Коммерциялық емес акционерлік қоғам

 

АЛМАТЫ  ЭНЕРГЕТИКА ЖӘНЕ  БАЙЛАНЫС ИНСТИТУТЫ

 

Физика кафедрасы

  

КВАНТТЫҚ ФИЗИКА 

Зертханалық жұмыстарды орындауға арналған әдістемелік нұсқаулар

(барлық мамандықтар студенттеріне арналған)

Алматы 2008 

ҚҰРАСТЫРУШЫЛАР: Сыздықова Р.Н., Карсыбаев М.Ш., Дауменов Т.Д.  Кванттық физика. Барлық мамандықтар студенттері үшін  зертханалық жұмыстарды орындауға арналған әдістемелік нұсқаулар. – Алматы: АЭжБИ, 2008.-36б.

      Әдістемелік нұсқауларда сегіз зертханалық жұмыс берілген, мұнда жұмыстың орындалу тәсілі, қондырғылардың сипаттамасы, тәжірибенің орындалу тәртібі және жұмыстың нәтижелерін қалайша өңдеу керектігі көрсетілген. Сонымен қатар бақылау сұрақтары мен әдебиеттер тізімі берілген.

     Әдістемелік нұсқаулар барлық мамандықтар студенттеріне және барлық оқу түріне арналған.

   Кіріспе 

     Беріліп отырған әдістемелік нұсқауларда сегіз зертханалық жұмыстың сипаттамасы берілген. Зертханалық жұмыстар қатты дене физикасы мен оптика бөлімдерін қамтиды. Әр зертханалық жұмыста тақырыбынан кейін жұмыстың мақсаты мен тапсырмалары және орындалу тәсілі, эксперимент құрылғыларының сипаттамалары, бақылау сұрақтары, әр бөлім соңында керекті әдебиеттер тізімі келтірілген.

     Зертханалық жұмысқа кірісер алдында студенттер оған дайын болуы керек. Ол үшін: а) жұмыстың тәсілін, мақсаты мен тапсырмаларын білуі; ә) эксперимент негізінде жатқан құбылыстар мен процесстердің байланыстары мен заңдылықтарының теориялық негізін табу; б) эксперимент жоспарын құру; в) өлшеу нәтижелерін енгізетін кестелерді дайындауы қажет.

     Студент эксперимент жасау барысында сәйкес физикалық шамаларды өлшеп және оларды жұмыс кестелеріне енгізіп отыруы қажет. Кестелерге сонымен қатар ізделінген шамалардың есептеу нәтижелері және олардың Стьюдент әдісімен анықталған қателіктері жазылады. Кейбір жұмыстардың нәтижелері сызбалар арқылы көрсетілуі керек. Барлық жағдайларда алынған нәтижелерге талдаулар және берілген зертханалық жұмысқа сәйкес қорытындылар жасалынуы қажет. 

 

ОТТ-8 зертханалық жұмыс. Фотоэлементтің сипаттамаларын зерттеу. 

Жұмыс мақсаты: сыртқы фотоэффект құбылысын фотоэлемент көмегімен зерттеу.

Негізгі тапсырма: фотоэлементтің вольтамперлік және жарықтық сипаттамаларын  алу. 

Эксперимент әдісі

         Сыртқы фотоэффект дегеніміз жарықтың әсерінен заттардан электрондардың ыршып шығу құбылысы. Ол әсіресе металдарда жақсы байқалады. Сыртқы фотоэффект заңдарын Столетов пен Ленард тәжірибе жолымен ашқан.

         1 Фотоэлектрондардың жылдамдығы жарық жиілігімен анықталады және жарық интенсивтілігіне тәуелсіз.

         2 Қанығу фототогы жарық ағынына пропорционал.

         3 Әр зат үшін фотоэффект қызыл шекарасы бар, яғни сыртқы

фотоэффект бола алатын минимал жарық жиілігі v0. Ал, v<vo жағдайында фотоэффект болмайды.

         Энергияның сақталу заңына сәйкес Эйнштейн теңдеуі деп аталатын

                                                             ( 8.1)

 қатынас орындалады

         Бұл фотоэффект заңын оңай түсіндіреді. Шындығында да (8.1) теңдеуінен фотоэлектрондардың кинетикалық энергиясы және жылдамдығы жарық жиілігі мен электрондардың шығу жұмысына байланысты екені шығады. Егер h·v≥A болса, фотоэффект болады. h·v=A немесе  жағдай қызыл шекараға сәйкес келеді. Қызыл шекара тек электронның шығу жұмысына, яғни металлдардың химиялық табиғатына және оның бетіне тәуелді. Фототок бірлік уақытта катод бетінен ұшып шыққан фотоэлектрондардың санымен анықталады. Ол сол уақыт аралығындағы зат бетіне түскен фотондар санына, яғни жарық Ф ағынына пропорционал.

         Сыртқы фотоэффект практикада кеңінен қолданылады. Фотоэффект құбылысының әсеріне негізделген приборлар фотоэлементтер (электроникада, телевидениеде, дабылқаққыштарда және т.б. қолданылады) деп аталады.

Қарапайым вакуумді фотоэлемент ауасы сорылған шыны баллоннан тұрады. Оның ішкі бетінің көп бөлігіне жарық сезгіш (натрий, калий немесе цезий) қабат жағылған. Жарық сезгіш қабат К катод қызметін атқарады. Баллонның ортаңғы бөлігінде басқа электрод - А анод орнатылған. Ол көбінесе сфера немесе жарты сфера, сақина (8.1 Сурет) тәріздес болып жасалынады.

Катодқа қарама қарсы орналасқан баллонның мөлдір бөлігі арқылы фотокатодқа жарық сәулесі түскенде фотоэффект құбылысы болады. Егер анод пен катод арасына потенциалдар айырмасын берсек, жарық әсерінен

                                                        8.1 Сурет 

катод бетінен ыршып шыққан электрондар электр өрісінің әсерінен анодқа қарай үдей қозғалады. Фотоэлементте және ол жалғанған тізбекте электр тогы жүре бастайды. Бұл токты фототок деп атайды. Фототок шамасы катодқа түскен жарық ағынымен және анод пен катод арасындағы потенциалдар айырымымен анықталады. Жарық ағыны тұрақты болған кезде, фототок күші мен кернеу арасындағы байланыс фотоэлементтің вольтамперлік сипаттамасы деп аталады. Фотоэлементтің вольтамперлік сипаттамасы І мен U байланыс сызбасы түрінде беріледі (8.2 Сурет).

8.2 Сурет 

         Сызбадан кернеу артқанда фототок шамасының артатыны көрініп тұр. Бірақ фототок артуы біртіндеп баяулап және қандай да бір кернеуде оның өсуі мүлдем тоқтап қалады.Фототок шамасы кернеуге байланысты болмай қалады. Фототоктың осы мәнін (Іқ) қанығу тогы деп атайды. Қанығу кезінде жарық әсерінен катод бетінен бірлік уақытта ыршып шыққан барлық электрондар анодқа келіп жетеді. Вакуумдік фотоэлементте катод бетінен ыршып шыққан электрондардың бір бөлігі электр өрісі болмаса да анодқа жете алады. ( 8.2-сызбада келтірілген U=0, І≠0 жағдай). Фотоэлементтегі осы токты тоқтату үшін Uт тежеуіш потенциал беруіміз қажет. Тежеуіш потенциал мен электронның максимал жылдамдығы мына қатынаспен байланысады

                                           eUт=(mV2m)/2                                                         (8.2)

мұндағы е- электрон заряды; m- электрон массасы.

          (8.2) теңдеуі (eUт) өрістің тежеуіш жұмысы мен фотоэлектрондардың алғашқы (mV2m)/2 максимал кинетикалық энергиясының тең болу шартынан шығады.

         Фотоэлементтің басқа сипаттамасы кернеу тұрақты болған кездегі фототок күшінің түскен жарық ағынына тәуелділігі (І=f (Ф)u).

Фототок күшінің түскен жарық ағынына қатынасы γ фотоэлемент сезгіштігі деп аталады

γ= І /Ф .                                                               (8.3)

Құрылғы сипаттамасы

Фотоэлементті зерттеу үшін электрлік сұлбасы 8.3 суретте көрсетілген, зерттелінетін фотоэлементтен және эталонды шамнан тұратын қондырғы қолданылады.

                                       8.3 Сурет 

         Сұлба фотоэлемент пен эталонды шамды ток көзіне жалғайтын бір

-біріне тәуелсіз екі (І және ІІ) тізбектен тұрады. 

         Жұмыстың орындалу реті

         Тапсырма 1. Фотоэлементтің І =f(U)Ф. вольтамперлік сипаттамасын алу.

1        Қыздыру шамын фотоэлементтен қандай да бір (3-7 см) қашықтыққа

орналастырамыз.

2        Құрылғының ІІ бөлігін кернеуі 220 В ток көзіне қосамыз. R2 реостаты

арқылы кернеуді U2 = 220В шамасына туралап қоямыз, оны өлшеулер біткенше өзгертпейміз. (Фотоэлемент пен шам ара қашықтығының және шам кернеуінің өзгермеуі жарық ағынының тұрақтылығын қамтамасыз етеді).

3        Тізбектің І бөлігіндегі К кілтті қосып, R1 потенциометр көмегімен

 фотоэлемент кернеуін 0-ден бастап 10 В-тан өзгерте отырып, 8.1 - кестеге кернеу мен фототок күшінің мәндерін жазып отыру қажет. Өлшеулер  қанығу тогына жеткенге дейін жүргізіледі. ( Кернеу артқанымен ток артуы тоқтайды).

