Волков А.Ф., Лумпиева Т.П. Лабораторный практикум по физике

Подождите немного. Документ загружается.

Квантовая оптика Описания лабораторных работ

Спектральные линии принято группировать в спектральные серии. В ка-

ждую серию входят все линии с фиксированным

, т.е. относящиеся к переходу

атома (при излучении) на один и тот же нижний уровень с различных верхних.

13,6

эВ

Серия Брэкета

Серия Пашена

Серия Бальмера

Серия Лаймана

Рисунок 1

Серию с

= 1 (n

=2, 3, 4,…) называют серией Лаймана. Линии находятся

в области ультрафиолетового излучения.

Серия с

= 2 (n

= 3, 4, 5,…) носит название серии Бальмера. Четыре пер-

вые линии этой серии лежат в видимой части спектра и обозначаются через H

, H

. Остальные линии серии Бальмера находятся в области ультрафиоле-

тового излучения.

Серии с

= 3 (n

= 4, 5, 6,…)

−

серия Пашена,

= 4 (n

= 5, 6, 7,…)

−

серия Бреккета,

301

Описания лабораторных работ Квантовая оптика

= 5 (n

= 6, 7, 8,…)

−

серия Пфунда.

Эти серии находятся в инфракрасной части спектра.

В спектроскопии уровни энергии принято изображать горизонтальными

линиями, а переходы между ними – стрелками (рис. 1). Стрелкам, направлен-

ным от более высоких уровней энергии к более низким, соответствуют линии

излучения; стрелкам, проведенным в обратном направлении – линии поглоще-

ния.

Описание установки

Для изучения оптических спектров используется стеклянно-призменный

монохроматор-спектрометр УМ-2, предназначенный для спектральных иссле-

дований в диапазоне длин волн от 380 нм до 1000 нм. Оптическая схема спек-

трометра показана на рисунке 2.

Свет через входную щель 1 попадает на объектив коллиматора и парал-

лельным пучком попадает на диспергирующую призму 3. Входная щель снаб-

жена микрометрическим винтом 2, который позволяет открывать щель на нуж-

ную величину для получения достаточной интенсивности линий. Под прямым

углом к подающему пучку света помещается входная труба спектрометра, со-

стоящая из объектива 4 и окуляра 5, в фокальной плоскости объектива распо-

ложен указатель 8. Поворачивая призменный столик 6 на разные углы относи-

тельно падающего пучка при помощи микрометрического винта 7, наблюдают

во входной щели различные участки спектра. Микрометрический винт снабжен

отсчётным барабаном. Для проведения наблюдений источник света необходимо

установить на оптической скамье так, чтобы объектив коллиматора был равно-

мерно освещен.

Рисунок 2

302

Квантовая оптика Описания лабораторных работ

Подготовка к работе

(ответы представить в письменном виде)

Какова цель работы?

Как произвести градуировку спектрометра? Спектры каких элементов целе-

сообразно для этого использовать?

Запишите формулу, по которой Вы будете рассчитывать постоянную Рид-

берга. Поясните смысл обозначений. Какие значения примут

и n

для каж-

дой наблюдаемой линии?

Выполнение работы

Задание 1. Градуировка спектроскопа

Проградуировать спектрометр – значит установить связь между длиной

волны наблюдаемой спектральной линии и углом поворота призменного столи-

ка.

Для градуировки применяются ртутная и неоновая лампы. Таблица спек-

тральных линий ртути и неона приведена на рабочем месте. Для градуировки

прибора в красной части спектра следует пользоваться неоновой трубкой,

спектр которой богат красными линиями.

Переписать в протокол измерений цвета линий и соответствующие им длины

волн для ртути и неона с таблицы спектральных линий этих элементов, при-

веденной на рабочем месте.

Включить пульт питания в сеть и тумблер «сеть» на пульте.

Включить ртутную лампу тумблером «лампа ДРШ» и нажатием кнопки на

панели пульта питания.

