2016 Fiscal Year Research-status Report
中空陰極ランプを用いた仕事関数測定用実験教材の開発とその教育的効果の検証
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16K00951
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| Research Institution | Saitama University |
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Principal Investigator |
大向 隆三 埼玉大学, 教育学部, 准教授 (40359089)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 仕事関数 / 光電効果 / 物理実験教材 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
従来までに我々が進めてきた中空陰極ランプを光電管として用いた仕事関数測定法の汎用性を確認するために、陰極元素がカリウムのランプを使用して、光電効果信号の観測を試みた。
最初に、光源（高輝度ハロゲンランプ）からの光を効率的にランプ陰極へ照射するために光学系の調整を行い、レンズの種類と位置を微調整して、従来よりも照射光パワーを上げるように工夫した。この改善の結果、ランプ陰極で光強度は 184 μW/cm2 から 281 μW/cm2 まで増加した。そのあと、ハロゲンランプ出力（白色）光、色つきセロファン（青、緑、黄、赤）を透過させた光を照射し、青と緑の色つきセロファン透過光だけで光電効果信号が観測できることを確認した。
次に、仕事関数の測定に向けて、狭帯域バンドパスフィルター（透過幅 10 nm）の透過光を用いて光電効果信号の検出に取り組んだ。ランプ印加電圧200Vにおいて、透過の中心波長が430nm、450nm、460nm、470nm、490nmから600nmまで10nmごとの、合計16波長について実験した。その結果、光電効果信号を検出することができ、波長増加とともに光電効果信号は徐々に単調減少する変化が観測された。この変化は陰極金属における量子効率を反映していると考えられる。また、この結果からグラフのフィッティングを行い、カリウムの仕事関数を求めた。その結果は2.05 eV であった。化学便覧に掲載されているカリウムの仕事関数は 2.23 eV であり、近い値が得られた。グラフのフィッティングにおける相関係数は0.92であったので、理論的に期待される信号変化の様子が実際に観測できたと考えられる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
従来までの研究では使用してこなかったカリウムのホロカソードランプの使用にあたり、光学系の再配置を実施した。これは、ランプから出射された光を無駄なく、なるべく高パワーでランプ陰極に当てるための改良であったが、最高のパフォーマンスを追及するあまり、最適な実験機器配置条件、使用する光学素子の性能、光学部品の固定方法などで様々な物理的条件を試し、試行錯誤を繰り返した。その結果、光学系については十分満足できる性能を得られたが、この作業に予想以上の時間を費やすこととなってしまった。そのため、H28年度としては当初の計画よりも進捗が遅れることとなった。
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| Strategy for Future Research Activity |
H28年度でカリウムの光電効果信号検出を達成したので、今後は本格的に仕事関数測定に向けた実験を進める。ランプへの印加電圧、光の照射位置などによる光電効果信号強度への影響を調べる。照射光波長と光電効果信号との関係からカリウムの仕事関数を決定する。測定回数を増やし、得られる仕事関数値の再現性や信頼性を評価する。さらに、バッファガスが封入されたランプを使用して同様の実験を実施し、検出される信号や測定から得られる仕事関数に差が生じるかどうかを調べる。最後に、実験教材としての活用実践を、その評価も含めて試みる。
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| Causes of Carryover |
H28年度は光学系の調整作業に予想以上の時間を要したため研究の進捗が少し遅れた。本来は光学系の調整作業に加えて、信号検出と仕事関数の測定、再現性の確認など、実際の測定実験に向けた準備とその本格的な実施に向けた機器整備に取り組む予定であった。これらをH28年度に実施できていないので、そこで使用する実験機器の購入資金がH29年度以降に使用することとなった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
H29年度は、H28年度で残した本格的な仕事関数測定実験の実施に向けて、計測機器、測定機器、光学部品、機器配置棚、測定回路製作用部品、電子回路関連部品を購入する。特にデジタル計測機器が高価になると予想されるので、「次年度使用額」をその購入に充てるつもりである。可能ならば現在使用している高輝度ランプ以外の光源を使用する可能性も模索する。バッファガスの封入された中空陰極ランプも購入し、現在使用中のランプにおける光電効果信号特性との比較もしたい。
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