       8.1 К е с т е

U1

 

 

 

 

 

 

 

 

І

 

 

 

 

 

 

 

 

 4        8.1 Кестеде келтірілген кернеудің барлық мәндері үшін

фотоэлементтің сезгіштігін (8.3) өрнегімен есептеңіздер. Жарық ағыны

                                      Ф=(JS)/ℓ2                                                     ( 8.4)

теңдеуімен анықталады. Мұндағы J-эталонды шамның жарық күші (J=29кд), S-фотокатод ауданы (S =12 см2), ℓ- эталонды шам мен фотоэлемент арақашықтығы.

     8.2 К е с т е

U1 (В)

І (мкА)

Ф (лм)

γ (А/лм)

 

 

 

 

 

 

 

 

          Тапсырма 2. Фотоэлементтің І =f(Ф)U  жарықтық сипаттамасын алу.

1 Фотоэлемент кернеуі қанығу аймағындағы мәніне қойылып, тапсырма біткенше өзгертілмейді (вольтамперлік сипаттамаға қара). Эталонды шамның кернеуі 1 тапсырмадағы қалпында қалады.

2 Фотоэлементке шамды минимал қашықтыққа дейін жақындатып қоямыз. Осы қашықтықтағы фототок мәнін 8.3-кестесіне жазып аламыз. Шамды фотоэлементтен 3-5 см қашықтыққа жылжыта отырып, қашықтық пен фототок мәндерін 8.3 кестеге жазыңыз.

3 (8.4) формуласымен әр қашықтық үшін Ф жарық ағынын есепте.

      8.3 К е с т е

U, (В)

ℓ, (м)

Іі, (мкА)

Ф, (лм)

 

 

 

 

          Өлшеу нәтижелерін өңдеу

1        8.1 кесте берілгендер  бойынша І фототок күші мен U кернеудің

байланыс (І=f(U)Ф). сызбасын салыңыз.

2        8.1 кесте берілгендері бойынша І фототок күшінің Ф жарық ағынына

тәуелді І=f(Ф)U ).сызбасын салыңыз.

3        Алынған мәліметтерді сараптап, қорытынды жасаңыз.

          Бақылау сұрақтары

1        Фотондар. Фотонның энергиясы, импульсы және массасы.

2        Сыртқы фотоэффект құбылысы қандай құбылыс ?

3        Сыртқы фотоэффект құбылысының негізгі заңдылықтары және

оларды кванттық сәуле шығару теориясы арқылы түсіндіру.

4        Фотоэффект үшін Эйнштейн теңдеуі.

5        Фотоэффект қызыл шекарасы дегеніміз не?

6        Фотоэлектрондардың жылдамдықтары немен анықталады?

7        Фототок қанығуы неге байланысты?

8        Фототок күшінің  жарық ағынына тәуелді сызбасы қандай болуы

 керек.

9        Құрылғы, жұмыс істеу принципі және фотоэлементті қолдану.

 ОТТ-9  зертханалық жұмыс. Стефан – Больцман тұрақтысын анықтау

          Жұмыс мақсаты: жылулық сәуле шығару құбылысымен, Стефан-Больцман заңымен және оптикалық пирометр жұмысымен танысу.

         Негізгі тапсырма: Стефан – Больцман тұрақтысын анықтау.

 Эксперимент әдісі

         Жылулық сәуле шығару - жылулық қозғалыстың энергиясы әсерінен қозған атомдар мен молекулалардың электромагнитті сәуле шығаруы. Ол температурасы абсалют нөлден жоғары барлық денелерге тән. Қыздырылған денелердің жылулық сәуле шығаруының спектрі үздіксіз болады. Жылулық сәуле шығарудың негізгі заңдылықтарының бірі осы жұмыста зерттелінетін Стефан-Больцман заңы. Стефан-Больцман заңын эксперименттік нәтижелердің талдауы бойынша Стефан, ал теориясын Больцман ашқан. Абсолют қара дененің R интегралдық жарқырауы абсолюттік температураның төртінші дәрежесіне тура пропорционал, яғни

                             R=σT4                                                               (9.1)

мұндағы σ - Стефан-Больцман тұрақтысы. Нақты денелер (қара емес) үшін

  R=aσT4                                                             (9.2)

мұндағы a – қаралық дәрежесі- дененің жұту қабілетін анықтайтын коэффицент. Егер сәуле шығарушы дене температурасы Т0 ортамен қоршалған болса, дененің сәуле шығару қуаты азаяды, онда Стефан- Больцман заңын

R=aσ(T4-T04)                                                      ( 9.3)

түрінде жазуға болады.

         Берілген жұмыста Стефан- Больцман заңындағы σ тұрақтысын анықтаймыз. Сәуле шығарушы дене ретінде Л1 қыздырғыш шамының қылын аламыз. Қыл абсолют қара дене болмағандықтан (9.3) формуласы қолданылады, мұнда вольфрамнан жасалынған қыл сым үшін а=0,32. Қылды қыздыру үшін шам 9.1 сурет бойынша айнымалы ток көзіне қосылады. R1 реостат көмегімен шамның қуатын өзгертуге болады. Шамның қуатын амперметр І1 және вольтметр U1 көрсетулері бойынша Р=I1·U1 өрнегімен анықтайды. Барлық қуат жылулық сәуле шығаруға жұмсалды десек, қылдың энергетикалық жарқырауын мына түрде жазуға болады

                                       R=(I1·U1)/S                                                         (9.4)

мұндағы, S – шам қылының қызған бөлігінің жалпы бетінің ауданы. (9.3) өрнегіне (9.4) өрнегіндегі R мәнін қоя отырып, алынған теңдіктен Стефан- Больцман тұрақтысын анықтаймыз

                                                                                           (9.5)

         Сонымен Стефан- Больцман тұрақтысын есептеу үшін шам қылындағы ток күшін және оған түскен кернеуді және оның температурасын білуіміз қажет (Т0 ретінде бөлме температурасын аламыз).

    

9.1 Сурет

 

Пирометр сипаттамасы   

         ЭОП — 66 оптикалық пирометрі спектрдің көрінетін аймағындағы сәуле шығаратын қыздырылған денелердің жарықтану температурасын дәл өлшеуге арналған прибор. Өлшенетін температуралар 1073 тан 10273° К (800-10000°С) дейінгі аралықта бірнеше шектерге бөлінеді. Берілген жұмыста температуралардың екінші шегі, яғни 1400 ÷ 20000 С аралығы қолданылады. Өлшенетін температура шығару көзі 0.7-м -ден оптикалық шексіздікке дейінгі қашықтықта орналасуы керек.

9.2   Сурет

 

         Сұлбасы 9.2 суретте көрсетілген құрал жұмысы қыздырылған объектінің (Л1 шам қылы) сәуле шығаруының квазимонохраматты жарықтылығын эталон жарықтылығымен теңестіру арқылы өлшеуге негізделген. Жарықтылық эталон ретінде температурасы мен ток күші арасындағы байланысы (9.3 сурет) берілген, арнайы пирометрлік Л2 шам қолданылады.

         Оптикалық пирометр L1 объектив фокусында Л2 эталонды шам сымы орналасқан 3Т көру түтікшесінен тұрады. Температурасы өлшенетін сәуле шығарушы дененің (Л1 шам қылы) кескіні объектив көмегімен пирометрлік шам қылы жазықтығына проекцияланады.

         Микроскоптың L2 окулярынан қараған бақылаушы Д диафрагмамен шектелген (9.2 Сурет, б) сеуле шығарушы дененің кескін жазықтығында доға тәрізді болып келген Л2 пирометр шамының қылын көреді. Пирометрлік шам қылының қызуы R2 реостаты арқылы реттеледі. Пирометрлік шамдағы токтың мәнін өзгерте отырып, оның қылының жарықталынуын сәуле шығарушы көздің жарықтығымен теңестіреді. Екі қылдың кескіндерінің түсі айырып көре алмайтындай бірдей болуы керек, ал бұл сәуле шығарушы екі дененің температуралары бірдей екендігін білдіреді. Осы жағдайға сәйкес келетін А2 амперметрдің көрсетуін жазып алып, кестеден немесе ондағы нәтижелер бойынша салынған сызбадан қарастырылып отырған объектінің температурасын анықтаймыз.

          Жұмыстың орындалу реті

1        Сұлбадағы R1 реостатты максимал кедергіге қойып, Л1 қыздыру

 шамын қоректендіретін тізбекке кернеу береміз.

2        R1 және  R2 кедергілерін толық шамаларына қойып, пирометрді

 тұрақты ток көзіне жалғау керек.

3        R1 реостат көмегімен Л1 шамындағы ток күшін күшейте отырып, I1

ток күші мен U1 кернеу мәндерін 9.1 кестеге жазыңыз.

4        Температурасы өлшенетін сәуле шығарушы шамды пирометрдің

 көтеру түтікшесінің аузына дәлдеп жақындатамыз.

5        Пирометрлік шамның қылының кескіні диафрагма саңылауының

 ортасында болуы керек.

6        R1 реостаттың және  R айнымалы кедергінің көмегімен өлшенетін

объект кескініндегі пирометрлік шам қылының кескінінің қызуын реттей отырып, оның жұмыс аймағында көрінбейтіндей ету керек.

