Министерство образования и науки Российской Федерации 9 страница

з аряда - электронов. В полупроводниках световые кванты - фотоны, поглоща­ются с образ ованием пары электрон-дырка. При облучении светом р-п-перехода может происходить внутренний фотоэффект, при котором фотоны поглощают­ся с образованием пары электрон-дырка. Под действием электрического поля, имеющегося в области р-п-перехода, электроны из р-области будут переходить в n-область, а дырки, наоборот, в p-область. Эти потоки через р-п-переход бу­дут больше обратных потоков, в результате создается фото-э.д.с. (вентильный фотоэффект). На выводах диода между р- и п- областями образуется разность потенциалов.

rp *s *

I аков принцип действия солнечных элементов.

Рис. 10.2. Спектры излучения красного (а) и инфракрасного (б) светодиодов

Вентильный фотоэффект в светодиодах и полупроводниковых детекторах [7] используется также для регистрации излучения (видимого, инфракрасного, рентгеновского, гамма-излучения) и быстрых электронов. Селективная (изби­рательная) чувствительность светодиодов к определенным узким интервалам длин волн позволяет анализировать (приближенно) спектральный состав излу­чения без пространственного разделения светового пучка с помощью призм и дифракционных решеток (см. работы 3.5, 3.6).

*Массовое производство солнечных элементов начнется в 2011 г. в г. Чебоксары на круп­нейшем заводе тонких солнечных пленок (на базе ОАО “Химпром”), см. http://energyland.info/news-show-38047, http://www.promti.ru/trub/b06/8, http://www.giprosintez.ru/News/2008/08-10-16.html,

http://www.hydrogen.ru/modules.php?op=modload&name=News&file=article&sid=642, http://aenergy.ru/428#more-428, http://gov.cap.ru/hierarhy.asp?page=./18/170730/510702.

Красный и инфракрасный светодиоды со спектрами и лучения на рис.10.2 имеют узкие (из бирательные или селективные) спектральные диапаз о- ны чувствительности.

В определенных пределах величина фото-э.д.с. прямо пропорциональна потоку энергии, падающему на светодиод или полупроводниковый детектор излучений [30]. Благодаря этому светодиоды и полупроводниковые детекторы можно использ овать для измерения интенсивности спектров или энергий рент­геновских и гамма-квантов и электронов.

3. Спектральная плотность излучения ламп накаливания

Важнейшим примером излучения со сплошным спектром длин волн от 0 до го является тепловое излучение - электромагнитное излучение атомов и мо­лекул вещества, возбужденных вследствие их теплового движения. На интервал длин волн от X до Х + dX приходится часть dФ_Х потока энергии излучения, испускаемого по всем направлениям единицей поверхности нагретого до тем­пературы Т тела з а единицу времени

d Ф_Х = r_XTd X (10.1)

Функция г_ХТ называется испускательной способностью тела или спек­тральной плотностью и лучения. В системе единиц СИ она и меряется в Дж-м^-3-с^-1.

Поглощательной способностью тела на ывается бе ра мерная величина

^аХТ = 4^ф- • (10.2)

^{d ф}х

где d Ф_Х - поток энергии, падающий на тело в интервале длин волн от X до Х + dX,а dФ'_Х - поток энергии, поглощенный телом в том же интервале. Тело, для которого а_ХТ = 1, называется абсолютно черным, тело с нез ависящей от X поглощательной способностью а_Т < 1 - серым. Согласно з акону Кирхгофа, от­ношение г_ХТ и а_ХТ является универсальной функцией, не зависящей от приро­ды тела

r

= f (X, Т). (10.3)

^aXТ

В данной работе изучается спектральная плотность излучения вольфра­мовой нити лампы накаливания. В видимом и ближнем инфракрасном диапа о- нах (для длин волн от 400 до 1000 нм) поглощательная способность вольфрама (материала нитей накала ламп) меняется нез начительно: а_ХТ — 0,43. По отно­шению к и лучению и ука анного интервала длин волн его можно считать се­рым телом. В более дальней инфракрасной области металлы имеют малую по­глощательную способность из-за большой отражательной способности B (см. рис. 10.3)

а_ХТ = 1 - B, (10.4)
что снижает их испускательную способность r_XT = a_XTf (X, T) и интенсивность теплового излучения по сравнению с черным телом в этом диапазоне длин волн. Поэтому основное излучение ламп накаливания с металлической нитью приходится на видимое и лучение и ближнюю инфракрасную область. Хотя область применения этих ламп неуклонно сокращается и - а их неэкономично­сти, нить накала является удобным объектом для измерений теплового излуче­ния, а также ярким “предметом” для построения изображений с помощью линз (см. работу 3.2).

