Физпрактикум.Оптика

!"#. +.1. D5).' L*)&0)%"2)#7"5 1&-/*)< '%-.-/ 0),"G " *)-*'

мов неона возбуждается в результате столкновений с электронами газоразрядной плазмы (линии 1 и 2 на рис. 5.9). Но эти процессы не обеспечивают необходимой для генерации вынужденного излучения инверсной населенности уровней Е2 и Е1, Е3 и Е1, Е3 и Е4 в достаточном количестве атомов неона. С этой целью в газоразрядную трубку в молярном отношении 5:1 Ð 10:1 вводятся атомы гелия. Атомы гелия обладают двумя метастабильными состояниями, которые возбуждают-

ся при столкновениях с электронами (линии 1 и 2 на рис. 5.9). Ввиду большой длительности их существования ( = ; "6(. 0 ) концентрация

метастабильных атомов гелия в разряде очень велика. Энергии Е 2 и E 3 и гелия очень близки к энергиям Е2 и Е3 неона, что благоприятно для передачи энергии возбуждения от гелия к неону при столкновениях атомов. Этот процесс изображен горизонтальными стрелками 3 и 4 (рис. 5.9). В результате концентрация атомов неона, находящихся в состояниях Е2 и Е3, резко увеличивается. Таким образом, добавление гелия к неону весьма существенно для генерации излучения в данном лазере.

5.4. A)6)#/< B/(/0'"*$+$ 2.)*-/*9,)

5.4.1. Лабораторная работа № 17 ÒИзучение законов внешнего фотоэффектаÓ

Задача: ознакомиться с явлением внешнего фотоэффекта.

Цель работы:

1. Снять вольт-амперную характеристику вакуумного фотоэлемента.

Упражнение 1. Снятие вольт-амперных характеристик (ВАХ) фотоэлемента

1.Выберите материал фотокатода. Запишите.

2.Установите максимальный световой поток.

3.Движком реостата установите максимальное напряжение.

4.Выберите длину волны λ (и запишите), при которой сила тока будет больше 1 мкА.

5.Перемещая движок реостата справа налево, снимите ВАХ фотоэлемента. Запишите 15Ð20 значений U и I во всем диапазоне U. Запишите значение светового потока Ф.

6.Уменьшите значение светового потока в 1,5 Ð 2 раза. Снимите ВАХ еще раз.

7.Постройте графики снятых зависимостей в одних осях координат.

Упражнение 2. Изучение зависимости величины тока насыщения от светового потока

1.Движком реостата установите максимальное напряжение.

2.Снимите зависимость тока насыщения I от светового потока Ф. Повторите измерения 2 раза, сначала увеличивая Ф, затем уменьшая.

3.Уменьшите значение длины волны λ в 1.5 Ð 2 раза. Повторите измерения I(Ф).

4.Постройте графики снятых зависимостей в одних осях координат.

Упражнение 3. Определение красной границы фотоэффекта

1.Установите максимальные значения светового потока и напряжения.

2.Увеличивая длину волны, найдите такое значение λ0, при котором ток исчезает. Повторите измерения несколько раз. Выберите мини-

мальное из найденных значений λ0. Рассчитайте работу выхода Ав электрона из материала используемого фотокатода. Сравните с табличным значением (в эВ).

Упражнение 4. Снятие зависимости максимальной кинетической энергии вырванных светом электронов от длины волны света, освещающего фотокатод

1.Установите максимальные световой поток и напряжение, длину волны меньше λ0.

256 Тема 5. Квантово-оптические явления

1. По графикам, построенным по данным упражнения 1, найдите значение тока насыщения и напряжения, при которых начинается участок насыщения (для Ф1 и Ф2). Сравните значения тока насыщения при Ф1 и Ф2, поясните причину их различия.

2. По значению тока насыщения найдите число электронов, покидающих фотокатод за 1 с, при: а) Ф1; б) Ф2.