7        А2 амперметр көмегімен пирометр шамының қылынан өтетін ток

күшін 10-3 А – ге дейінгі дәлдікпен алып,  9.3 Суретте кескінделген сызба бойынша сәйкес температура мәндерін анықтап, І2 және Т өлшеу мәндерін  9.1 кестеге енгізіңіз.

8        Л1 шамындағы ток күшін бірнеше рет өзгертіп, өлшеулерді қайтала.

           Өлшеу нәтижелерін өңдеу

1        Әр өлшеу үшін (9.5) формуласымен σ  тұрақтысын есептеңіз.

2        <σ> орташа мәнін анықтаңыз.

3        Өлшемдердің Δσ абсолют және ε салыстырмалы қателіктерін

есептеңіз.

4        Алынған мәліметтерге талдау жасап, қорытындылаңыз.

 

                   

9.3 Сурет

9.1 К е с т е

S

I1

U1

I2

T0 ,C

T,K

σ

< σ >

∆ σ

ε

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

         Бақылау сұрақтары 

1        Жылулық сәуле шығару  сипаттамалары.

2        Дененің энергетикалық жарқырау, сәуле шығару қабілеті, жұту

қабілеті дегеніміз не ?

3         Стефан – Больцман заңы.

4        Жұмыстың орындалу әдісін түсіндір.

5        Оптикалық периометрдің жұмыс істеу принципі.

          ОТТ-10  зертханалық жұмыс. Стефан – Больцман заңын тексеру

          Жұмыс мақсаты: жылулық сәуле шығару заңын оқып үйрену.

         Негізгі тапсырма: Стефан – Больцман заңындағы дәреже көрсеткішін анықтау.

         Эксперимент әдісі

         Бұл жұмыста Стефан – Больцман заңындағы температураның дәреже көрсеткіші төртке тең екеніне көз жеткізу керек. Осы заңға байланысты абсалют температурасы Т болатын дененің бірлік уақытта бірлік ауданнан шығаратын энергиясының шамасы

  R=аσ(T4 - T04)                                                      (10.1)

          мұндағы а – дененің қараңғылық дәрежесі;

R – энергетикалық жарқырау;

σ - Стефана – Больцман тұрақтысы;

То-қоршаған орта температурасы.

         Егер дененің Т температурасын қоршаған ортаның То температурасынан бірнеше есе арттырсақ, онда (T0/T)4 қатынасының шамасын бірмен салыстырғанда ескермеуге болады.

         Стефан-Больцман заңындағы көрсеткіштік дәрежені белгісіз n деп алсақ, онда

                                      R=aσTn.                                                           (10.2)

         Берілген жұмыста сәуле шығарушы дене ретінде қыздыру шамы алынып отыр. Егер, шамның тұтынатын барлық қуаты сәуле шығаруға айналады десек, онда

R=P/S                                                                (10.3)

мұндағы S- сәуле шығарушы дененің бетінің ауданы. (10.2) өрнегіне (10.3) өрнегін апарып қойып

Р= S·a·σ·Tn      

өрнегін аламыз. Мұндағы S·a·σ =А деп алсақ

Р= А·Tn.

Осы өрнекті логарифмдеп, мына теңдікті аламыз

                                      lgP=lgA + nlgT.                                                (10.4)

         Бұл теңдік lgP нің lgT –ге байланысы сызықты екенін және Стефан – Больцман заңындағы n дәреже көрсеткіші түзудің абсцисса осіне түсірілген бұрышының тангенсі ретінде анықтауға болады

n=tgα=(MN)/(LN).

         Тәжірибеден алынған нәтижелер бойынша lgP мен lgT тәуелділік сызбасын тұрғызу керек. Сызбадан Стефан – Больцман заңындағы n дәреже көрсеткіші тік бұрышты үшбұрыштың α  көлбеулік бұрышының тангенсі арқылы анықталады.

10.3 Сурет

 

         Қондырғы сипаттамасы

         Бұл жұмыста  № 9 «Стефан – Больцман тұрақтысын анықтау» жұмысында сипатталған қондырғы қолданылады.

 

         Жұмыстың орындалу реті

         1 № 9 жұмыстың 1-9 баптарына сәйкес Л1 шамының тізбегіндегі І ток күші мен U кернеуді Л2 пирометрлік шамдағы І2 ток күшімен қылдың температурасын кемінде  5 рет өлшеу керек.

         2  P =I·U формуласы бойынша І ток күші мен U кернеудің әрбір мәні үшін қуатты анықтаңыз.

         3 Логарифмдер кестесінен lgP мен lgT мәндерін табу керек. Өлшеу нәтижелерін 1 кестеге енгізіңіз.

 

 

10.1 К е с т е

№/№

S

I

U

P

I2

t0 C

T, K

lgP

lgT

 

         Тәжірибе нәтижелерін өңдеу

         1 10.1 – кестедегі мәндер бойынша lgP мен lgT тәуелділік сызбасын тұрғызу керек. Сызбадан Стефан – Больцман заңындағы n дәреже көрсеткіші тік бұрышты үшбұрыштың α көлбеулік бұрышының тангенсі  арқылы анықтаңыз.

         2 Алынған нәтижелерге талдау жасап, қорытынды жасаңыз.

 

         Бақылау сұрақтары

1  Жылулық сәуле шығару дегеніміз не ?

2        Жылулық сәуле шығаруды сипаттайтын шамалар.

3        Жылулық сәуле шығару заңдары.

4        Жұмыстың орындалу әдісін түсіндір.

5        Оптикалық периометрдің жұмыс істеу принципі.

 

 

          ООТ-11 зертханалық жұмыс. Жұтылу спектрi бойынша Планк тұрақтысын анықтау

 

         Жұмыстың мақсаты: қосхромды калийдiң судағы ертiндiсiнiң (хромпик) жұтылу спектрiн зерттеу және Планк тұрақтысын анықтау.

         Негізгі тапсырма: Планк тұрақтысын анықтау.

 

         Эксперимент тәсiлi

         Кванттық теория бойынша заттардың атомдары мен молекулалары энергияны жеке порциялар, электромагниттiк толқын кванттары түрiнде жұтады және шығарады. Бұл кванттар фотондар деп аталады. Жиiлiгi ν монохроматтық жарықтар үшін фотондар бірдей энергияға ие болады. Ол мынаған тең

ε=hν

мұндағы h-Планк тұрақтысы.

Зат жарықты жұтқанда фотондар бүкіл энергиясын заттың атомдары мен молекулаларына береді. Мұнда заттың жарықты жұтуы ерекше болады. Олар кейбір жиіліктегі фотондарды жұтады, ал кейбіреулерін жұтпайды. Жұтылу спектрінің пайда болуы осыған байланысты болады.

         Жарықты бір затқа түсірсек, зат өзгеріске ұшырайтыны белгілі, мысалы олардың молекулалары ыдырайды. Мұнымен бояулардың түсінің өзгеруін, өсімдіктерде көмірқышқыл газының ыдырауын және т.б. түсіндіруге болады. Ыдырауды тек қана энергиясы молекуланы ыдыратуға керек энергиядан үлкен немесе тең кванттар тудыра алады.

         Қосхромқышқылды калийдің судағы ертіндісін (хромпикті) қарастырайық, суда оның молекуласы (K2Cr2 O7) мына түрде диссоциацияланады:

                                             K 2Cr 2O7=Cr2O72-+2K+.

         Сонымен ерітіндіде  иондар пайда болды. Егер осы ертіндіге жарық түсірсек,  жарықтың әсерінен  иондар ыдырайды.

                                             Cr2 O72-=CrO3+CrO4.

Бір моль мөлшердегі иондардың ыдырау реакциясы кезінде бөлініп шығатын   жылу  мөлшері  Q=2,23·105 Дж/моль екені тәжірибеден белгілі.

Бір ионды диссоциациялауға қажет энергия Q/NA болады, мұндағы NA=6,02·1023 1/моль–Авогадро саны. Мұндағы қажет энергия ионға фотонмен берілуі мүмкін, яғни hν= Q/NA. Осыдан Планк тұрақтысы

                                                             ,                                                        (11.1)

(11.1) формуласынан Планк тұрақтысын анықтау үшін біз кванты Q/NA-ға тең жарықтың жиілігін білуіміз қажет. Үлкен жиілікте Cr2O7 диссоциациясы өтеді, бірақ Q/NA-ғы фотондардың артық энергиясы иондарға кинетикалық энергия беру үшін кетеді. Энергияның өсуінсіз Cr2O7 ионының диссоциациясын тудыратын жарықтың ең төменгі жиілігін анықтау үшін хромпик ертіндісінің жұтылу спектрін зерттеу қажет. Жасыл түсті (соңғы) аймағынан басталып қысқа толқынды аймаққа қарай кететін ертіндінің жұтылу спектрінде жұтылу жолағын көруге болады. Жолақтың ұзын толқынды бөлігі жанындағы (ашық және қараңғы бөліктерінің шекарасы) жиіліктер төменгі жиілікке сәйкес келеді және (11.1) теңдігін қанағаттандырады. Осы жақтағы жұтылу спектрінің толқын ұзындығы λ-ны анықтап, ν=с/λ қатынасын пайдаланып,

Планк тұрақтысын табамыз                                                     

                                                    .                                           (11.2)

 

          Тәжірибе қондырғысының сипаттамасы

          Спектр сызықтарын бақылау және толқын ұзындығын өлшеу спектрлік аппарат-оптикалық шынысы бар монохроматторда жүргізіледі. Аспаптың схемасы (11.1 Сурет) үш басты бөліктен: параллель сәуле шоғын алу үшін қызымет ететін коллиматордан 2-4, монохроматты емес жарықты спектрге бөлетін дисперсиялаушы жүйеден (призмадан немесе дифракциялық тордан) және спектрді бақылау үшін арналған  6-8 көру түтікшесінен тұрады.

