Описание ртутной лампы

В лампе, наполненной аргоном до давления несколько мм.рт.ст., имеется некоторое количество ртути, которая во время работы полностью испаряется и дает нужное для данной лампы давление паров ртути. Аргон введен в лампу для начального зажигания разряда. Потенциал зажигания у аргона в присутствии небольшого количества ртутного па­ра снижается, и лампа в нормальных условиях легко зажигается при включении ее в цепь переменного тока.

В момент зажигания дугового разряда через ртутную лампу идет ток в несколько ампер (8–9 А), а электроды накаляются и становятся источником электронов, питающих разряд. Температура ртутной лампы повышается, давление паров ртути увеличивается, напряжение на лампе начинает расти, ток падает и свечение, заполняющее сначала все пространство лампы, стягивается в яркий шнур шириной от 2 до 4 мм, идущий по оси трубки.

Рабочий ток через лампу не должен превышать 3,5 А. Имеющиеся в схеме конденсаторы облегчают зажигание лампы. Если лампа не загорается сразу после включения напряжения на клеммы схемы (127 В), то нажимают несколько раз кнопку К (голубая кнопка на боковой поверхности кожуха лампы).

Повторное включение горевшей лампы возможно только посла того, как она и давление паров ртути понизится настолько, что напряжение зажигания разряда станет ниже напряжения цепи, питающей лампу. Для этого обычно требуется не более 10 минут.

В целях предохранения окружающих от ожогов и от действия на глаза ультрафиолетового излучения лампу помещают в специальный кожух. Если окно кожуха не снабжено защитным стеклом, то работающему необходимо надеть очки.

Длины волн некоторых линий спектра ртути приведены в таблице 1.

Таблица 1

Длины волн некоторых линий спектра ртути

	Красный	730 нм	Желтый	579 нм	Синий	435 нм
	Красный	623,4 нм	Желтый	576,9 нм	Фиолетовый	407,7 нм
	Красный	618,8 нм	Зеленый	546 нм	Фиолетовый	404,7 нм
	Оранжевый	607 нм	Голубой	491,6 нм

Н а рис. 2 показано ориентировочное положение линий ртутного спектра.

Порядок выполнения работы

1. Проведение градуировки шкалы спектроскопа6

а) расположите спектроскоп, ртутную лампу ПРК-4 и лампу накаливания согласно схеме рис. 1;

б) под надзором преподавателя включите ртутную лампу и добейтесь четкой видимости спектральных линий;

в) осветите шкалу спектроскопа, включив лампу накаливания в розетку с напряжением ~ 220 В;

г) уменьшая до предела надежной видимости входную щель коллиматора S, пронаблюдайте расположение спектральных линий ртути на шка­ле спектроскопа. Если на шкале спектроскопа две близкие желтые линии ртути (579 нм и 576,9 нм) видны раздельно, то ширину щели кол­лиматора можно оставить в таком положении;

д) пользуясь таблицей 1 и рис. 2, отметить положение наиболее яр­ких линий ртутного спектра по шкале N, данные занести в таблицу 2:

Таблица 2

, нм
n, дел.

е) по окончании измерений постройте градуировочный график спектро­скопа, откладывая по оси абсцисс деления шкалы, а по оси орди­нат – длины волн линий ртути.

2. Определение длины волны желтой линии в спектре неона:

а) разверните спектроскоп так, чтобы перед входной щелью колли­матора можно было расположить неоновую лампу;

б) включите неоновую лампу в осветительную сеть ~220В;

в) определите положение желтой линии неона по шкале;

г) используя градуировочный график спектроскопа, определите длину волны  желтой линии неона;

д) сопоставьте экспериментально найденную длину волны желтой ли­нии неона с табличным значением.

Контрольные вопросы

1. Устройство спектроскопа. Ход лучей в спектроскопе.

2. Назовите способы получения линейчатых спектров испускания тел.

3. Спектральный анализ и его практическая ценность.

