Порядок выполнения задания 1.2

1. Установить рефрактометр так, чтобы свет от окна (неяркий) освещал верхнее окно прибора, через это отверстие свет попадает на осветительную призму.

2. Осторожно открыть верхнюю часть рефрактометра и на гладкую поверхность нижней призмы аккуратно, чтобы не поцарапать поверхность призмы, при помощи пипетки поместить несколько капель исследуемой жидкости.

3. Закрыть прибор и, смотря в окуляр, добиться хорошего освещения поля зрения, поворачивая рефрактометр против света.

4. Если в поле зрения окуляра нечетко видны деления, осторожно поворачивая окуляр, установить четкую видимость шкалы по своему глазу.

5. Если граница светотени имеет радужную окраску, то, вращая рукоятку компенсатора, добиться исчезновения радужной окраски.

6. Для определения показателя преломления (левая шкала) или процентного содержания сахара в растворе (правая шкала) вращением правой рукоятки добиться совпадения трёх чёрточек с границей светотени.

7. Измерения проделать не менее трёх раз.

8. После измерений осторожно, чтобы не поцарапать поверхность призмы, очистить поверхность ватой, смоченной дистиллированной водой.

9. Результаты измерений для всех растворов занести в табл.1.2.

10. Построить график зависимости показателя преломления n от концентрации раствора.

Таблица 1.2

Контрольные вопросы к заданию 1.2

1. Что называется абсолютным и относительным показателем преломления?

2. Что такое полное внутреннее отражение?

3. Что называется предельным углом полного внутреннего отражения?

4. Как зависит показатель преломления раствора от концентрации?

5. Что представляет собой оптическая схема рефрактометра?

Рекомендуемая литература: [2], [5], [6], [7], [10], [12]

Лабораторная работа 2

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ФОТОЭФФЕКТА

Задание 2.1. Проверка закона обратных квадратов

Приборы и принадлежности: фотоэлемент (селеновый); микроамперметр или универсальный цифровой вольтметр; осветитель; линейка.

Цель задания: экспериментальная проверка закона обратных квадратов.

Краткая теория

Фотоэффект устанавливает непосредственную связь между электрическими и оптическими явлениями. Под действием света с поверхностей металлов и некоторых полупроводниковых материалов могут вырываться электроны. Это явление называется внешним фотоэффектом (или внешней фотоэмиссией).

В полупроводниках также наблюдаются внутренний и вентильный фотоэффекты. Внутренний фотоэффект (или фотопроводимость) - явление возникновения внутри полупроводника избыточных носителей тока (электронно-дырочных пар) при поглощении оптического излучения, в результате чего увеличивается проводимость полупроводника.

Вентильный фотоэффект наблюдается при освещении контактной области двух полупроводников n- и p-типов проводимости (p-n-переход) и состоит в возникновении фотоэлектродвижущей силы в отсутствии внешнего поля. Объясняется это следующим образом. При контакте полупроводников n- и p-типов возникает, как известно, контактная разность потенциалов (запирающий слой), таким образом, в области p-n-перехода имеется встроенное внутри поле. При освещении p-n-перехода в p- и n-областях вследствие внутреннего фотоэффекта образуются электронно-дырочные пары, которые, попав в область действия p-n-перехода, будут им разделены так, что электроны перейдут в n-область, а дырки - в p-область. Избыток концентрации электронов в n-области и дырок в p-области и означает возникновение э.д.с. Если на n- и p-области нанести металлические контакты и подсоединить внешнюю нагрузку, то при освещении p-n-перехода через нее потечет электрический ток. Аналогичные явления возникают и при контакте металла с полупроводником. На описанном принципе работают фотоэлектрические преобразователи, часто называемые солнечными элементами.

Вентильный фотоэффект иначе называют фотоэффектом в запирающем слое.

Приборы, устройство которых основано на явлениях фотоэффекта, называются фотоэлементами. Они очень разнообразны по своей конструкции и типу и находят широкое применение в технике. Различают фотоэлементы с внешним фотоэффектом, так называемые вакуумные или газонаполненные, фотоэлементы, основанные на внутреннем фотоэффекте, - фоторезисторы и на фотоэффекте в запирающем слое - фотодиоды. В задании 1 используют селеновый фотоэлемент с запирающим слоем, в задании 2 - электровакуумный фотоэлемент.

Селеновый фотоэлемент (рис. 2.1) представляет собой p-n- переход из селена p-типа А, селенида кадмия n-типа C, нанесенный на стальную подложку М. Фоточувствительный слой защищен от внешних воздействий пленкой прозрачного лака. Если n-слой соединить через гальванометр со стальной подложкой, контактирующей с p-областью, и осветить p-n-переход, то под действием падающего излучения и внутреннего поля p-n-перехода в n-области появятся избыточные электроны, а в p-области - дырки. В результате гальванометр покажет наличие тока I в цепи. Этот ток называется фототоком. В таком фотоэлементе лучистая энергия падающего света непосредственно будет переходить в энергию электрического тока.

Рис. 2.1. Устройство селенового фотоэлемента: А - Se р-типа; С - CdSe n-типа; В - область р-n-типа; М - стальная подложка; G - гальванометр

Освещённостью (при использовании фотометрических величин) называют отношение светового потока к площади освещаемой поверхности. Для количественных определений принят эталон единицы силы света - кандела. За единицу светового потока принимается световой поток, испускаемый внутри единичного телесного угла точечным источником света в одну канделу. Эта единица носит название «люмен». За единицу освещенности принимается освещённость, создаваемая на поверхности сферы радиусом в 1 м помещенным в её центре изотропным источником света, силой света в одну канделу. Эта единица носит название «люкс»: 1 лк = 1 лм / м². Диапазон спектральной чувствительности фотоэлемента - 0,4–0,7 мкм, максимум спектральной характеристики - 0,5–0,6 мкм.

Для точечного источника света освещённость поверхности, т.е. световой поток, падающий на единицу площади, изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния между источником света и освещённой поверхностью.

Представим себе две концентрические сферы радиусом r' и r", в центре которых помещён точечный источник Р (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Иллюстрация к выводу закона обратных квадратов

Рассмотрим световой поток, излучаемый точечным источником света Р в пределах телесного угла w. Обозначим этот поток Ф(w). Освещённость площадки s', расположенной на первой сфере:

.

Освещённость площадки s'', расположенной на второй сфере:

.

Разделив одно равенство на другое, получим выражение известного закона обратных квадратов:

. (2.1)

Для вывода этого закона сделано три допущения:

1. источник света принят за светящуюся точку;

2. свет не испытывает поглощения в среде, в которой он распространяется;

3. световой поток внутри данного телесного угла однороден.

Эти допущения возможны, поскольку размеры источника света берутся достаточно малыми; свет распространяется в воздухе, где поглощением света при небольших расстояниях можно пренебречь; световой поток для электрических лампочек в пределах направлений, перпендикулярных нитям, на небольших расстояниях можно считать однородным.

На практике приходится измерять не освещенность, а силу фототока при данном освещении фотоэлемента.

Если I' и I'' - силы фототока при освещении поверхностей s' и s'', то, учитывая линейную зависимость фототока от освещенности фотоэлемента, можно записать

. (2.2)

Сравнивая равенства (2.1) и (2.2), имеем

. (2.3)

Следовательно, работа сводится к измерению силы фототока I на различных расстояниях r фотоэлемента от источника света.