	/		г		---------------	- р*
	Rh/\
			ш
	\J

Рис. 10.3. Отражательные способности некоторых металлов (из [6])

о,1 ол о,ч 0.6 о,8 j г

Длина волны А_} мх

Нити накала электрических ламп (из проволоки в форме двойной спира­ли) и готавливают и вольфрама, температура плавления которого высока - 3700 К. Вольфрам выносит длительное нагревание лишь до температуры 2700 К вследствие потерь на испарение. При температурах вольфрамовой нити в ва­куумных лампах от 2400 К до 3300 К их срок службы составляет от 1000 до 5 ч соответственно.

Наполнение баллонов ламп инертными га ами (например, смесью крип­тона и ксенона с добавлением а ота) уменьшает испарение вольфрама и по во- ляет увеличить температуру нити до 3000К. Галогенные лампы накаливания наполняют ксеноном с добавками йода I₂ или летучих химических соединений брома Br для обеспечения обратного переноса испарившегося вольфрама со стенок колбы обратно на нить в з амкнутом химическом цикле. Это увеличивает срок действия лампы до 2000 ч при температуре 3200 К. Для осуществления га­логенного цикла оболочка лампы должна иметь температуру около 500 К. По­этому обычно колбой галогенных ламп служит у кая кварцевая трубка, вдоль которой располагается вольфрамовая спираль или кварцевый цилиндр с телом накала. Для увеличения температуры оболочки бытовые галогенные лампы вы­пускаются с ра мещением компактной колбы лампы во внешнем герметичном корпусе с отражателем.

Вид функции f (X, T) в формуле (10.3) установлен в 1900 г. М.Планком

на основе постулата, что излучение с частотой V (длиной волны X) испускает­ся порциями (квантами) с энергией

8 = hv = hc/ X, (10.5)
где с - скорость света, h - фундаментальная физическая постоянная, названная постоянной Планка. В конечном итоге это привело к открытию квантовой фи- з ики. Формулу Планка часто представляют в виде

cc 1 hc f (X, Т) = ^гу т ^, С = 8nhc, c₂ = —,---------------- (10.6)

4Х⁵

С_

ХТ

где k - постоянная Больцмана, с - скорость света, величины с_х и с₂ называют­ся первой и второй радиационными постоянными или первой и второй констан­тами излучения. В случае ХТ << с₂, справедливом при Т < 3000К и X < 1000 нм (как в данной работе), можно использовать приближенное выражение (см. рис. 10.4)

					(10.7)

Примеры графиков функции f (X, Т) (10.7) для двух температур показ а- ны на рис. 10.4.

ЯКТ)!с_х

Рис. 10.4. Графики функции f (X, Т) (10.7) на интервале

длин волн от 0,6 мкм до 1,0 мкм

X, мкм

Отношение функций f (X, Т) (10.7) для двух температур Т, Т' при фик­сированной длине волны X равно

			Т'				(10.8)

В примере на рис. 10.4 при увеличении температуры от 2000 К до 2500 К при X — 0,66 мкм значение функции f возрастет в 10 раз, а при X — 0,88 мкм -

в 5,5 раз. Отношение функций f (X,Т) (10.7) для двух длин волн Х_р X₂ и фик­сированной температуре Т равно

			(10.9)

где AX = X ₂ — X₁. В примере на рис. 10.4 при увеличении длины волны от 0,66 мкм до 0,88 мкм з начение функции f возрастет в 4 раз а при температуре 2000К и в 2,2 раза при температуре 2500К. Измерения отношений (10.8), (10.9) можно использ овать для нахождения температуры T' по известному значению температуры T.

