuolatinės srovės šaltinis, , sinusinių virpesių generatorius, oscilografas,

mikroamperimetras, miliampermetras, volmetras, varžynai, komutatorius, puslaidininkinis

lygintuvinis diodas.

DARBO METODIKA IR PAGRINDINĖS FORMULĖS

Puslaidininkinį lygintuvinį diodą sudaro dviejų skirtingo laidumo: elektroninio (n-tipo) ir skylinio

(p-tipo), puslaidininikių sandūra, vadinama pn sandūra. Ji sudaroma įterpiant į puslaidininkio

plokštelę donorines ir akceptorines priemaišas, kurių pasiskirstymas tūryje šuoliškai keičiasi,

sudarydamas griežtą ribą tarp elektroninio ir skylinio laidumo dalių.

(1.) ,

Čia ni – savojo laidumo puslaidininkio krūvininkų koncentracija. Jo sąlygotas potencinis barjeras

ribos pagrindinių krūvininkų judėjimą pn sandūroje.

(2.) ,

Čia I0 – užtvarinės krypties stoties srovės didumas, priklausantis nuo pn sandūrą sudarančio

puslaidininkio parametrų.

(3.) ,

Čia K – lyginimo koeficientas prie skirtingų įtampų.

BANDYMO EIGA

1. Sujungiame 1 pav. pateiktą elektros grandinę. Pralaidžiąja kryptimi srovę matuojeme

miliampermetru, užtvarine – mikroampermetru.

1 pav.

2. Įjungę jungiklį 2 poteciometru 3 keičiame įtampą, kurios didumą rodo volmetras 7, o srovės

didumą – miliampermetras 4.

3. Išmatuojame voltamperinę (I = ƒ(U)) charakteristiką ir nubraižemė grafiką nr. 1.

4. Apskaičiuojame lyginimo koeficientą prie skirtingų įtampų ir nubrėžiame grafiką

K = ƒ(U) nr.2.

5. Nubrėžiame pralaidžios krypties voltamperinę charakteristiką mastelyje ln Ipral. = ƒ(U) ir

ekstrapoliavę tiesinę dalį į įtampų ašį įvertiname pn sandūros kontaktinio potenciolo V0

didumą.

6. Suformuluojame išvadas


1. Lentelė. Srovės įtampa, srovės didumas matuojant miliampermetru ir mikroampermetru.

Upr, V Ipr, mA Uatg Iatg, μA K0,5 0,016 0,5 8,6 1,8601 0,043 1 17,8 2,415

1,5 0,100 1,5 25,1 3,9842 0,231 2 32,7 7,064

2,5 0,532 2,5 42,2 12,6063 1,515 3 53,5 28,317

3,5 4,080 3,5 63,3 64,4504 13,50 4 74,5 181,208

4,5 47,30 4,5 87,4 541,189

,

,

,

,

,

,

,

,

1 grafikas. Diodo voltamperinė charakteristika.

2 grafikas. Lygintuvinio diodo priklausomybė nuo įtampos.

IŠVADOS: Išmatvę puslaidininkio lygintuvinio diodo voltamperinę charakteristiką ir apskaičiavę lyginimo koeficienta nubrėžėme jo priklausomybės nuo įtampos grafiką. Iš voltamperinės charakteristikos galime įvertinti p-n sandūros kontaktinį potencialų skirtumą.

NAUDOTA LITERATŪRA: N.Astrauskienė ir kt. “Fizikos laboratoriniai darbai” Vilnius

“Technika” 1997m.


1. Elektroninio (n-tipo) ir skylinio (p-tipo) puslaidininkių laidumo aiškinimas juostinės

teorijos modeliu.

2. Dviejų puslaidininkių sandūra. pn sandūra.

Puslaidininkinį lygintuvinį diodą sudaro dviejų skirtingo laidumo: elektroninio (n-tipo) ir

skylinio (p-tipo), puslaidininkių sandūra, vadinama pn sandūra.

3. Puslaidininkio lygintuvinio diodo lyginimo mechanizmas.

4. Puslaidininkių lygintuvinių diodų tiltelis ir jo veikimo principas.

Documents

5 fizikos laboratoriniai darbai