Методическое пособие для подготовки к лабораторным работам по темам: Волновая оптика. Квантовая оптика. Квантовая механика и ядерная физика, страница 22

          4. На основании средних значений силы фототока построить график I=f(U), выражающий собой вольтамперную характеристику.

II. Снятие спектральной характеристики фотоэлемента ЦГ-4.

Порядок выполнения работы.

          1. Включить монохроматор и лампу накаливания, освещающую входную щель монохроматора (настройка монохроматора производится только лаборантом).

          2. Снять защитные крышки с выходной и входной щелей монохроматора.

          3. Поместить за выходной щелью монохроматора в гнездо специальной панели исследуемый цезиевый фотоэлемент, подключив его к внешнему постоянному напряжению, обеспечивающему наибольший фототок (см. часть 1). Фотоэлемент и входную щель накрыть светонепроницаемым чехлом для защиты от постороннего света.

          4. Установить риску барабана против деления 600º, что соответствует длине волны 405 нм, и произвести измерение отклонения «зайчика» по шкале гальванометра n₁. Освещая фотоэлемент последовательно монохроматическими пучками с длинами волн, указанными в табл.2, записать соответствующие им показания гальванометра. Измерения рекомендуется повторить в обратном порядке и получающиеся результаты занести в таблицу. После завершения измерений необходимо отключить внешнее напряжение и снять фотоэлемент с панели.

          5. Снять защитную крышку с селенового фотоэлемента, поставить его вместо исследуемого газонаполненного фотоэлемента. Снять показания гальванометра  (n') для селенового фотоэлемента, аналогичные указанным в пункте 4. Результаты измерений занести в таблицу 2.

6. По опытным данным построить спектральную характеристику исследуемого фотоэлемента (ЦГ-4), откладывая по оси абсцисс длины волн l, а по оси ординат – отношения средних значений n_cр/n'_ср.

Таблица 2.

Сила фототока цезиевого и селенового фотоэлементов при их освещении лампой накаливания.

№№ п/п	Деление барабана	Длина волны в нм	Цезиевый фотоэлемент			Селеновый фотоэлемент			ncр/n'ср
			n	n	nср	n'	n'	n'ср
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13	600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000	405 410 425 437 450 470 485 510 545 570 610 660 700

Контрольные вопросы.

1.  В чем состоит явление фотоэффекта? Основные законы фотоэффекта.

2.  Виды фотоэффекта.

3.  Устройство и принцип действия фотоэлементов с различными видами фотоэффекта. Применение фотоэлементов.

4.  Основные характеристики фотоэлементов.

5.  Чем объяснить наличие тока насыщения у вакуумных фотоэлементов? Есть ли ток насыщения у изучаемого фотоэлемента ЦГ-4?

6.  Чем отличается нормальный фотоэффект от селективного?

7.  Как получить опытным путем вольтамперную и спектральную характеристики фотоэлемента?

8.  Опишите устройство и принцип действия монохроматора УМ-2.

9.  Для какой цели монохроматор снабжен селеновым фотоэлементом?

Литература:

1. Ландсберг Г.С. Оптика.- М: Наука, 1976.

2. Кортнев А.В., Рублев Ю.В., Куценко А.Н. Практикум по физике.- М: Высшая школа, 1965.

3. Физический практикум (под редакцией Иверновой В.И.) – М.; Наука, 1967.

Часть X. Квантовая механика и ядерная физика

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ ВОЛНЫ ОПТИЧЕСКОГО

КВАНТОВОГО ГНЕРАТОРА  С ПОМОЩЬЮ ЯВЛЕНИЯ ДИФРАКЦИИ

Цель работы – ознакомление  принципом действия оптического квантового генератора (лазера), устройством газового лазера; определение длины волны излучения лазеров с помощью дифракционной решетки; определение размеров тел с помощью дифракции лазерного излучения.

Приборы и принадлежности: гелий-неоновый лазер с блоком питания, прозрачная дифракционная решетка,  штатив для крепления лазера и исследуемых тел, экран, оптическая скамья.

Теоретическое введение

          Название получившего широкое распространение источника излучения «лазер» или произошло от аббревиатуры английского названия этого устройства - LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что означает «усиление света посредством вынужденного (индуцированного) излучения»).

          Лазер – это устройство, преобразующее различные виды энергии (электрическую, световую, тепловую, химической реакции) в когерентное электромагнитное излучение оптического (400 – 760 нм) диапазона. Поэтому лазер часто называю оптическим квантовым генератором.

В основе работы лазера лежит явление индуцированного излучения активной средой, частицы которой обладают метастабильными уровнями энергии.  

Рассмотрим два энергетических уровня Е₁ и Е₂ атома, иона, или молекулы (Рис. 1).   

          За счет поглощения фотона или столкновения с другой частицей атом может перейти из основного состояния с энергией Е₁ в возбужденное состояние с энергией Е₂. Среднее время жизни возбужденного состояния составляет обычно величину порядка 10^-8 с, по истечении которого атом самопроизвольно возвращается в основное состояние, излучая фотон с энергией hν = Е₂ – Е₁. Такое излучение называется спонтанным. Свет от большинства источников (Солнце, люминесцентные лампы и лампы накаливания, пламя и т.п.) является примером спонтанного излучения.

          Наряду со спонтанным может наблюдаться индуцированное (вынужденное) излучение. Если фотон, испущенный при переходе атома из возбужденного в более низкое энергетическое состояние, столкнется с возбужденным атомом такого же сорта, то возбужденный атом избавится от лишней энергии, испустив фотон, который по характеристикам в точности совпадет с налетающим фотоном, и в среде вместо одного фотона будут распространяться два. Таким образом, вынужденное излучение по своей частоте, фазе, поляризации и направлению распространения полностью идентично падающему (вынуждающему) излучению, т.е. вынужденное излучение высоко когерентно, узко направлено и может быть поляризованным.