          Сәуле 1 жарық көзінен шығып, 2 конденсордан өтіп, обьектінің фокальды жазықтығында орналасқан 3 саңылауды жарықтандырады. Каллиматордың обьективінен шыққан параллель сәулелер шоғы дисперсиялаушы 5 жүйеге бағытталады.

          Егер жарық көзі монохромат жарық шығаратын болса, онда әр түрлі ұзындықтағы толқындар дисперсияның сыну көрсеткішіне байланысты призмада әр түрлі сынады, оның әсерінен жарық монохромат құраушыларға бөлінеді және әр түрлі бұрышты призмалар жүйесінен анықталған λ1, λ2, λ3 ұзындықтарға сәйкес келетін параллель сәулелер шоғы шығады. Бұл  параллель сәулелер шоғы көрсеткіш түтіктің обьективінің 7 фокальдық жазықтығында 3 саңылау спектрлік кескіні түрінде жиналады. Егер жарық

 

 

                                               11.1 Сурет

көзі ретінде атомдық күйдегі инертті газбен толтырылған төменгі қысымдығы

шам болса, онда 3 саңылаудың спектрлік кескіні шам газының атомдық спектріне сәйкес келетін түрлі жолақ түрінде болады. Спектрді 8 окулярдан көзбен бақылауға болады, бұл жағдайда спектрлік сызықтар 7 жазықтықта орналасқан көру түтікшесінің шыға беріс саңылауына шығарылады.

 

         Жұмыстың орындалу тәртібі

         1-тапсырма. Монохроматордың шкаласын бөліктеу .

         Жұмыста қолданатын монохроматор (спектрометр) спектр сызықтарының орналасуын салыстырмалы өлшеу бірлігі градусымен (N) анықтауға болады. Берілген спектр сызығына сәйкес келетін толқын ұзындығын анықтау үшін N=f(λ) көрсететін бөліктеуші қисықты қолдану керек. Бөліктеу спектрлік сызықтарға сәйкес келетін алдын-ала белгілі толқын ұзындығындағы газ спектрі бойынша жасалады. Жұмыста толқын ұзындығы 1 кестеде көрсетілген неон газы қолданылады.

          1. Спектрометрдің кіре беріс саңылауының алдына неон газы бар шамды орналастырып, ток желісіне жалғап, ондағы “Сеть” тумблерін қосыңыз. Бұл жағдайда шкаланы жарықтандырушы шамдар мен неонды шам және окуляр түтігіндегі көрсеткіш жануы керек. Окулярдың бұрандасын айналдыра отырып спектрдің анық кескінін алыңыз.

          2. Барабанды айналдыру арқылы неонның спектрлік сызықтарын окуляр түтікшедегі көрсеткішімен дәл келтіріп, бұл сызықтарға сәйкес келетін монохроматор барабанының көрсетуін жазып алыңыз. Одан кейін өлшеулерді кері ретте қайталаңыз. Әрбір спектрлік сызықтар үшін шкала көрсетуінің орташа мәндерін есептеңіз. Өлшеулер мен есептеулердің нәтижелері 11.1 Кесте түрінде берілу керек.

           3. N шкаласының көрсетулерін толқын ұзындығының өлшем бірлігімен алып N=f(λ) бөліктену сызбасын тұрғызыңыз.

 

      11.1  К е с т е

Сызықтар орны және түсі

(нм)

барабан  бойынша

1 санақ 

барабан  бойынша

2 санақ 

барабан  бойынша

3 санақ  (N)

Ашық қызыл

640,2

 

 

 

Қызыл-қызғылт (екі жақын сызықтың сол жағындағысы)

614,3

 

 

 

Қызғылт (4-шіден сол жақтағы 1-ші байқалғаны)

594,5

 

 

 

Сары

585,2

 

 

 

Ашық-жасыл (4-шіден оң жақтағы 1-ші байқалғаны)

576,0

 

 

 

Жасыл (екі бірдей сызықтың сол жағындағы)

540,0

 

 

 

Жасыл (екі бірдей сызықтың оң жағындағы)

533,0

 

 

 

Жасыл (бірдей қашықтықта орналасқан 5 сызықтың оң жағындағысы)

503,1

 

 

 

Жалғыз көк-жасыл

484,9

 

 

 

 

         2 тапсырма. Планк тұрақтысын анықтау.

         1 Спектрометрдің жарық кіретін саңылауының алдына тұтас спектр беретін қыздыру шамын орналастырыңыз.

         2 Шамды ток көзіне қосып, жасыл бөлік аймағындағы оның тұтас спектр шығаруын бақылай отырып, спектрометрдің саңылауы мен шамның арасына хромпик бар ыдысты орналастырыңыз.

         3 Хромиктің жұтылу спектрін бақылай отырып, жұтылу жолағы шетінің мәнін өлшеп алыңыз.

         4 Жұтылу жолағы шетінің орнын бағалау 5 реттен кем болмауға тиіс. Өлшеу нәтижелерін 11.2 Кестеге енгізіңіз.

         11.2  К е с т е

Барабан шкаласының мәндері

λi

hi

Δh

 

 

 

 

 

 

 

 

         

         Тәжірибе нәтижелерін өңдеу

         1  (11.2) формуласы бойынша h мәнін табыңыз.

         2  абсолют қателігін бағалаңыз.

         3 Ақырғы нәтижені h=<h>+∆h түрінде жазыңыз.

         4 Алынған нәтижелерге талдау жасап, қорытындыны тұжырымдаңыз.

                                          

        Бақылау сұрақтар

        1  Шығару және жұтылу спектрлері деген не?

        2  Спектрометрдің құрылысы және жұмыс істеу принципі.

        3  Спектрометрдің бөліктенуі қалай және не үшін жасалады ?

        4  Жұмыстағы h мәнін анықтау әдістемесін түсіндіріңіз.

        5 Атомның стационарлық күйі дегеніміз не? Энергияның дискреттік          мәндері, энергетикалық деңгейлері.

        6  Спектрлік анализ деген не?

 

          ОТТ-12 зертханалық жұмыс. Мыс ионының дифракциясын бақылау

    

         Жұмыстың мақсаты: мыс ионының толқындық қасиеттерін бақылау.

         Тапсырма: мыс ионының де-Бройль толқынының ұзындығын анықтау.

         Эксперимент тәсілі

         Кванттық механиканы ашудағы негізгі кезеңдегі өте маңызды мәселе микробөлшектердің толқындық қасиеттері (электрондар, протондар, атомдар т.б.) болып табылады.

         Луи де-Бройль болжауы бойынша /1,ξξ 18, 19/ корпускулалық-толқындық дуализм (бір мезгілде корпускулалық және толқындық қасиеттердің болуы) тек қана жарыққа ғана тән емес, жалпылама мінездеме екені көрінеді. Шекті импульсі р зат бөлшектерінің толқындық қасиеттері болады, олардың қозғалысына де-Бройль формуасы бойынша белгілі бір толқын ұзындығы сәйкес келеді

                                                                                               (12.1)

мұндағы m-бөлшек массасы, -оның жылдамдығы, h=6,62·10-34    Дж·с -Планк тұрақтысы.

         Қозғалған бөлшектердің толқындары де-Бройль толқындары деп аталды.

         Берілген жұмыста диаметрі, массасы m және  жылдамдықпен қозғалатын иондарға сәйкес келетін толқын ұзындығымен шамалас дөңгелек саңылаудағы мыс ионының дифракциясы зерттеледі. Электр өрісімен үдетілген иондар Д диафрагмасындағы саңылаудан өткенде дифракцияланады (12.1  Сурет).

12.1 Сурет

         Экранда максимумдар мен минимумдардан тұратын сақиналардың дифракциялық суретін саламыз. Иондар толқынының ұзындығын де-Бройль формуласы бойынша  анықтаймыз (12.1 формула). Жарықтың дифракция теориясынан тесікте жинақталатын жазық толқынның λ ұзындығы мен Френель зоналар санының қатынасы

                                                                                                         (12.2)

мұндағы r-тесіктің радиусы;

l -диафрагма мен экранның арасындағы арақашықтық. Экрандағы қараңғы және жарық сақиналардың жалпы n саны Френель зонасының санына тең, яғни тәжірибеде ылғи да бүтін сан беретін қараңғы және жарық сақиналарының n санын алуға болады. Бүтін саннан тұрмайтын Френель зонасын бүтін саннан тұратын қараңғы және жарық сақиналармен теңестіру бұл әдістегі негізгі қателіктерді береді. Мыс ионының массасы үлкен m=1,05·10-25 кг ( бұл  протонның массасынан 100 есе және электронның массасынан шамамен 100 мың есе үлкен) бірақ оның электрлік өрісі әсерінен  электролиттегі бағытталған қозғалысының жылдамдығы өте аз (см/сағ қана). Сондықтан тәжірибеде электролиттегі иондардың ағынының толқындық қасиеттерін оңай байқауға болады. Жұмыста де-Бройль формуласы арқылы толқын ұзандығын есептегенде мыс ионының бағытталған қозғалысының жылдамдығын білу қажет. Оны мына формула арқылы анықтауға болады

                                                                                                        (12.3)

мұндағы U-электрондар арасындағы потенциялдар айырмасы;

 L-электродтардың арақашықтығы;

 b -иондардың қозғалғыштығы.   