Литература

1. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. – М.: Высшая школа, 1999. – §§29.1; 29.4

2. Ливенцев И.В. Курс физики. – М.: Просвещение, 1978. – §§ 151–153

3. Лаврова И.В. Курс физики. – М.: Просвещение, 1981. – §§ 98–101

Лабораторная работа № 18

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ФОТОЭЛЕМЕНТА

Приборы и принадлежности: фотоэлемент, лампа накаливания, оптическая скамья, микроамперметр, люксметр.

Цель работы: изучение принципа действия вентильного фотоэлемента и измерение его интегральной чувствительности.

Внешний фотоэффект можно наблюдать в металлах. При освещении ме­талла фотон поглощается электроном проводимости, при этом увеличи­вается кинетическая энергия электрона. Если энергия превышает ра­боту выхода электрона, то электрон выходит из металла. Этот про­цесс описывается уравнением Эйнштейна:

,

где h – энергия фотона; А – работа выхода электрона; – кинетическая энергия вылетевшего электрона.

Это уравнение получено в предположении, что электроны в металле движутся независимо друг от друга, и поэтому изменение энергии одного электрона при поглощении фотона не приводит к изменению энергии других электронов, т.е. фотон взаимодействует с одним элек­троном.

Опытным путем были установлены три закона фотоэффекта:

1. Число фотоэлектронов, вырываемых с поверхности металла за едини­цу времени, пропорционально световому потоку, падающему на металл, при неизменном спектральном составе.

2. Максимальная начальная кинетическая энергия фотоэлектронов определяется частотой падающего света и не зависит от его интенсивности.

3. Для каждого металла существует красная граница фотоэффекта, т.е. максимальная длина волны ₀, при которой еще возможен фотоэффект.

Ее величина зависит от химической природы металла и состояния его поверхности и определяется из уравнения Эйнштейна.

Электрон сможет выйти за пределы металла, если сообщенная ему энергия не меньше работы выхода, т.е. h  А. Так как , то .

Внешний фотоэффект используется в вакуумных фотоэлементах (рис.1а). Внутренняя поверхность баллона покрыта тонким слоем металла. Этот слой занимает примерно 50% всей внутренней поверхности баллона и является фотокатодом. Против него оставляют прозрачное окно, через которое на катод попадает свет. Анод имеет форму рамки и располо­жен так, чтобы не препятствовать попаданию света на катод. Схема включения фотоэлемента изображена на рис.1б.

П ри освещении фотоэлемента начинается эмиссия электронов с ка­тода и в цепи возникает ток, получивший название фототока.

На рис.2 показана вольтамперная характеристика вакуумного фо­тоэлемента. Как видно из графика, сначала фототок линейно увели­чивается при увеличении анодного напряжения, так как при этом все большее число вылетевших с катода электронов достигает анода. При некотором напряжении на аноде все фотоэлектроны попадают на анод, и при дальнейшем увеличении напряжения сила тока не изменяется. Этот ток называется током насыщения. Сила тока насыщения линейно зависит от светового потока.

Основным параметром фотоэлемента является его чувствительность

,

где i – сила фототока насыщения; Ф – световой поток, вызвавший этот ток.

Различают интегральную и спектральную чувствительности фото­элемента. Интегральная чувствительность характеризует способность фотоэлемента реагировать на воздейст­вие светового потока сложного излучения. Спектральная чувствительность определяет силу фототока при воздействии монохромати­ческого светового потока. Чувствительность вакуумных фотоэлементов достигает 100 мкА/лм.

При увеличении силы фототока иногда баллон фотоэлемента заполняют инертным газом при давлении 1–10 Па. Такие фотоэлементы называются газонаполненными. При большом анодном напряжении в этих фотоэлементах происходит ударная ионизация атомов газа эмиттировавшими с катода электронами. В результате этого в создании тока участвуют не только фотоэлектроны, но и электроны и ионы, полу­ченные при ионизации газа. Чувствительность газонаполненных фо­тоэлементов достигает 150–200 мкА/лм.