3. Принадлежит ли к составу видимого спектра излучение, кванты ко-

торого обладают энергией: а) 0.62 eV; б) 1 eV; в) 2 eV; г) 3 eV; д) 4 eV. 4. Средняя длина волны излучения лампочки накаливания λ = 1.2 á 103 •.

Считая, что 50 % потребляемой мощности идет на излучение, найти число фотонов, испускаемых в единицу времени лампочкой, мощность которой: а) 100 Вт; б) 60 Вт; в) 200 Вт; г) 25 Вт; д) 40 Вт.

5. Фотоэффект у некоторых металлов начинается при частоте падающего света ν0. В таблице задана частота света ν, при которой освобождаемые им с поверхности данного металла электроны полностью задерживаются разностью потенциалов UЗ. Выбрав в соответствии с заданным вариантом ν и UЗ из таблицы, найти работу выхода для данного металла и длину волны, соответствующей Çкрасной границеÈ фотоэффекта.

6. Определить плотность тока насыщения, получаемого с фотокатода, если катод освещается излучением с длиной волны λ, причем энергетическая освещенность его равна Е. Относительное число К падающих фотонов, выбивающих электроны, задано в таблице.

5.4.2. Лабораторная работа № 20 ÒИзучение явлений дифракции лазерного излучения

на простейших дифракционных структурахÓ

Задачи:

ознакомиться с работой газового лазера непрерывного действия, свойствами лазерного излучения и некоторыми возможностями его применения.

Цели работы:

1.Изучить некоторые свойства лазерного излучения (монохроматичность, малая расходимость, состояние поляризации).

2.Пронаблюдать дифракцию на щели и определить ширину щели по дифракционной картине.

3.Пронаблюдать дифракцию на мелких круглых частицах и определить радиус частиц.

Приборы и принадлежности:

He-Ne-лазер непрерывного действия, оптическая скамья, экран, дифракционная решетка, набор щелей, поляризатор, препарат ликоподия, рулетка.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ Ð см. 4.3, 5.2.

Описание установки

Установка собирается на оптической скамье по схеме, изображенной на рис. 5.11.

!"#. +.##. D5).' 1#%'*-/7":

# & -+%"2)#7'G #7'.8G 4,"*-< -7-,- # .' $ & -+%"2)#7"< 7/'*%-/=< 0)*)&'%-& & ,'6)& *)+&)&=/*-0- 4)<#%/"G UJ>$21'

(& 4"?&'73"-**'G #%&17%1&'3 6'7&)+,G).'G *' 4)&('%),) )

#1#%&-<#%/-. 4,G *):-,8E"5 +)&).)H)*"< / +-+)&)2*-. *'+&'/,)*"" +&" 9#%"&-/7) 1#%'*-/7"' + & *)+&-6&'2*=< L7&'*

258Тема 5. Квантово-оптические явления

Вкачестве дифракционного препятствия используются пластинка с тремя щелями различной ширины, а также пакет из двух предметных стекол с монослоем мелких круглых частиц между ними. В качестве мелких частиц берутся споры растения плауна-ликоподия. Частицы ликоподия отличаются однородностью размеров. Для изучения свойств лазерного излучения применяются дифракционная решетка с известным периодом и поляроид.

Порядок измерений

Упражнение 1. Изучение свойств лазерного излучения (определение Α, угла расходимости, характера

поляризации)

1.Включите лазер.

2.Установите в держателе для дифракционных препятствий дифракционную решетку с известным периодом. Расстояние от выходного окна лазера до решетки должно быть не менее 20 см. Пользуясь регулировочными винтами держателя, установите решетку перпендикулярно световому пучку. При этом отраженные лучи должны идти обратно в выходное окно лазера.

3.Установите экран на расстоянии 1Ð1.5 м от решетки. Добейтесь наилучшей видимости картины на экране. С помощью рулетки или линейки измерьте расстояние L от решетки до экрана.

4.С помощью линейки измерьте расстояние между серединами нуле-

вого и первого максимумов ,х1, нулевого и второго максимумов ,х2 и т. д. Проведите измерения для всех видимых максимумов по обе стороны от нулевого.