         Электролиттегі өрістің кернеулігі 1B/м болғанда иондардың қозғалғыштығы ерітіндінің концентрациясына және электролиттің температурасына  тәуелді. Бөлмелік температурада тұрған ерітіндінің әлсіз концентрациясы үшін иондардың  қозғалғыштығын b=4.8·10-8 (м/с)/(В/м) деп алуға болады.

 

         Тәжірибе қондырғысының сипаттамасы

         Мыс иондарының дифракциясын зерттейтін қондырғының негізгі бөлігі электролитті ванна, ол  тотияйнның (CuSO4) судағы ерітіндісімен толтырылған және екі электрод - мыс (1) және көмірден (2) (катод,12.2- сурет) тұратын шыны ыдыстан жасалған.

Катодқа резиналық сақиналар (3) көмегімен дөңгелек сақиналары бар (5) диафрагма (4) бекітіледі. Диафрагмада жапсырылған кертік (6) көмегімен катод беті мен диафрагма арасында саңылау болады. Егер К кілті арқылы Б акумуляторлар батареясы мен электролиттік ваннаның электродтарын тұйықтасақ, электролитте анодтан катодқа бағытталған электр өрісі туады. Мыстың оң зарядталған иондары катодқа тартылады да, диафрагманың саңылаулары арқылы өтіп, дифракция әсерінен катодқа тұтас дақ болып емес,

 

12-2 Сурет

         ол жарықтың дифракциясы сияқты жеке - жеке сақиналар түрінде орналасады.

                     

        Жұмыстың орындалу тәрібі

         1 Көмір электродының бетін тотықтар мен көмір шаңынан абайлап тазалаңыз.

         2  Штангенциркуль арқылы кертіктің (6) қалыңдығын өлшеңіз.

Диафрагма мен катод арасындағы саңылауды туғызатын кертіктің қалыңдығы (12.2) формуладағыдай саңылау мен экран арасындағы l арақашықтығын береді. r1, r2, r3-радиустарын өлшеңіз.

         3 Екі резина сақинаның көмегімен көмір электродын диафрагмаға бекіту керек. Содан кейін көмір электродын қосып, электродтардың ішкі беттерінің L арақашықтығын өлшеу керек.

          4 12.2-суретегідей электр тізбегін жинаңыз, мұнда Б батареяның теріс полюсін көмір электродына қосу керек.

          5 Электродтарды электролитке батырып, тәжірибеге дайындау керек. Тізбекті К кілті арқылы тұйықтап, П потенциометр көмегімен керекті кернеуді (6-9 В) қойып, осы кернеуді тұрақты күйде сақтап, (вольтметрдің көрсетуін қадағалап отырыңыз), токты 30-50 сек уақыт бойы өткізу керек.

         6 Токты өшірген соң, көмір электродын алып, одан диафрагманы шешіп, мұндағы әрбір саңылау алдында пайда болған дифракциялық суретті салып алыңдар.

 

Тәжірибе нәтижелерін өңдеу

         1 Френель зонасының n санын анықтаңыз. Жарық пен қараңғы сақиналардың саны Френель зонасының n санын береді.

         2  (12.2) формуласы бойынша мыс ионының толқын ұзындығын есептеңіз, оның саны диафрагмадағы саңылау санына тең. Нәтижелерін

12.1 кестеге енгізіңіз.

         3  (12. 3) формуласы бойынша мыс ионының жылдамдығын анықтаңыз.

         4  (12. 1) Де Бройль формуласы арқылы толқын ұзындығын есептеп,

12.2 кестеге енгізіңіз. Мыс ионының массасы m=1,05•10кг.

         5 (12.1) және (12.2) формулалары арқылы алынған нәтижелерді салыстырыңыз.

         6  Алынған нәтижелерге талдау жасап, қорытындыны тұжырымдаңыз.

12.1 К е с т е

№

l

r

n

λ

<λ>

 

 

 

 

 

 

 

12.2 К е с т е

№

L

  U

 

λ

<λ>

 

 

 

 

 

 

 

         Бақылау сұрақтары

         1 Корпускулалық толқындық дуализмнің мәні неде ?

         2 Де-Бройль формуласын жазыңыз. Бөлшектердің толқындық қасиеттері қандай жағдайда байқалады ?

         3 Бұл жұмыстағы мыс иондарының толқындық қасиеттерінің негізі қандай құбылыстарда байқалады ? Бұл құбылыс неден тұрады ?

         4 Берілген жұмыста мыс ионы ағынының толқын ұзындығын қалай есептеп шығаруға болады ?

         5 Де-Бройль толқынының физикалық мағынасы.

         6  Пси функциясының мағынасы неде ?

 

                       Әдебиеттер тізімі

1. Савельев И. В. :Жалпы физика курсы. –т.3. – М.,1979.

2. Детлаф А. А., Яровский Б. М. Курс физики. – М.:ВШ, 1989 .

 

ОТТ-13 зертханалық жұмыс. Жартылай өткізгішті диодтың жұмысын оқып үйрену

 

Жұмыстың мақсаты: жартылай өткізгішті диодтың негізгі физикалық қасиеттерін оқып үйрену.

         Тапсырма: диодтың вольтамперлік сипаттамасын алу.

 

         Эксперимент тәсілі

         Р-n ауысуы деп аталатын әр типті жартылай өткізгіштердің түйіспесі диодтар мен транзисторлардың негізі болып табылады. Жартылай өткізгішті диодтар айнымалы тоқты түзету үшін қолданылады. Р-n ауысуы екі типті қоспалы өткізгіш кристалдарының шекарасында орналасқан жұқа қабат. Негізгі ток тасымалдаушылар (р-аймағында кемтіктер және n-аймағында электрондар) шекаралы қабат арқылы қарсы бағытта диффузиялана отырып, бір-бірімен рекомбинацияланады. Осыған орай р-n ауысуы жоғарғы кедергісі бар сиреген ток тасушылар болып табылады. Бір уақытта аймақтар арасындағы шекарада р-аймағында зарядтары кемтіктермен компенсацияланбайтын акцепторлық қоспаның теріс иондары және n-аймағындағы зарядтары электрондармен компенсацияланбайтын донорлық қоспаның оң иондары нәтижесінде қос электрлік қабат түзеледі. Бұл қабаттағы электр өрісі негізгі тасымалдаушылардың өтулеріне қарсы бағытталған. Ферми деңгейі екі аймақта қандай биіктікте орналасса, онда потенциалдық бөгеттің сондай биіктігінде тасымалдаушылардың тепе-теңдігі орын алады.

         Тепе-теңдік күйде негізгі тасымалдаушылардың кейбіреулері потенциалдық бөгеттерден өтеді, нәтижесінде ауысу арқылы Iнегіз. аздаған ток пайда болады, бірақ ол негізгі емес тасымалдаушылар туғызатын Iнегіз. емес  қарсы токпен компенсацияланады (13.1 Сурет, а).

         Р-n ауысуына тура кернеу бергенде (р-аймағына «+») р-аймағында потенциал өседі (потенциалдық энергия кемиді). Ал n-аймағында кері жағдай байқалады, потенциалдық энергиясы артып, потенциал кемиді, нәтижесінде потенциалдық бөгеттің биіктігі төмендейді және ток артады. Негізгі емес (Iнегіз..емес) тасымалдаушылар тогы бөгеттің биіктігіне іс жүзінде тәуелді емес, ол бөлініп шығатын жылу мөлшерімен анықталады. Потенциалдық бөгеттің төмендеуі берілген кернеуге пропорционал (13.1 Сурет,б). Тура кернеу беру нәтижесінде пайда болатын электр өрісі негізгі тасымалдаушыларды аймақтар арасындағы шекараға «қысады», сондықтан тасымалдаушылармен біріккен ауысу қабатының ені жұқарады. Осыған сәйкес ауысудың кедергісі де азаяды, неғұрлым кернеу көп болған сайын соғұрлым кедергі аз болады. Сондықтан токтың өсуі тура бағытта асқын сызықты болып табылады.


         Р-n ауысуына кері кернеу бергенде р-аймағының потенциал бөгетінің биіктігі артып (13.1 Сурет,в) негізгі тасымалдаушылар тогы I негіз кемиді. Бұл жағдайда пайда болатын қорытқы тоқ күші қанығу мәніне тез жетеді, яғни U кернеуге тәуелсіз болады да шамасы аз I негіз емес токқа тең болады. Ток күшін тек кері кернеудің үлкен мәнінде ғана тез өсе бастайды, яғни электрлік тесілу орын алғанда (13.2 Суреттегі вольтамперлік сипаттаманың кері тізбегінің сол бөлігі). Р-n ауысуынан өтетін ток күші мына формуламен анықталады [2]:

мұндағы к-Больцман тұрақтысы;

Т-абсолют температурасы;

 «+»-белгісі сыртқы кернеудің тура бағытымен, ал «-»-теріс бағытына сәйкес келеді. Тура бағытта негізгі тасымалдаушылармен анықталатын I тогы кері токпен салыстырғанда үлкен шамаға ие болады.

          Р-n ауысуы тура бағытпен салыстырғанда кері бағытта көбірек кедергіге ие болады. Себебі пайда болған электр өрісі аймақтар арасындағы шекарадан негізгі тасымалдаушыларды аз «кереді», сондықтан ауысу қабатының ені өседі.