Внешний фотоэффект находит применение в фотоэлектронных фотоумножителях (ФЭУ) и электронно-оптических преобразователях (ЭОП). ФЭУ применяют для измерения световых потоков малой интенсивности. С их помощью можно определить слабую биолюминесценцию. ЭОП применяют в медицине для усиления яркости рентгеновского изображения, в термографии – для преобразования инфракрасного излучения организма в видимое.

Внутренний фотоэффект наблюдается в полупроводниках. Энергия фотонов передается электронам полупроводников. Если эта энергия h больше ширины W запрещенной зоны, то электрон переходит в чис­том полупроводнике из валентной зоны в зону проводимости. В при­месных полупроводниках поглощение фотона ведет к переходу электрона с донорных уровней в зону проводимости или из валентной зоны на акцепторные уровни. Таким образом, при освещении полупроводников увеличивается их проводимость. На этом явлении основано действие фоторезисторов.

Фоторезисторы изготавливают на основе сульфида кадмия, сернистого свинца и др. Светочувствительные элементы помещают в пластмассовый или металлический корпус. Фоторезисторы имеют значительно большую чувствительность, чем фотоэлементы с внешним фотоэффектом. Значе­ние чувствительности их может достигать величины порядка 1 А/лм. Однако с повышением чувствительности возрастает инерционность фоторезистора, что ограничивает возможности их использования при ра­боте с переменными световыми потоками высокой частоты. Фоторезисторы применяются в фоторелейных устройствах, а также в фотометри­ческой аппаратуре для измерения световых характеристик.

Особый практический интерес представляет вентильный фотоэффект (фотогальванический фотоэффект), возникающий при освещении контакта полупроводников с р- и n-проводимостью. Сущность этого явле­ния заключается в следующем: при контакте полупроводников р- и n-типа создается контактная разность потенциалов, которая препят­ствует дальнейшему переходу основных носителей через контакт: дырок – в n-область и электронов – в р-область (см. работу № 12). При освещении р-n-перехода и прилегающих к нему областей в полупро­водниках наблюдается внутренний фотоэффект, т.е. образуется электронно-дырочные пары. Под действием электрического поля р-n-пере­хода образовавшиеся заряды разделяются: неосновные носители прони­кают через переход, а основные задерживаются в своей области, в результате чего накапливаются заряды и на р-n-переходе создается добавочная разность потенциалов (фотоэлектродвижущая сила).

Фотоэлектродвижущая сила, возникающая при освещении контакта монохроматическим потоком света, пропорциональна его интенсивности, так как она определяется числом образующихся электронно-дырочных пар, т.е. количеством фотонов.

Преимущество вентильного фотоэлемента заключается в том, что для его работы не требуется источник питания, так как в них самих под действием света генерируется электродвижущая сила. Если замкнуть цепь, содержащую фотоэлемент, то в ней возникнет ток.

Интегральная чувствительность вентильных фотоэлементов значитель­но превышает чувствительность вакуумных фотоэлементов. Она может достигать несколько тысяч микроампер на люмен. Вентильные фотоэлементы изготавливают на основе селена, германия, кремния, сернистого серебра и др. Кремниевые и некоторые другие типы фотоэлементов используются для солнечных батарей, применяемых на космических ко­раблях для питания бортовой аппаратуры. Вентильные фотоэлементы применяются также в фотометрии для измерения светового потока и освещенности, что используется в санитарно-гигиенической практике.

Освещенность складывается из освещенности Е₀, создаваемой источ­ником света, и фоновой освещенности Е_Ф:

Е = Е₀ + Е_Ф.

Интегральная чувствительность фотоэлемента находится по формуле

. (1)

Из закона фотометрии известно, что

 = ES, (2)

где S – площадь освещаемой поверхности.

Освещенность, создаваемая точечным источником света, равна

, (3)

где I – сила света источника; R – расстояние от источника света до фотоэлемента. Подставив (2) и (3) в формулу (1), получим формулу для определения интегральной чувствительности фотоэлемента:

. (4)