Стекло, из которого сделана колба лампы, может по-разному ослаблять излучение с разными длинами волн. Поэтому в видимой и ближней инфракрас­ной областях спектральная плотность и лучения лампы накаливания может от­личаться от спектральной плотности излучения нити накала, рассматриваемой как серое тело с a_T ~ a

F (X,T) = af(X,T) S (X), (10.10)

где 0 < S (X) < 1 - коэффициент поглощения стекла. Пусть два светодиода с длинами волн X₁ < X₂ излучения/поглощения поглощают потоки энергии АФ^, АФ^ излучения лампы накаливания в интервалах длин волн AX₁, AX₂

АФ^ = aS (X₁) f (X₁, T)AX₁, АФ^ = aS (X ₂) f (X ₂,T)AX₂. (10.11) Если вентильные фото-э.д.с. V₁, V₂ прямо пропорциональны падающим

световым потокам AФ_X, AФ_X:

^X1 ^X2

V, = K^_X| = [ KflS (X,)AX, ] f (X„ T), (10.12)

V₂ = K₂ AO_Xi =[ K₂ aS (X ₂)AX ₂ ] f (X₂, T), (10.13)

то они прямо пропорциональны и з начениям функции f (X, T) f (X1, T) = A1V1, f (X2, T) = A2V2, (10.14)

где A₁ =[aK₁S(X₁)AX₁ ] ¹, A₂ =[aK₂S(X₂)AX₂] ¹. Тогда из формул (10.9), (10.14) следует

_T f(X₂,T) _T A₂V_{2 t} A_{2 1} V₂ c₂AX X_{2 /1Л1СЧ}

ln^-^—' = ln^A = ln — + ln— = —----------------- 5ln —. (10.15)

f (X„ T) A1V1 A V1 TX1X2 ^ X1 Запишем эту формулу для двух температур T, T и найдем разность двух выражений

_л A₂ V₂ c₂ AX _сл X ₂

ln — +ln — = —--------- 5ln —, (10.16)

A1 V1 TX1X2 X1

_T A_{2 1} V₂' c₂AX _С1 X₂

ln — +ln-^ = —^--------- 5ln —, (10.17)

A₁ V' T X₁X ₂ X₁

ln Vf = -C2AX — JiAL. (10.18)

V₂V₁ TX₁X₂ TX₁X₂

^Г V-W* ¹

1 — Td ln - ^{2 1}

Отсюда следует формула для определения температуры T' T ' = T

где

^Х1^Х 2

c₂ АХ

Из формулы (10.8) следует еще одна формула для определения темпера­

туры

			(10.21)

4. Измерение световой характеристики светодиодов

В данной работе в качестве приемников-измерителей интенсивности теп­лового излучения используются красный и инфракрасный светодиоды с длина­ми волн селективного поглощения 655±10 нм и 880±40 нм, (см. рис. 10.2). Блок со светодиодами и лампы накаливания в корпусах устанавливаются на рейтерах на оптической скамье. Измерения необходимо проводить в таких условиях, ко­гда посторонний свет не падает на светодиоды. Светодиоды освещаются 12-ти вольтовой лампой накаливания, установленной вертикально в корпусе с не­большим отверстием в стенке на одном уровне с нитью накала. Нить накала лампы имеет малые размеры и может рассматриваться как точечный источник света. На светодиод с площадью светочувствительного слоя S от лампы падает световой поток

Ф=М. (10.22)

где J - сила света лампы, w=S/l - телесный угол, l - расстояние до точечного источника света. Поскольку световой поток обратно пропорционален квадрату

расстояния Ф ~ 1/l², для проверки выполнения соотношений (10.12), (10.13) достаточно построить графики У₁₂ = F (х), где х = l^_2.

Выполните из мерения в следующем порядке:

1. Добейтесь, чтобы посторонний свет не попадал на блок светодиодов. Установите лампу накаливания на расстоянии l=15 см от светодиодов и вклю­чите ее тумблером на блоке питания. Поворотом регулировочной ручки на блоке питания установите максимальную (или промежуточную, по ука анию преподавателя) яркость лампы, апишите по три пока ания мультиметра (фото- э.д.с. У) для красного и инфракрасного светодиодов в табл. 10.2.

Таблица 10.2

№	l, м	X = l “^2, м^-2	Фото-э.д.с. светодиодов, мВ
красного	инфракрасного
							<У2 >
	0,15
	0,20
	0,25
	0,30
	0,40

Перемещайте лампу дальше от светодиодов вплоть до 40 см, устанавли­вая расстояния из колонки l табл. 10.2, измерьте по три значения фото-э.д.с. светодиодов V и найдите средние з начения <V₁>, <V₂ >.

2. Для каждой длины волны излучения постройте (точками) световые ха­рактеристики - графики <V> = F(x), добавив к ним точку с координатами (0,0).