13.1 Сурет - Р-n-ауысудың электрлік диаграммасы

         Кедергінің тура және кері бағытта бірдей еместігі р-n ауысуын айнымалы токты түзету үшін пайдалануға мүмкіндік береді. 13.3 Суретте егер берілген кернеу U гармоникалық заңы бойынша өзгерсе, бір периодты жартылай түзетудегі р-n ауысуынан өтетін графигі көрсетілген.  Екі периодты жартылай түзетуде тегістелу LC-сүзгісінің көмегімен жүзеге асыра алатын лүпілдеуші  ток алынады.

                                                    13.2 Сурет

 

         Жартылай өткізгішті диодтың маңызды сипаттамасы әдетте тура және кері кернеудің аз мәнінде (бірдей) анықталатын К еселігі болып табылады.

 

         Тәжірибе қондырғысының сипаттамасы

         Диодтың түзетуін бақылау үшін схемасы 13.3 Суретте көрсетілген осцилограф және электр тізбекті қолданамыз. Тексеріліп отырған U, Rn кедергісінен алынады және осцилографтың вертикаль кірісіне беріледі. Осциллографтың уақытша жаймалағышын пайдалана отырып, мына жағдайлардың тоқтың уақытқа байланыстылығын бақылауға болады: а) К-кілтті 1 жағдайда қосқан уақытта диодтардың біреуі қысқаша тұйықталады да екіншісі қосылады. Осциллограф  экранында айнымалы токтың Rн кедергіден алынатын синусойдасы пайда болады: б) К кілтінің 2 жағдайы айнымалы токтың бір периодты түзеуіне сәйкес келеді; в) 3 жағдай екі периодты түзетуі экран бетіндегі бейнеге сәйкес байқалады.

13.3 Сурет

 

         Жартылай өткізгішті диодтың вольтамперлік характеристикасы (ВАС) келесі схема бойынша өлшенеді.

                            13.4 Сурет

 

         Потенциометр П ВАС-ның тура және кері тізбегінде жартылай өткізгіш диодқа (6В) кернеу көзінен берілетін тұрақты кернеуді жайлап өзгертуге мүмкіндік береді. Берілген кернеудің полярлығының өзгерісі К кілтінің көмегімен іске асырылады.

 

         Жұмыстың орындалу тәртібі және өлшеу нәтижелерін өңдеу

         Жартылай өткізгішті диодтың  түзетуін осцилограф көмегімен бақылау

         1 13.4 Суреттегі схема бойынша Rn кедергіден және диодтың Y және X-кірісіне дұрыс жалғануын тексеріңіз.

         2 Бұрағыш тұтқасын 30 Гц жиілікке қойыңыз.

         3 Осциллографты 220 В желіге қосып, тумблерді «Выкл» жағдайына қосыңыз. Сыртқы «сигнал» жоқ кезде электрондық сәуле экран бетінде түзу сызықты береді. Егер сызық орнына нүкте бақыланатын болса, онда күшейткіш тұтқаның көмегімен сызық шығару керек. «Луч» тұтқасының көмегімен кескінді центрге орналастырыңыз.

         4 Құрылғыны қоректендіретін трансформаторды желіге қосып, кілттің 1 жағдайында экран бетінде берілген синусойдалық кернеу пайда болады.

         5 «Частота», «синхронизация және усиление» тұтқаларымен экрандағы сурет қозғалмайтындай етіп алыңыз.

         6 Кілтті 2 және 3 жағдайларына ауыстыра отырып экран бетінде бір жартылай периодты түзетулерге сәйкес суреттерді дәптер бетіне көшіріп алыңыз.

         7 Диодтың К еселігін бір жартылай периодты түзету үшін анықтаңыз.

         Диодтың ВАС тура тармағын алу

         1 13.4 Суретке сәйкес тізбек схемасын тексеру. Реостаттың тиегін диодқа берілген кернеудің минималдық мәніне сәйкес келетін шекті күйіне қойыңыз. Тура тізбектің ВАС өлшеу үшін К кілтін 1 жағдайға қойыңыз. Амперметрге тоқ күшінің өлшеу шегін 1 амперге қойып, желіге қосыңыз.

         2 Тұрақты кернеу көзін әр 0,5 В сайын арттыра отырып, ток күшінің мәнін жазыңыз. Ток күшінің мәні өлшеу шегінен асып кетпеуін қадағалап отырыңыз, әйтпесе амперметр істен шығуы мүмкін.

         Диодтың ВАС кері тізбегін алу

         1 Диодтың тура тізбектегі ВАС-ын түсіріп болған соң, потенциометрдің қозғалысын сол жақ шегіне қайтадан қойыңыз. Кері тізбекті өлшеу үшін К кілтті 2, ал амперметрдің өлшеу шегін «200 мкА» жағдайларына қойыңыз.

         2 Тұрақты кернеу мәнін 0,5 В сайын арттыра отырып, диодқа берілетін кернеуге байланысты болатын ток күшінің мәнін кестеге енгізіңіз.

         3 Өлшеу соңында реостаттың тиегін сол жақ шетіне қойып, ток көзін желіден ажыратыңыз.

         4 Алынған нәтижелер бойынша жартылай өткізгішті диод үшін ток күшінің кернеуге байланыстылығының сызбасын тұрғызыңыз.

 

          Бақылау сұрақтары

         1  Р-n ауысуы деген не? Көлемдік заряд қалай пайда болады?

         2  Жартылай өткізгіштердің меншікті және қоспалы өткізгіштігі.

         3  Диодтың тура және кері қосылуы.

         4 Диодтың ВАС-сы қандай формуламен өрнектеледі?

         5 Вентильді фотоэффект.

 

 

         ОТТ-14 зертханалық жұмыс. Жартылай өткізгіштердің фотоөткізгіштік кұбылысын оқып үйрену

 

         Жұмыстың мақсаты: фотокедергінің жұмыс істеу принципін және қасиеттерін анықтайтын негізгі физикалық заңдылықтарды оқып үйрену.

         Тапсырмалары: 1- фотокедергінің вольтамперлік және жарықтық сипаттамаларын алу. 2- сезгіштігін және кедергі өзгеруінің еселігін анықтау.

 

         Эксперимент тәсілі

         Жартылай өткізгішті, теңдігімен анықталатын (мұндағы ΔЕ -жартылай өткізгіштің тиым салу аймағының ені)  -қызыл шекарасынан асатын жиілігі  болатын жарықпен жарықтандырғанда жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігін арттыратын тепе-теңдіксіз артық ток тасымалдаушылардың пайда болуымен түсіндірілетін ішкі фотоэффект құбылысы бақыланады.

         Жартылай өткізгіштің 0-электрөткізгіштігі электрондардың концентрациясының nо және ро тепе-теңдік күйімен анықталады

                                                                  (14.1)

мұндағы  және  -электрондар мен кемтіктердің қозғалғыштықтары. Жартылай өткізгішті жарықтандырғанда тепе-теңдіксіз артық токтың  және   қосымша тасымалдаушылары пайда болады, сонда  тасымалдаушылар концентрациялары және , ал электрөткізгіштік

                              .                                      (14.2)

түрінде жазылады.

Жарықталыну бар ()және  жарықталыну жоқ кездегі (0) өткізгіштер айырмасына тең  артық (теңгерілмеген) өткізгіштік химиялық таза (меншікті) жартылай өткізгіштердегі меншікті фотоөткізгіштікті анықтайды

                                                                      (14.3)

Затта қоспа болған жағдайда жарықтың әсерінен электрондар валенттік аймақтан қоспа деңгейіне ауысу мүмкін немесе қоспа деңгейінен өткізгіштік аймаққа өтуі мүмкін (заряд тасымалдаушылардың қоспалы шығарылуы). Мұндай жартылай өткізгіштерде қоспалы фотоөткізгіштік байқалады.

         Фотокедергі немесе фоторезистор деп өткізгіштегі жарық әсерінен өзгеретін жартылай өткізгіштік құрылғыны айтамыз. Фотокедергі (ФК) - 1 оқшаулаушы пластинаға жапсырылған, 3 электродтар арасына орналасқан жұқа өткізгіш қабаттан тұратын 2 кедергі (14.1 Сурет, а). ФК қабылдау бөлігі әдетте мөлдір қабыршақпен жабылады да, квадрат тік бұрыш немесе дөңгелек пішінді болып жасалады.

14.1Сурет -Фотокедергі және оны қосу схемасы

 

         Егер ФК кернеу көзімен тізбектей қосып, жарықталмаған болса, онда тізбектен қараңғылық тогы өтеді

                                                       (14.4)

мұндағы В-фотосезгіш қабаттың геометриялық өлшемімен анықталатын коэффициент, -ФК-ге берілетін кернеу.

         ФК жарықтандырғанда фотосезгіш қабаттың өткізгіштігі (14.2) формуласына сөйкес артады және қондырғы арқылы қараңғылық ток  пен жарық ток өтеді, яғни

                                           .                                     (14.5)

         Вольтамперлік, жарықтық және спектрлік  сипаттамалар ФК-нің маңызды сипаттамалары болып табылады. Вольтамперлік сипаттамасы тұрақты Ф жарық ағынында немесе  тұрақты Е=Ф/S жарқырауда  фототоктың ФК-ге берілген  кернеуге  бйланыстылығын көрсетеді. Бұл (14.5) формуласы бойынша сызықты байланыста болады, яғни  Ом заңына бағынады (14.2 – сурет, а).