Найти спектральные линии ртути и получить их резкое тонкое изображение.

Вращая барабан, последовательно совмещать остриё указателя с каждой ли-

нией спектра и производить отсчет по делениям барабана. Произведя изме-

рения для желтых линий ртути, лампу ДРШ выключить.

Установить на оптической скамье неоновую лампу и проградуировать при-

бор в красной области спектра.

Задание 2. Определение постоянной Ридберга

В опытах по измерению длин волн серии Бальмера источником света

служит водородная трубка. Следует отметить, что в спектре водородной трубки

наряду с линиями атомного спектра наблюдается спектр молекулярного водо-

рода, поэтому поиск нужных линий целесообразно начинать с наиболее интен-

сивной красной линии Н

, вторая линия Н

– зелено-голубая. В промежутке

между ними располагаются несколько красно-желтых и зеленых молекулярных

полос. Третья линия Н

– сине-фиолетовая. Перед этой линией расположены две

слабые молекулярные полосы синего цвета. Четвертая линия Н

– фиолетовая.

Ее удаётся найти лишь в некоторых экземплярах водородных трубок.

303

Описания лабораторных работ Квантовая оптика

1. Получить резкое изображение спектра водорода. Произвести отсчет по ба-

рабану для наблюдаемых спектральных линий атомарного водорода.

Оформление отчета

1. Расчеты

1. Построить градуировочную кривую, откладывая по оси абсцисс показания

барабана, а по оси ординат – длину волны спектральных линий.

По градуировочной кривой определить длины волн линий водорода.

Для каждой из наблюдаемых линий водорода вычислить значение постоян-

ной Ридберга, используя формулу (3).

Рассчитать погрешность как для прямых измерений.

Найти относительную погрешность измерений. Результат записать в виде:

)( RRR

2. Защита работы

(ответы представить в письменном виде)

Каково назначение спектрометра?

Нарисуйте схему энергетических уровней атома водорода.

На схеме энергетических уровней изобразите переходы, соответствующие

различным спектральным сериям.

Укажите, какие переходы соответствуют минимальной и максимальной

длинам волн видимой части спектра атомарного водорода.

Сравните полученное значение постоянной Ридберга с табличным. Сделайте

вывод.

304

Квантовая оптика Описания лабораторных работ

ПРОТОКОЛ

измерений к лабораторной работе №109

Выполнил(а)_____________________ Группа__________________

№ п/п Источник

света

Цвет

линии

λ,

нм

Отсчет

по барабану, α°

Дата________ Подпись преподавателя___________________

305

Описания лабораторных работ Физика твердого тела

Лабораторная работа №104

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПРИ ПОМОЩИ ТЕРМОПАРЫ

Цель работы – произвести градуировку термопары и определить темпера-

туру плавления парафина.

Приборы и принадлежности: термопара, гальванометр, миллиамперметр,

магазин сопротивлений, реостат, источник напряжения; два сосуда с водой и

крышки с отверстиями; пробирка с парафином, термометр, электроплитка, шта-

тив.

Описание экспериментальной установки

Термопара состоит из двух разнородных проволок диаметром 1−2 мм,

концы которых спаяны. Термопара укреплена на

держателе. Один спай опускается в сосуд с водой

комнатной температуры; другой – в сосуд с во-

дой, находящийся на нагревателе. Электрическая

цепь собрана в соответствии со схемой, приве-

денной на рис. 1. Она состоит из контура внеш-

ней цепи и контура термопары. Контур внешней

цепи включает в себя источник ε, реостат R и

миллиамперметр. Контур термопары включает в

себя магазин сопротивлений r, гальванометр и

термопару 1, 2.

Общие положения

Если спаи двух разнородных металлов, об-

разующих замкнутую цепь, имеют разные тем-

пературы, то в такой цепи возникает электрический ток. Это явление было от-

крыто в 1821 г. Зеебеком. Возникшая электродвижущая сила называется термо-

электродвижущей силой (термо-эдс). Содержащая два спая цепь называется

термопарой.