При построении обоих графиков на одном листе значения фото-э.д.с. V для инфракрасного светодиода следует уменьшить в 10 ра. Для построения графи­ков удобно использовать программы Advanced Grapher (см. Прил. 2), Microsoft Excel или Open Office.org Calc. Проведите через точки (з а возможным исклю­чением точек, наиболее удаленных от начала координат) сглаживающие пря­мые. На двух графиках найдите максимальные значения V_{1 max}, V_{2 max} ниже ко­торых графики <V > = F (x) для светодиодов являются почти линейными.

5. Определение температуры1 нити накала лампы1

Для определения температуры нити накала исполь уется еркальная лам­па R39 мощностью 30 Вт с нитью накала большого размера и регулятором си­лы свечения. Угол поворота ручки регулятора может измеряться по шкале (в градусах). Лампа установлена гориз онтально в цилиндрическом корпусе. Бла­годаря еркальному отражателю она со дает достаточно однородный световой поток, выходящий и отверстия в основании цилиндрического корпуса. Вы­полните и мерения в следующем порядке.

1. Включите лампу и поверните ручку регулятора на угол 30°. Разверните корпус лампы, так чтобы ее нить была видна через окуляр оптического пиро­метра (см. работу 3.9). П-образ ная форма нити накала облегчает сравнение ее яркости с яркостью нити лампы пирометра. Измерьте температуру t нити на­кала (в °С), определите ее абсолютную температуру T (в К), внесите эти з на­чения в табл. 10.3. По указ анию преподавателя можно использ овать из вестное з начение T=1350°С.

2. Установите корпус лампы на таком расстоянии от светодиодов, что бы при максимальном накале лампы фото-э.д.с. обоих светодиодов не превышали предельных значений V_{1 max}, V_{2 max}, внесите в отчет расстояние между

рейтерами лампы и светодиодов. Поверните ручку регулятора на угол 30°. И - мерьте два значения фото-э.д.с. светодиодов V, найдите средние значения <V₁ >, <V₂ >, внесите их в табл. 10.3.

3. Повторите такие же и мерения, увеличивая угол поворота регулятора на 30° (по указ анию преподавателя) до 150°, найдите средние з начения <V₁">, <V₂>, внесите в табл. 10.3. После з авершения измерений выключите лампу.

Угол по­ворота регулято­ра накала

Фото-э.д.с. светодиодов, мВ

Температура по показ аниям пирометра

красного

инфракрасного

У1>

(У2 >

Уг > Ух)

t

T

^3 о о

Температура T'

Ж)

V >

(V) (У)

по формулам:

(10.19)

(10.21) для красн.

(10.21) для ИК

(T')

AT'

^6 О о

^9 О о

120°

150°

3. Подсчитайте з начение параметра d по формуле (10.20) с использ ова- нием табличного значения второй радиационной постоянной (или второй кон­станты излучения) с₂=0,01488 м-К. Для облегчения расчетов рекомендуется ис­пользовать программу SMath Studio (см. Прил. 1).

4. По данным табл. 10.3 найдите три значения температуры T' - по формуле (10.19) и формуле (10.21) для красного и инфракрасного светодиодов. Считая полученные значения членами одной выборки, найдите средние значе­ния (T') и погрешности AT'. Рез ультаты представьте в форме T' = (T') ± AT'. Переведите значения температуры из шкалы Кельвина в шкалу Цельсия. Для облегчения расчетов рекомендуется использ овать программы OpenOffice.org и Calc Microsoft Excel.

5. Постройте графики з ависимости температуры (T) от угла поворота

регулятора и от отношения <У2)/(У₁'). Последний график может использ оваться для дистанционнго и мерения температуры в пирометрии.

6. Для максимальной и минимальной из измеренных температур построй­те графики приближенной (10.7) и точной (10.6) спектральных плотностей f (X, T) в диапаз оне длин волн от 0,5 мкм до 1,5 мкм.

6. Работа с компьютерной моделью излучения абсолютно черного тела

Запустите компьютерную программу Открытая физика (версия 2.6) часть

2 и откройте в Содержании раз дел “ Квантовая физ ика. 5.1. Тепловое излучение тел”. Ознакомьтесь с теоретическим материалом, в его конце щелкните по изо­бражению модели излучения абсолютно черного тела (рис.10.5). Установите температуру черного тела 3000 К, сравните участок спектра с длинами волн от 400 до 900 нм с результатами проведенных опытов. Увеличьте температуру до 4000 К, выполните другие з адачи, указ анные преподавателем.

