Монохроматор УМ-2

Универсальный монохроматор для видимой области спектра УМ-2 разработан в начале 50-х годов. Прибор оказался настолько удачным, что он до сих пор серийно выпускается нашей промышленностью.

Оптическая схема УМ-2приведена на рис.5. Свет от источника проходит через входную щель 1, установленную в фокусе ахроматического объектива коллиматора 2 и далее параллельным пучком падает на диспергирующий элемент – призму Аббе 3. Фокусное расстояние объектива f₁ = 280 мм, а диаметр его D = 47 мм. Поэтому относительное отверстие равно 1:6, т.е. это прибор средней светосилы.

Рис. 5. Оптическая схема монохроматора УМ-2

Призма Аббе является не только диспергирующим элементом, но также отклоняет любой луч, идущий через нее под углом наименьшего отклонения, на 90° (рис.6). Призма делается из трех склеенных призм, одна из которых является поворотной.

От объектива коллиматора на призму падает параллельный пучок немонохроматического света. На входной грани призмы в силу дисперсии лучи различных длин волн преломляются по-разному. Один из лучей пойдет под углом наименьшего отклонения, т.е. параллельно основанию 1-й призмы и под углом 45° отразится от гипотенузной грани поворотной призмы полного внутреннего отражения и пройдет параллельно основанию 3-й призмы. Далее этот луч попадает на границу стекло-воздух, снова преломляется и выходит из призмы вдоль оптической оси приёмной части прибора. Призмы 1 и 3 фактически выполняют роль диспергирующей призмы.

Рис. 6. Ход лучей света через призму Аббе.

Лучи других длин волн отклоняются призмой на иные углы и выходят из нее параллельными пучками, не совпадающими с оптической осью.

Столик, на котором установлена призма, делается поворотным и вращается барабаном с отсчётами длин волн. Это позволяет вывести на оптическую ось прибора параллельный пучок лучей определенной длины. При этом угол 90° между входящим в призму и выходящим пучками данной сохраняется. Ахроматический объектив камеры 4 собирает все параллельные лучи различных длин волн в своей фокальной плоскости. Окуляр 6 служит для визуального отсчета положений спектральных линий. В комплект прибора входят сменные выходная щель и окуляр.

Выходная щель устанавливается на пересечении оптической оси прибора и фокальной плоскости объектива камеры. За щелью ставят фотоприемник и регистрирующий прибор. Поворачивая барабан длин волн (и призму) и фиксируя показания прибора, можно снять спектр, подобный изображенному на рис 4,б.

В данной работе используется визуальный метод наблюдения с помощью окуляра, который устанавливается вместо щели. В поле зрения окуляра оказывается не одна линия (как за выходной щелью), а несколько (рис 7).

Для индикации луча, идущего вдоль оптической оси прибора, в фокальной плоскости объектива камеры устанавливается игла 5, силуэт которой виден через окуляр вместе с изображениями спектральных линий (рис.7). Та из линий, которая совпадает с острием иглы, выведена на оптическую ось прибора. Ее положение фиксируется на барабане длин волн против риски указателя делений.

Изображение барабана установки ширины входной щели (1 на рис.9) представлено на рис. 8. Вращением по часовой стрелке барабанчика установки ширины входной щели (рис.8) можно щель открывать, в обратную сторону – закрывать. Сотые доли миллиметра указаны на верхнем торце барабанчика вертикальными штрихами. При установке щели нужное деление совмещают с вертикальной чертой на основании барабанчика. Пять горизонтальных черточек на основании соответствует первоначальному раскрытию щели на 0-1-2-3-4 мм. Один полный оборот барабанчика соответствует открытию щели на 1 мм. Положение барабанчика щели, показанное на рис.9, является недопустимым, так как при этом щель “зашкалена” за 0 и ее ножи плотно прижаты друг к другу. Чтобы установить требуемую ширину, необходимо:

а) поворачивая барабанчик, совместить его верхний край с горизонтальной чертой заданного числа целых миллиметров;

Общий вид монохроматора и его органы управления показаны на рис.10. Маховичок 2 фокусировки объектива коллиматора установлен при регулировке прибора и его может вращать только преподаватель или лаборант. Если наблюдаемый спектр окажется размытым, следует, прежде всего добиться максимальной (по индивидуальному глазу) резкости спектральных линий вращением окуляра 8. Призма 5 установлена на столике 4, поворот которого осуществляется вращением барабана длин волн 6 с указателем делений 7. Барабан отградуирован в углах его поворота, при этом призма поворачивается во много раз медленнее. Поэтому, подводя барабаном длин волн каждую линию спектра на острие иглы окуляра, мы фиксируем не длину волны, а угол поворота барабана. Окуляр прибора 8 имеет накатанное кольцо, вращением которого можно добиться резкого изображения спектра и иглы-указателя в поле зрения окуляра.