Рисунок 1

Для некоторых пар материалов величина термо-эдс пропорциональна

разности температур между горячим и холодным спаями:

(

)

термо

−

, (1)

где Т

– температура горячего спая; Т

– температура холодного спая;

α – удельная термо-эдс.

Удельная термо-эдс – это термо-эдс, возникающая между спаями при

разности температур 1 К. Она зависит от материала спаев и температуры. Для

большинства пар металлов удельная термо-эдс имеет значения (10

−5

÷10

−4

) В/К,

для полупроводниковых материалов до – 10

−3

В/К.

Термопары используют для измерения температур. Один спай термопары

поддерживают при постоянной температуре (например, комнатной, или при

°С), другой помещают в среду, температуру которой хотят измерить. При ис-

пользовании термопар для точных измерений температуры лучше измерять

306

Физика твердого тела Описания лабораторных работ

возникающую в цепи электродвижущую силу, а не текущий в ней ток. Это свя-

зано с тем, что электродвижущая сила зависит только от рода образующих тер-

мопару металлов и температуры спаев. А сила текущего в цепи тока определя-

ется, кроме того, сопротивлением измерительного прибора, соединительных

проводов и внутренним сопротивлением спаев. Внутреннее сопротивление спа-

ев сильно зависит от состояния спая и поэтому меняется со временем.

Для получения правильных результатов измерений, термопару необходи-

мо предварительно проградуировать или использовать стандартные пары с та-

булированными значениями термо-эдс. Градуировка термопары заключается в

установлении зависимости величины термо-эдс от разности температур спаев.

В данной работе термо-эдс измеряется компенсационным методом, осно-

ванном на правилах Кирхгофа.

Первое правило: алгебраическая сумма сил токов, сходящихся в узле,

равна нулю. Для узла

b (см. рис. 1) это запишется следующим образом:

III

, (2)

где

– ток, текущий через гальванометр; I

– ток, текущий через сопротивле-

ние

r; I

– ток, текущий через миллиамперметр.

Второе правило: в замкнутом контуре алгебраическая сумма напряжений

на всех участках контура равна алгебраической сумме электродвижущих сил.

Для контура термопары это правило запишется следующим образом:

rIRI

термо 211

ε , (3)

где

r – сопротивление участка ab (на магазине сопротивлений);

– сопротивление остальной части контура (без участка ab).

Если в контуре внешней цепи эдс источника

ε включить навстречу термо-

эдс

термо

, то, изменяя сопротивление R, можно добиться исчезновения тока

через гальванометр, т.е.

=0. Из уравнений (2) и (3) получим:

термо

. (4)

Удельная термо-эдс выражается из формулы (1)

термо

−

=α

. (5)

Подготовка к работе

(ответы представить в письменном виде)

Какова цель работы?

В чем заключается градуировка термопары?

Какие величины Вы будете измерять непосредственно?

Запишите формулы, по которым рассчитываются термо-эдс и удельная тер-

мо-эдс. Поясните смысл обозначений.

Выполнение работы

Задание 1. Градуировка термопары

1. Определить цену деления миллиамперметра.

2. На магазине сопротивлений установить

r = 0,2 Ом.

307

Описания лабораторных работ Физика твердого тела

3. Налить воду в сосуды. Опустить спаи термопары в воду.

4. Измерить термометром температуру

воды в сосуде, который не будет на-

греваться. Она равна температуре холодного спая.

5. Поместить термометр в отверстие крышки сосуда, стоящего на нагревателе.

Концы спая и термометра должны быть в воде на одном уровне и

не долж-

ны касаться дна сосуда.

6. Включить в сеть компенсационную схему и гальванометр. Установить зай-

чик гальванометра на нуль.

7. Включить в сеть нагреватель.

8. С увеличением температуры

воды (горячего спая) зайчик гальванометра

будет отклоняться от нуля. Через каждые 5 – 6

°С регулятором R реостата,

возвращать зайчик на нуль шкалы и записывать значения

и тока I, текуще-

го через миллиамперметр. Нагрев произвести до 70

°С.

