Волков А.Ф., Лумпиева Т.П. Лабораторный практикум по физике

Подождите немного. Документ загружается.

Квантовая оптика Описания лабораторных работ

тальные максимумы расположены справа на расстояниях

от централь-

ного и слева на расстояниях

l ,

l от центрального (рис. 4). Угол дифракции

можно определить, измерив расстояния

L и l. Так как угол мал, :

ϕ то

=ϕ≈ϕ tgsin

. (2)

Сделав замену в (1), лучи

для расчета длины волны:

м формулу по

. (3)

Излучение гелий-неонового ла

плоско поляризовано. После прохождения

нали

где I

– интенсивность свет вы едш

из лазера;

I – интенсивност света, про

ональна

интен

Подготовка к работе

(ответ ном виде)

1. Какова цель работ

удете измерять непосредственно?

длину волны, пояс-

4. построить по результатам эксперимента?

Выполнение работы

Задание 1. Опреде ерного излучения

. Включить

оянн решетки

d, указанное на решетке. Значение

зера

а затора интенсивность поляризован-

ного излучения изменяется по закону Ма-

люса:

α=

cosII

(4)

а ш его

ь -

шедшего анализатор;

α – угол между

главной осью анализатора и плоскостью

Сила тока, регистрируемая микроамперметром, прямо пропорци

поляризации световой волны.

сивности света, падающего на фотоэлемент, который расположен за ана-

лизатором. Поэтому график зависимости силы тока от угла поворота анализа-

тора воспроизводит зависимости интенсивности от угла поворота, только в дру-

гом масштабе.

ы представить в письмен

ы?

2. Какие величины Вы б

3. Запишите формулу, о которой Вы будете рассчитывать

ните смысл обозначений.

Какой график необходимо

ление длины волны лаз

1 лазер в сеть.

2. Записать значение пост ой

дано в миллиметрах.

Рисунок 4



лев.

прав.

291

Описания лабораторных работ Квантовая оптика

3. Установить дифракционную решетку в держатель, который находится меж-

ду лазером и экраном. Решетка должна быть расположена перпендикулярно

лазерному лучу.

4. Измерить расстояние

L между экраном и решеткой.

5. Измерить расстояния

l’ и l’’ для каждого максимума.

6. Изменить расстояние

L, передвинув держатель с решеткой. Повторить изме-

рения согласно пп. 4, 5.

Задание 2. Проверка поляризованности лазерного излучения

1. Вынуть дифракционную решетку из держателя.

2. Расположить блок фотоэлемента так, чтобы луч лазера попал в центр анали-

затора (слюдяной пластинки). Установить стрелку угла поворота анализато-

ра на нуль.

3. Выключить лазер.

4. Включить микроамперметр в сеть. Установить съемную шкалу. Нажать

кнопку «

×10» и юстировочным винтом установить световой индикатор на

нуль.

5. Включить лазер.

6. Вращая анализатор вокруг оси, снять показания фототока через каждые 10

для всех углов от 0 до 360

°.

Оформление отчета

1. Расчеты

1. Определить среднее значение

l для каждого максимума по формуле:

''' ll

2. Рассчитать длину волны

λ лазерного излучения для каждого максимума по

формуле (3).

3. Найти среднее значение длины волны

ср

4. Рассчитать абсолютную погрешность как для прямых измерений.

5. Найти относительную погрешность измерений. Результат записать в виде:

ср

6. Построить график зависимости силы тока от угла поворота анализатора

()

α= fi

2. Защита работы

(ответы представить в письменном виде)

1. Какое излучение называется вынужденным? Каковы его свойства?

2. Какое состояние называется инверсным? Как его получают?

3. Перечислите основные свойства лазерного излучения. Какие из них изуча-

лись в данной работе?

4. Сформулируйте закон Малюса. Запишите формулу.

5. Какой вывод можно сделать из полученного графика

()

292

Квантовая оптика Описания лабораторных работ

ПРОТОКОЛ

измерений к лабораторной работе №95

Выполнил(а)_____________________ Группа__________________

Задание 1

Постоянная дифракционной решетки:

d = ___________

№

п/п

см

l’,

мм

l’’,

мм

λ,

нм

Задание 2

α°

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

i, дел

α°

100 110 120 130 140 150 160 170 180

i, дел

α°

190 200 210 220 230 240 250 260 270

i, дел

α°

280 290 300 310 320 330 340 350 360

i, дел

Дата________ Подпись преподавателя___________________

293

Описания лабораторных работ Квантовая оптика

Лабораторная работа № 97

СНЯТИЕ ВОЛЬТ-АМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ЭЛЕКТРОВАКУУМНОГО ФОТОЭЛЕМЕНТА

И ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАБОТЫ ВЫХОДА

Цель работы – снять вольтамперную характеристику вакуумного фотоэле-

мента, определить работу выхода и красную границу фотоэффекта.