5.По формуле (4.14) для всех измеренных дифракционных максимумов рассчитайте длину волны света. Угол дифракции опреде-

ляется из геометрии картины, а именно: tg φ = x/L. При малых углах дифракции φ < 6! (для максимумов малых порядков) можно считать, что tg φ ; sin φ ; φ. Значения λ усредните и рассчитайте

и вертикальном направлении (d1, d1 ). Затем переместите экран на расстояние ; 2 м от лазера (положение 2) и повторите измерения горизонтального и вертикального диаметров лазерного пучка (d2, d2 ).

!"#. +.#$. $3)*7' &'#5-4".-#%" ,'6)&*-0- ,12'

Измерьте расстояние D между этими двумя положениями экрана. На рис. 5.12 видно, что угол расходимости пучка можно оценить по формуле:

+ ; ,# ( ," & K

Оцените горизонтальную и вертикальную расходимость пучка. Сравните с минимально возможной (дифракционной) расходимостью, рассчитанной по формуле (5.14).

7.Введя в лазерный пучок поляроид и вращая его вокруг оси пучка, пронаблюдайте за изменением интенсивности света и сделайте заключение о характере его поляризации.

Упражнение 2. Измерение ширины щели по дифракционной картине

1.Установите в держателе для дифракционных препятствий щель. Отъюстируйте ее расположение, как описано в п. 2 упражнения 1. Экран установите на расстоянии 1Ð1.5 м от щели. Измерьте расстояние L. Зарисуйте наблюдаемую дифракционную картину.

2.С помощью линейки измерьте расстояние между серединами нулевого и первого максимумов ,х1max, между серединами нулевого

ивторого максимумов ,х2max и т. д., а также между серединами нулевого максимума и первого минимума ,х1min, между серединами нулевого максимума и второго минимума ,х2min и т. д. Проведите измерения для всех наблюдаемых максимумов и минимумов.

3.По формулам (4.10) и (4.11) вычислите ширину щели, считая, что tg φ ; sin φ ; φ = x/L. Результаты усредните. Вычислите погрешность.

4.Повторите измерения для второй щели.

Упражнение 3. Измерение диаметра мелких частиц по дифракционной картине

1.Установите в держателе для дифракционных препятствий предметное стекло с монослоем частиц ликоподия. Отъюстируйте его расположение, как описано в п. 2 упражнения 1. Подберите такое положение экрана, при котором в дифракционной картине четко наблюдаются 2Ð3 красных и темных кольца.

2.С помощью линейки измерьте диаметры светлых и темных диф-

ракционных колец (d1max, d2max, d1min, d2min и т. д.). Также измерьте расстояние L от дифракционного препятствия до экрана.

3.По формулам (4.18) раздела 4.3.5 рассчитайте радиусы частиц ликоподия, получив не менее 5 значений. Считайте, что tg φ ; sin φ ; φ = d/2L. Полученные результаты усредните. Вычислите погрешность.

Контрольные вопросы

1.Какое явление называется дифракцией? Чем различаются дифракции Френеля и Фраунгофера?

2.Изобразите схему наблюдения дифракции Фраунгофера.

3.Как найти число зон Френеля, укладывающихся на щели при наблюдении под некоторым углом?

4.Выведите условия максимумов и минимумов при дифракции Фраунгофера на щели.

5.Как меняется вид дифракционной картины при изменении ширины щели?

6.Опишите дифракционную картину на круглой непрозрачной частице. В чем заключаются условия максимумов и минимумов?

7.Почему наличие большого количества дифракционных частиц не изменяет геометрии дифракционной картины?

8.Что такое дифракционная решетка? В чем заключается условие главных максимумов?

9.Опишите принцип действия лазера.

10.Каковы свойства лазерного излучения? Чем они обусловлены?

11.Опишите устройство гелий-неонового лазера. Какой тип накачки используется в данном лазере?

12.В чем сущность вынужденного излучения? Чем оно отличается от спонтанного?