9. Нагреватель выключить и вынуть термометр из крышки сосуда. Перейти к

выполнению упражнения 2.

Задание 2. Определение температуры плавления парафина

1. Поднять спаи термопар из воды. Вылить горячую воду и налить в этот сосуд

воду комнатной температуры.

2. Установить пробирку с парафином в сосуд, стоящий на нагревателе. Опус-

тить спаи термопар в сосуды с водой.

3. Включить нагреватель. В момент начала плавления парафина измерить мил-

лиамперметром компенсационный ток, вернув зайчик гальванометра на

нуль.

Оформление отчета

1. Расчеты

1. Рассчитать разность температур спаев для каждого опыта:

tttTT

−

2121

2. Рассчитать термо-эдс по формуле (4) для каждого опыта.

3. Построить градуировочный график термопары

(

термо

)

. Рассчитать

среднее значение удельной термо-эдс для исследуемого интервала темпера-

тур как тангенс угла наклона прямой.

4. Рассчитать значение термо-эдс по формуле (4).

5. По градуировочному графику найти разность температур

Δt, соответствую-

щую этой термо-эдс.

6. Определить температуру плавления парафина

ttt

плав

2. Защита работы

(ответы представить в письменном виде)

Какое явление лежит в основе работы термопары? В чем оно заключается?

От чего зависит величина термо-эдс? Запишите соответствующую формулу.

Какие правила лежат в основе компенсационного метода определения эдс?

Сформулируйте их.

Сравните полученное значение температуры плавления с табличными дан-

ными. Сделайте вывод.

308

Физика твердого тела Описания лабораторных работ

ПРОТОКОЛ

измерений к лабораторной работе №104

Выполнил(а)_____________________ Группа__________________

Определение цены деления приборов

№

п/п

Прибор

Предел подключения

с указанием единицы

измерения

Число деле-

ний на шка-

ле прибора

Цена деления

с указанием

единицы изме-

рения

1 Миллиамперметр

Сопротивление, выставленное на магазине сопротивлений

r = __________

Температура холодного спая

= ________________

Задание 1

№

п/п

°C

мА

Δt,

°C

ε,

мВ

Задание 2

Компенсационный ток

I = ________________

Дата________ Подпись преподавателя___________________

309

Описания лабораторных работ Физика твердого тела

Лабораторная работа № 105

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ СОПРОТИВЛЕНИЯ

ПОЛУПРОВОДНИКОВ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ШИРИНЫ

ЗАПРЕЩЕННОЙ ЗОНЫ

Цель работы – исследовать зависимость сопротивления полупроводников

от температуры, определить ширину запрещенной зоны и температурный ко-

эффициент сопротивления исследуемых материалов.

Приборы и принадлежности: исследуемые полупроводники, нагреватель,

термометр, двухполюсный переключатель, мост сопротивлений.

Общие положения

Полупроводники – это широкий класс веществ, характеризующийся зна-

чениями удельного сопротивления ρ, промежуточными между удельным со-

противлением металлов (ρ~10

−8

÷10

−6

Ом⋅м) и хороших диэлектриков

(ρ~10

÷10

Ом⋅м). Характерной особенностью полупроводников, отличающих

их от металлов, является уменьшение их сопротивления с ростом температуры.

В широком интервале температур сопротивление полупроводников изменяется

по закону:

eRR

, (1)

где ΔЕ – ширина запрещенной зоны; k – постоянная Больцмана; Т – термоди-

намическая температура.

– величина, определяемая свойствами конкретного материала, слабо

изменяющаяся с температурой. Её можно считать константой для данного по-

лупроводника (нельзя говорить, что это начальное сопротивление или сопро-

тивление при нуле температуры).

График зависимости сопротивления от температуры представлен на

рис. 1.

1/T

1/T1/T

lnR

Рисунок 2

Рисунок 1

310