14.2 Сурет

 

         Жарықтық сипаттамада ФК-нің тұрақты кернеуінде  фототоктың

Ф жарық ағынына (немесе Е) байланыстылығы өрнектеледі. Ағынның аз мәнінде фототок ~ (14.2 сурет, б). ФК-нің жарықтық сипаттамасын білу оны бүкіл фотометрия мақсатына қолдануға мүмкіндік береді.

         Спетрлік сипаттаманы қондырғының сезімталдылығының жарық толқынына байланыстылығы береді.

         ФК сезімталдылығы деп бірлік жарық ағынына сәйкес келетін ток шамасын айтады,  яғни

          .                                                                  (14.6)

         Кедергінің өлшеу еселігі, ФК-нің қараңғылық кедергісі оның жарықтағы кедергесінің Rt /Rc  қатынасына тең.

 

14.3 Сурет

 

         Тәжірибе қондырғысының сипаттамасы

Қондырғы түзеткіштен кернеу келіп түсетін П-потенциометрден, ФК-дегі кернеуді өлшейтін В-вольтметрден тұратын ФК қосатын электрлік схемадан тұрады (14.3 сурет). ФК жарқырауы айнымалы кедергі арқылы R тұрақты ток көзінен (6 В) қоректенетін қыздыру шамының R көмегімен іске асырылады.

 

         Жұмыстың орындалу тәртібі және тәжірибе нәтижелерін өңдеу

         1 Потенциометрдің П және айнымалы R тиектерін О-дік күйіне қойыңыз.

         2 Схеманың қоректендіргішін қосыңыз.

         3 Әр түрлі Е үшін Iф= f(U) ВАС -ны алыңыз. Ток көзінен ФК-ге дейінгі әр тұрақты қашықтық үшін (немесе тұрақты Е) U -ды өзгерте отырып, миллиамперметрдің көрсетуі бойынша жарықтандырылған ФК-нің Iф мәнін өлшеп 14.1- кестеге енгізіңіз. Iқ аз болғандықтан Ic= Iф  деп алуға болады.

    14.1 К е с т е

 

U, В

 

 

 

 

 

 

 

l1

I1, мА

 

 

 

 

 

 

Ф1

l2

I2

 

 

 

 

 

 

Ф2

l3

I3

 

 

 

 

 

 

Ф3

l4

I4

 

 

 

 

 

 

Ф4

 

         Е жарықталынуы Е- J/ l2 формуласы бойынша есептеледі, мұндағы J= 1Кд -жарық күші, l-ФК-ден жарық көзіне дейінгі қашықтық. ВАС-ның сызбасын құру.

         4 Жарықтық сипаттаманы құру үшін IФ- f(Е) тәуелділігінің жоғарыда берілген өлшемдерінен (14.1 кесте)  14.2 -кестені толтырыңыз.

   14.2 К е с т е

 

 

Ф1

Ф2

Ф3

Ф4

U1

I

 

 

 

 

U2

I

 

 

 

 

U3

I

 

 

 

 

U4

I

 

 

 

 

 

         5 ВАС-дан жарық ағыны Ф мен кернеудің әртүрлі мәндері үшін К сезімталдылығын (14.6) формула бойынша анықтаңыз. Жарық ағыны Ф= ЕS формуласы бойынша есептеңіз, мұндағы S= 35 мм2

         6 Алынған нәтижелер бойынша талдау жасап, қорытындыны тұжырымдаңыз.

 

         Бақылау сұрақтары

         1 Металдағы, жартылай өткізгіштегі және диэлектриктегі энергетикалық

 аймақтар.

         2 Меншікті және қоспалы жартылай өткізгіштер.

         3 Ішкі фотоэффекті.

         4 Фотоөткізгіштік құрылысын түсіндіру. Меншікті және қоспалы

фотоөткізгіштік.

         5 Фотокедергілер, оның негізгі сипаттамалары, қолданылуы.

         6 Вентильдік фотоэффект.

 

Әдебиеттер тізімі

         1. Савельев И.В. Жалпы физика курсы. -т.2. -Алматы : Мектеп, 1977.

         2. Детлаф А,А. , Яврский, А.А. Детлаф. Курс физики.-т.3. – М.:

Высш. шк., 1988.

         3. Т.И. Трофимова Курс физики. – М.: Высш. шк., 2001 .

 

 

         ОТТ-15 зертханалық жұмыс. Жартылай өткізгішті кедергінің температураға тәуелділігін зерттеу және қоспалы жартылай өткізгіштің активизация энергиясын анықтау.

        

         Жұмыстың мақсаты: жартылай өткізгіштің электр өткізгіштігінің температураға тәуелділігін зерттеу және оның активизация энергиясын анықтау.

 

         Тапсырмалары

1        Жартылай өткізгіштің электр өткізгіштігінің температураға

тәуелділігін зерттеу; оның активизация энергиясын анықтау.

2        Терморезистордың вольт-амперлік сипаттамасын алу және берілген

жұмыс нүктесіндегі теріс динамикалық кедергіні есептеу.

        

         Әдіс теориясы

         Жартылай өткізгіштер электр өткізгіштігі металдардан төмен диэлектриктерден жоғары болатын заттарға жатады. Олардың электр өткізгіштігі сыртқы әсерлерге-қызу, сәулелену, т.б. байланысты. Кристаллды жартылай өткізгіштердің физикалық қасиеттері, дәлірек айтқанда олардың электр өтімділігі аймақтық теориямен қанағаттанарлықтай түсіндіріледі. Осы теорияға сәйкес кристалдағы электрондардың энергетикалық спектрі рұқсат етілген және рұқсат етілмейтін аймақтардан тұрады (15.1 Сурет). Рұқсат етілген аймақ кристаллдағы электрондардың ие бола алатын барлық энергия мәндерінің энергетикалық деңгейлерінен тұрады. Рұқсат етілген аймақ ені бірнеше электрон-вольт, ал деңгейлер саны кристаллдағы атомдар санына тең. Паули принципіне сәйкес электрондар рұқсат етілген аймақ деңгейлерін толтырып тұрады. Электрондармен толығымен толтырылған денгейлер валенттілік аймақ, ал жартылай немесе бос денгейлер өткізгіштік немесе еркін аймақ деп аталады. Өткізгіштік аймақ пен валенттілік аймақты бөліп тұратын рұқсат етілмеген аймақ ені  активизация энергиясына сәйкес келеді. Валенттілік аймақтағы электрондар өзінің атомынан ажырап кете алмайды, сондықтан олар ток тасмалдаушы бола алмайды. Егер сырттан  энергиядан артық энергия әсер етсе,  электрондар атомынан ажырап, еркін электронға айналады. Нәтижесінде электр өрісінің әсерінен ток тудырады. Олардың энергиясы еркін (өткізгіштік) аймақ энергетикалық деңгейлерімен сәйкес келеді. Валенттілік және өткізгіштік  аймақтағы электрондардың таралуы  Ферми-Дирак функциясымен

                                               (15.1)

сипатталады. Мұндағы функциясы Т температурадағы энергиясы, Е кванттық күйде электрондардың болу ықтималдылығын өрнектейді. -Ферми энергиясы; - Больцман тұрақтысы. Т=0 жағдайда жартылай өткізгіште ток тасымалдаушы болмайды, яғни ол диэлектрик сияқты болады.

15.1 Сурет    Т=0 жағдай                        15.2 Сурет     Т>0 жағдай

15.3 Сурет -Жартылай өткізгіштегі Т>0 жағдайдағы энергетикалық диаграмма

а) донорлық қоспамен                    б) акцепторлық қоспамен

         Жартылай өткізгіштерде ΔЕ шамасы аз болғандықтан Т>0 жағдайда электрондар жылулық қозғалыстың әсерінен валенттілік аймақтан  бос өткізгіштік аймаққа өте алады (15.2-сурет).Температура артқан сайын жылулық өту артады, яғни  ықтималдылық

                                                         (15.2)

ΔЕ шамасына пропорционал болады.

Өткізгіштік аймақта электрондардың пайда болуымен қатар валенттілік аймақта бос деңгейлер пайда болады. Сыртқы өрістің әсерінен бұл бос деңгейлер  еркін электрондардың  қозғалысына қарсы ығысады, яғни шамасы электрондардың зарядына тең оң зарядтардың қозғалысы сияқты. Оларды кемтіктер деп атайды. Кемтіктердің қозғалысына сәйкес келетін өткізгіштік-кемтіктік р-типті өткізгіштік, ал электронды өткізгіштік n-типті өткізгіштік деп аталады. Сонымен өзіндік жартылай электрөткізгіштің меншікті өткізгіштігі электронды және кемтіктік өткізгіштік болып екіге бөлінеді және

                                                                                                                     (15.3)

өрнегімен анықталады. Мұндағы - өзіндік жартылай өткізгіштегі кемтіктердің концентрациясына тең еркін электрондардың концентрациясы, -сәйкес электрондар мен кемтіктердің қозғалғыштығы ( яғни олардың кернеулігі Е= 1 В/м электр өрісі бойымен қозғалу жылдамдығы). Ток тасымалдаушылардың  концентрациясы  -ке пропорционал, сондықтан (15.2) және (15.3) өрнектеріне сәйкес электр өткізгіштік температураның артуына байланысты мына заңмен  тез артады,

                                                                                                                            (15.4)

             мұндағы  -тұрақты. Химиялық таза жартылай  өткізгіш құрамына  керекті (донорлық, акцепторлық) қоспаларды қосып, тек электронды немесе кемтікті жартылай өткізгіш алуға болады. Бұл рұқсат етілмеген аймақта донорлық және акцепторлық деңгейлердің  пайда болуымен байланысты (15.3 сурет).  шамалары донорлар мен акцепторлардың активация энергиялары деп аталады.   