ФИЗИКА ТВЁРДОГО ТЕЛА

1. ЭЛЕКТРОПРОВОЛНОСТЬ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

1.1. Зонная структура твёрдых тел

Как известно, энергия атома может принимать только определённые значения. На рис. 1а изображены энергетические уровни отдельного атома. При объединении одинаковых атомов в молекулу принцип Паули запрещает электронам находиться в одном квантовом состоянии, т.е. каждый уровень энергии должен разбиться на два (рис.1б). При объединении одинаковых атомов в кристалл каждый уровень энергии атома превратится в целую зону, содержащую очень большое количество уровней, равное количеству атомов в кристалле. Расстояние между этими уровнями очень мало, поэтому можно считать возникшие зоны непрерывными.

Рис. 1. Энергетические структуры атомов и кристаллов.

Зона, образовавшаяся из наивысшего (валентного) уровня атома, на котором есть электрон, называется валентной зоной (ВЗ), а из следующего, т.е. первого свободного уровня атома, называется зоной проводимости (ЗП). Тип получившегося кристалла, т.е. будет он проводником, диэлектриком или полупроводником, зависит от взаимного расположения этих двух зон.

Если они перекрываются (рис. 1в), то при помещении образца в электрическое поле электрон, находящийся на верхнем уровне валентной зоны, может ускоряться полем и увеличивать свою энергию, поднимаясь на более высокие уровни, т.е. кристалл является проводником.

Если между зоной проводимости и валентной есть разрыв - так называемая запрещённая зона , то электрон не может двигаться в электрическом поле, так как при этом он должен увеличивать свою энергию, а соответствующие уровень энергии отсутствуют. Кристалл является диэлектриком (рис. 1г).

Полупроводники - это такие вещества, проводимость которых сильно зависит от внешних условий, в частности, от температуры. Случай полупроводника соответствует малой величине запрещённой зоны. Тогда при температуре абсолютного нуля образец является диэлектриком. Но при повышении температуры Т электрон перестают занимать только нижние разрешённые уровни. Размытие их распределения по энергии примерно равно , где - постоянная Больцмана. Если величина сопоставима с шириной запрещённой зоны, то значительное электронов переходит с верхних уровней валентной зоны на нижние уровни зоны проводимости (рис. 1д). При этом в валентной зоне образуются свободные места — «дырки», на которые могут переходить электроны с нижних уровней, освобождал при этом свои места, на которые могут придти другие электроны снизу. Этот процесс можно описать как движение дырки вниз. Процесс перемещения дырки аналогичен движению пузырька в стакане лимонада, когда на самом деле движется вода, но мы видим движение пузырька.

Дырки в валентной зоне и находящиеся в зоне проводимости электроны могут двигаться в электрическом поле, создавая электрический ток. При повышении температуры количество таких электронов (и, соответственно, дырок) сильно увеличивается, что приводит к резкому уменьшению сопротивления.

Выше описанная ситуация, когда количество дырок в точности равно количеству электронов проводимости, имеет место в так называемых собственных полупроводниках. В технике чаще используются примесные полупроводники - и -типа. В примесных полупроводниках основной кристалл имеет широкую запрещённую зону, т.е. является диэлектриком, но в него введено определенное количество донорной (для -типа) или акцепторной (для -типа) примеси, т.е. атомов, имеющих уровень, находящийся внутри запрещённой зоны основного кристалла.

В полупроводниках -типа этот уровень расположен вблизи дна зоны проводимости (рис. 1е). Электроны с этого уровня переходят в зону проводимости и обеспечивают электропроводность, сильно зависящую от температуры. При этом дырки не образуются, так как электроны из валентной зоны отделены от донорного уровня широкой запрещённой зоной и не могут занять освободившееся на нем место.

В полупроводниках -типа уровень расположен в запрещённой зоне вблизи верха валентной зоны (рис. 1ж). Электроны с верхних уровней валентной зоны переходят на примесный уровень, образуя дырки, обеспечивающие электропроводность. При этом электроны проводимости отсутствуют, так как примесный уровень отделён от дна зоны проводимости широкой запрещённой.

Таким образом, основными носителями тока в полупроводниках -типа являются отрицательно заряжённые электроны проводимости, так как их концентрация во много раз больше концентрации дырок. В полупроводниках - типа основные носители - дырки. Само название полупроводники -типа получили от слова negative (отрицательный), а полупроводники -типа - от слова positive (положительный).

Из всего вышесказанного ясно, что энергетические спектры диэлектрика и собственного полупроводника качественно подобны. Поэтому разделение веществ на диэлектрики и полупроводники является условным и определяется величиной температуры. При высоких температурах диэлектрики могут становиться полупроводниками (например, алмаз при 500ºС), а при низких - наоборот, полупроводники приобретают свойства диэлектрика. Принято считать диэлектриками вещества, у которых ширина запрещённой зоны больше 2 эВ.