Рис. 10.5. Компьютерная модель излучения абсолютно черного тела

Контрольные вопросы

1. Расскажите о вентильном фотоэффекте

2. Расскажите о свойствах и применении светодиодов

3. Расскажите о свойствах инфракрасного излучения

4. Дайте определение теплового излучения.

5. Дайте определение основным характеристикам теплового излучения.

6. Перечислите з аконы теплового излучения.

7. Расскажите о формуле Планка для спектральной плотности теплового из - лучения, ее предельных выражениях при длинных и коротких волнах (ма­лых и больших частотах).

8. Расскажите о тепловом излучении металлов и свойствах ламп накаливания.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.11 ВНЕШНИЙ И ВНУТРЕННИЙ ФОТОЭФФЕКТЫ, ОСНОВЫ ФОТОМЕТРИИ

Цель работы1: изучение фотоэффекта, из мерение характеристик сурьмя- но-це иевого фотоэлемента и определение постоянной Планка; выполнение фотометрических и мерений.

Приборы1 и принадлежности: сурьмяно-цезиевый фотоэлемент с блоком питания и регистрации, оптическая скамья с рейтерами, лампа накаливания в кожухе, красный светофильтр, светодиодные источники и лучения (синий и инфракрасный), дополнительные вольтметр и амперметр (мультиметры), люксметр Ю116 (или аналогичный).

Меры1 предосторожности: Металлический кожух включенной лампы накаливания нагревается, поэтому его касаться нель я. Рейтер с лампой следует осторожно перемещать по оптической скамье и надежно акреплять при и ме- рениях. Фотоэлемент должен быть з акрыт крышкой, которая снимается только на время из мерений. После из мерений крышку следует з акрыть.

Литература: [1, §§ 202-204], [2-6],[10, Т.1, Т.5], [17,18].

План работы:

1. И учение экспериментальных и теоретических сведений о внешнем и внутреннем фотоэффектах.

2. Изучение экспериментальной установки с сурьмяно-цезиевого фото­элемента.

3. Из мерение светового потока и снятие световой характеристики фото­элемента для красного света.

4. Снятие вольт-амперных характеристик для красного и синего света.

5. Снятие вольт-амперной характеристики для инфракрасного и лучения светодиода.

6. Вычисление постоянной Планка.

7. Определение длины волны инфракрасного и лучения светодиода и оценка красной границы фотоэффекта.

8. Работа с компьютерной моделью фотоэффекта.

1. Фотоэффект

Фотоэффектом на ывается испускание электронов веществом при погло­щении им квантов электромагнитного и лучения (фотонов). Фотоэффект был открыт в 1887 г. Г.Герцем[25], который обнаружил, что искровой разряд между двумя электродами происходит при меньшем напряжении, если искровой про­межуток освещается светом с большой долей ультрафиолетового и лучения.

Первые исследования фотоэффекта выполнены А.Г.Столетовым[26]¹ (1888

*2

г.), Ф.Ленардом и Дж. Дж. Томсоном (1889 г.). Основные закономерности фо­тоэффекта были объяснены в 1905 г. А.Эйнштейном на основе представлений о поглощении энергии электромагнитного поля квантами. За работы по фотоэф­фекту Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия по физике (1921 г.).

Процесс поглощения фотона свободным электроном невозможен, по­скольку для него не могут быть одновременно выполнены аконы сохранения энергии и импульса. Возможным является лишь рассеяние фотона на свобод­ном электроне - поглощение исходного фотона электроном с испусканием им нового фотона. Электрону передается часть энергии первичного фотона, в ре­зультате чего энергия вторичного фотона оказывается меньше, чем первичного. Такой процесс называется эффектом Комптона (см. работу 3.12). В присутствии третьего тела (например, ядра атома) в веществе становится во можным по­глощение фотона атомным электроном или электроном, свободно движущемся внутри металла.

Различают два вида фотоэффекта: внешний и внутренний. При внешнем фотоэффекте, на ываемом также фотоэлектронной эмиссией, электроны выле­тают с поверхности освещенного металла. Внутренний фотоэффект - вырыва­ние электрона из атома или молекулы наз ывают фотоиониз ацией. Такой про­цесс в твердых телах приводит к во никновению в них свободных носителей аряда - электронов. В полупроводниках при этом во никают еще и положи­тельные свободные з аряды - дырки. Внутренний фотоэффект приводит к появ­лению фотопроводимости, а при пространственном ра делении электронов и дырок - к возникновению вентильной фото-э.д.с. (см. работу 3.10).

Дата добавления: 2015-11-04