             Бір типті қоспалы  жартылай өткізгіштер үшін  меншікті  электрөткізгіштік     

                                                          ,                                                         (15.5)

                                                       .                                                            (15.6)

             Акцепторлық және кемтікті қоспалы жартылай өткізгіштер үшін меншікті электр- өткізгіштік    

                                                                                                                       (15.7)

              мұндағы  - қоспалы жартылай өткізгіштің активация  энергиясы.

Жартылай өткізгіштердің  өткізгіштігінің  температураға тәуелділігін зерттеген кезде  негізінен жартылай өткізгішті кедергіні қолданады.. Өзіндік жартылай өткізгіш үшін кедергі

                                               ,                                                         (15.8)

өрнегімен, ал  қоспалы   бір типті  жартылай өткізгіш  үшін

 

                               ,                                                     (15.9)

                                ,                                                   (15.10)

акцепторлык және донорлық қоспалы    жартылай өткізгіш  үшін

                                                   (15.11)

өрнегімен анықталады.

         Активация энергиясын  қандай да бір екі Т1 және Т2 температураларға сәйкес өлшенген терморезистор кедергілері арқылы анықтауға болады.

     және ,

                   ,

осыдан активация энергиясы мынаған тең

                                .                                                 (15.12)

 

         Активация энергиясын (15.4) формуласын логарифмдеп анықтауға болады

                        ln σ =– (∆E/2k)·(1/T) ln σ.                                                     (15.13)

 

         Бұл (15.13) өрнек көлбеулік бұрышының тангенсі tgα=ΔE/2кT болып табылатын түзудің теңдеуі. Осыдан

 

                                ΔЕ=2кТtgα.                                                  (15.14)

 

          

15.4 Сурет

 

 

Құрылғы сипаттамасы

                                                            15.5 Сурет

                                                            15.6 Сурет

 

Терморезистордың вольт - амперлік сипаттамасын алу үшін 15.5- Суреттегі құрылғы сұлбасын қолданамыз. Терморезистор ашық ауада штативке бекітіледі. Қосымша R кедергі терморезистордың максимал теріс кедергісінен үлкен болуы керек. Вольт – амперлік сипаттама терморезистор мен қоршаған орта арасында жылулық тепе-теңдік болғанда алынады, сондықтан  терморезистор кернеуін өлшеу алдында терморезистордың жартылай өткізгішті материалындағы токпен есептелінетін қуат пен қоршаған ортаға одан шашыраған қуат арасында тепе теңдік орнағанша 1-2 мин. уақыт күту керек. Терморезистор тізбегіндегі токты афтотрансформатор көмегімен 2-5 мА-ге өзгерте отырып, (токты өлшегеннен соң 1-2 минуттан кейін) ток пен кернеу мәндерін өлшеп отырамыз. Бастапқыда терморезисторда  токтың артуына байланысты кернеудің артуын (сызықты ОА және АВ бөліктері), содан соң әрі қарай токты арттырсақ, кернеу азаятынын бақылаймыз (ВС бөлігі). ВС аралығында терморезистордың RД=ΔU/ΔI динамикалық кедергісі теріс болады. Жартылай өткізгіштің температураға тәуелділігін алу үшін 15.6-Суреттегі сұлба қолданылады.

Жұмыстың орындалу реті

         Тапсырма 1. Терморезистордың вольт – амперлік сипаттамасын алу (ВАС)

         1 Бөлме температурасында терморезистордың вольт – амперлік сипаттамасын алу үшін құрылғы сұлбасын (15.5 Сурет) жинаңыз.Ток (мА) пен кернеуді (В) өлшеу үшін мультиметрлер қосылады.

         2  Бөлме температурасында ток күшін 0-ден 100мА-ге дейін 5мА-ден өзгерте отырып, ВАС аламыз. Кернеу мен ток күші мәндерін 15.1 Кестеге жазасыз.

4                 U = f (I) байланыс сызбасын салыңыз.

5        Бір жұмыс нүктесі үшін RД=ΔU/ΔR теріс динамикалық кедергінің

шамасын есептеңіз.

          Тапсырма 2. терморезистордың жартылай өткізгішті материалының кедергісінің температураға тәуелділігін алу R=f(T)

           1 Құрылғының сұлбасын (15.6 Сурет) жинаңыз. Терморезистор термостат ішінде орналасқан және ол тізбектің соңына жалғана отырып қызады. Терморезистор кедергісі омметрмен өлшенеді (бір мультиметр омметр ретінде қосылған), ал терморезистор температурасы мультиметрге (екінші мультиметр температураны өлшеу үшін қосылған) жалғанған термопара көмегімен анықталады.

          2 Термостатты қосып, температураны әр 10°С-ден 120°С-қа дейін өзгерте отырып, терморезистор кедергісінің температураға тәуелділігін алыңыз. Нәтижелерін 15.2 Кестеге жазыңыз.

          3 R= f(Т) және lnσ=f(1/T) байланыс сызбаларын салыңыз.Мұндағы  σ=1/R.

     4 lnσ=f(1/T) сызбасынан  -ны анықтап, (15.14) формуламен меншікті жартылай өткізгіштің ΔЕ активация энергиясын эВ-пен анықтаңыз.

 

      15.1 К е с т е

I, (мA)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U, (B)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

      15. 2 К е с т е

t0 С град

    Т (К)

   R (Ом)

     1/Т, к-1

  lnδ

ΔЕ (эВ)

 

 

 

 

 

 

    

        Бақылау сұрақтары

 

       1Аймақтық теория бойынша диэлектриктер мен металдардан жартылай өткізгіштердің айырмашылығы қандай ?

        2 Электронды және кемтікті өткізгіштік дегеніміз не ?

        3 Терморезистордың вольтамперлік сипаттамасын түсіндіріңіз.

        4 Жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігінің температураға тәуелділік сипатын түсіндіріңіз.

        5 Жартылай өткізгішті кедергінің температураға тәуелділігі қайда қолданылады ?

        6 Активация энергиясының физикалық мағынасы қандай ?

 

Әдебиеттер тізімі

                1. И.В. Савельев. Жалпы физика курсы. -т. 2. – М.: Наука, 1978.

         2. Б.М. Яворский, А.А. Детлаф.Физика курсы. -т.3- М.: Высш. шк., 1988.

         3. Т.И. Трофимова. Курс физики. – М.: Высш. шк., 2001.

 

 

А Қосымшасы 

Ең аз квадраттар әдісі 

         Эксперимент бойынша бірнеше (xi, yi) өлшенген шамалар алынсын. Олар бір-бірімен сызықты байланысқан болсын. Өлшеу қателіктеріне байланысты олардың мәндері бір түзу бойында жатпайды. Ізделінген түзуге ең  ықтимал жолын қалай табамыз ?

Алынған нүктелерден жүргізілген түзу  мәні неғұрлым аз болса, соғұрлым дәлірек болады, яғни  шамасы аз болатын а және b мәндерін табу керек. Онда dF/da=0 және dF/db=0. болуы керек. Осыған F(a,b)

және у=a+bx қойып, дифференциалдасақ, а=(ВС-АД)/(NC-A2); b=(B-Na)/A, -ны аламыз. Мұндағы А= , В= , С= ,

Д= , N – өлшеу саны, яғни (xi, yi) жұп саны

     А.1 К е с т е

№

xi, yi

 

 

1

2

…

 

 

 

 

 

 

Σ

А

В

С

Д

а

b

       

                

                                       А.1 Сурет

 

А,В,С,Д, мәндерін, содан соң а және b мәндерін есептеп кестеге жазыңыз. Кестенің соңғы қатарындағы А,В,С және Д әріптерінің орнына олардың мәндерін жазу керек.

Белгілі а және b мәндері бойынша у=a+bx байланыс теңдеуін пайдаланып, (х,у) остерінде теориялық түзуді саламыз.

 

Мазмұны

 

Кіріспе........................................................................................................................3

ОТТ–8 зертханалық жұмыс. Фотоэлементтің сипаттамаларын зерттеу..............4

ОТТ-9 зертханалық жұмыс.Стефан–Больцман тұрақтысын анықтау.................8

ОТТ – 10 зертханалық жұмыс.  Стефан – Больцман заңын тексеру..................11

ОТТ–11зертханалық жұмыс.Жұтылу спектрі арқылы Планк тұрақтысын анықтау....................................................................................................................13

ОТТ – 12 зертханалық жұмыс.  Мыс ионының дифракциясын бақылау..........17

ОТТ – 13 зертханалық жұмыс. Жартылай өткізгішті диод жұмысын оқып үйрену......................................................................................................................20

ОТТ–14 зертханалық жұмыс. Жартылай өткізгіштердің фотоөткізгіштік құбылысын оқып үйрену........................................................................................24

ОТТ –15 зертханалық жұмыс. Жартылай өткізгішті кедергінің температураға тәуелділігін зерттеу және қоспалы жартылай өткізгіштің активизация энергиясын анықтау................................................................................................28

А Қосымшасы. Ең аз квадраттар әдісі..................................................................35