2017 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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2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 仕事関数 / 中空陰極ランプ / 物理実験教材 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
H29年度には、我々の計測方法の汎用性を明確にするための継続研究として、カリウム（K）原子の仕事関数（限界波長）の測定を再度試み、H28年度の測定結果の再現性について検討した。
実験方法は下記の通りである。光源（高輝度ハロゲンランプ）からの出力光をチョッパーのブレード（強度変調周波数400Hz）に通したあと、狭帯域バンドパスフィルタ（半値全幅10nm）を透過させた。これにより単色の光を得た。このあと、2枚のレンズで光ビーム径をなるべく小さくなるように調整し、ホロカソードランプのK陰極へ照射した。ランプの電極には電圧を印加しておき、ランプ電極間のインピーダンス変化を高感度にロックイン増幅器を用いて検出した。狭帯域フィルターの種類を変え、陰極への照射光波長を変えながら信号強度を測定し、その変化の様子から陰極K原子の仕事関数（限界波長）を求めた。電極の印加電圧は200Vから600Vまで変えて測定した。また信号強度は10回繰り返して測定した値から最確値と誤差の値も求めた。電圧は一定のまま照射光波長を変えながら測定した場合と、照射光波長をそのままにして印加電圧を変えていく測定の両方を行い、得られる仕事関数（限界波長）に差が生じるかも調べた。
実験の結果、印加電圧200Vのとき限界波長は607±45nmとなり、H28年度に得た値（603±74nm）と誤差の範囲で一致した。これによりKの限界波長の再現性が確認できた。さらに印加電圧を変化させても、600Vのとき606±54nmとなったので、限界波長に及ぼす影響はないとわかった。さらに、測定の手順を変えてもデータから求められる限界波長は誤差の範囲で一致した。
以上のことから、我々の金属の仕事関数測定法は汎用的で再現性のある方法であることが実験により明らかとなった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
初年度であるH28年度には新たな原子の測定を試みたので実験調整に手間取り、進捗が少し遅れたが、H29年度にはその問題が解決された。しかし計画当初に実施予定であった教育的効果の検証が行うことができなくなった。結果として、現時点では「やや遅れている」と判断せざるを得ない。遅れた分はH30年度に実施することとなるが、速やかに当初の計画に従った進捗となるよう努力したい。
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| Strategy for Future Research Activity |
現在のところ、最確値の1/10程度の誤差が生じており、何とかこの点を改善できないかと取り組んでいる。原因の一つは限界波長付近における光電効果信号が非常に弱いことで、それを解決する策として光源の高強度化が挙げられる。H30年度はこれに着手する予定である。
光源を現在のハロゲンランプから単一周波数レーザーまたは高輝度LEDに替えて測定する。波長に応じて強度も異なるので、光電効果信号強度を規格化する方法も検討する。現在よりも精度の高い仕事関数測定法の確立を目指す。同時に大学における実験の授業にここで開発した教材の導入を検討し、開発教材の教育的効果に関する知見を得たい。
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| Causes of Carryover |
光源改良の必要性が研究の初期段階（H29年度初頭）に予想され、実際にH29年度内で実施した研究でそのことが明確になった。光源は高価なため、予想段階（H29年度途中）で発注手配することはその後の研究活動に悪影響を及ぼす可能性があるので、慎重に判断した。その判断の結果、H29年度末に光源の改良が必要との結論に至ったので、次年度使用額を今後光源改良のために使用する。H29年度に実施予定であった教材の教育的効果の実証が行えなかったので、それに要する金額もH30年度に支出する予定である。
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Research Products
(1 results)