Приборы и принадлежности: вакуумный фотоэлемент СЦВ-3, источник пи-

тания, микроамперметр, вольтметр, реостат.

Общие положения

Фотоэлектронная эмиссия, называемая иначе внешними фотоэффектом,

представляет собой испускание электронов под действием электромагнитного из-

лучения. Эмитирующий электрод при этом называют фотоэлектронным катодом

(фотокатодом), испускаемые им электроны – фотоэлектронами, а электрический

ток, образуемый ими при движении во внешнем электрическом поле, называется

фототоком.

Электровакуумный фотоэлемент представляет собой диод, у которого на

внутреннюю поверхность стеклянного баллона нанесен фотокатод в виде тонкого

слоя вещества, эмитирующего фотоэлектроны. Анодом обычно является металли-

ческое кольцо, не мешающее попаданию света на фотокатод. В электронных фо-

тоэлементах создан высокий вакуум. Катоды обычно применяются сурьмяно-

цезиевые или серебряно-кислородно-цезиевые.

Исследование закономерностей фотоэффекта можно провести с помощью

установки, схема которой представлена на рис. 1. Свет, проникающий через квар-

цевое окошко К

, освещает фотокатод К, изготовленный из исследуемого мате-

риала. Электроны, испущенные вследствие

фотоэффекта, перемещаются под действием

электрического поля к аноду А. В результате в

цепи прибора течет фототок, измеряемый галь-

ванометром Г. Напряжение между анодом и

катодом можно изменять с помощью потен-

циометра П, а измерять вольтметром V.

Рисунок 1

Полученная зависимость фототока I от

напряжения между электродами U , называе-

мая вольт-амперной характеристикой, пред-

ставлена на рис. 2. Характеристика снимается

при неизменном световом потоке Ф.

Из анализа этой кривой можно сделать

следующие выводы.

При некотором не очень большом на-

пряжении фототок достигает насыщения. Это

значит, что все электроны, испущенные като-

294

Квантовая оптика Описания лабораторных работ

дом, попадают на анод. Сила тока насыщения I

будет определяться количеством

электронов, испускаемых катодом в единицу времени под действием света.

Пологий ход кривой указывает на то, что электроны вылетают из катода с

различными по величине скоростями. При напряжении U=0 часть электронов до-

летает до анода «самостоятельно», без помощи уско-

ряющего поля.

295

Для того чтобы обратить силу тока в нуль, нужно

приложить обратное, т.е. задерживающее напряжение

. При таком напряжении ни одному из электронов,

даже обладающему при вылете из катода наибольшим

значением скорости v

max

не удается достигнуть анода.

На основании экспериментов были установлены

следующие законы фотоэффекта.

Рисунок 2

1. Фототок насыщения пропорционален световому потоку при его неизмен-

ном спектральном составе.

2. Максимальная кинетическая энергия электронов, испускаемых с поверх-

ности твердого тела, пропорциональна частоте падающего света и не зависит от

его интенсивности.

3. Для каждого вещества существует определенная частота, при которой

фотоэффект прекращается. Эту частоту

и соответствующую ей длину волны

называют красной границей фотоэффекта.

4. Фотоэффект – явление безынерционное, т.е. испускание электронов на-

чинается сразу же, как только на фотокатод попадает свет с частотой ν>ν

В случае поглощения света веществом каждый поглощенный фотон переда-

ет всю свою энергию электрону. Часть этой энергии электрон затрачивает на со-

вершение работы выхода А

вых

из вещества. Работой выхода называется энергия,

которую необходимо сообщить электрону для того, чтобы удалить его из твердо-

го или жидкого тела в вакуум. Остаток энергии образует кинетическую энергию

вылетевшего электрона. В этом случае по закону сохранения энергии должно вы-

полниться соотношение

max

вых

Ah +=ν

, (1)

которое называется уравнением Эйнштейна для фотоэффекта.

Из уравнения Эйнштейна непосредственно вытекает второй закон фотоэф-

фекта:

вых

max

−ν=

. (2)

Максимальная кинетическая энергия линейно зависит от частоты, так как

работа выхода для данного вещества величина постоянная. При ν=ν

энергия об-

ращается в нуль. При этом

вых0

, (3)

Описания лабораторных работ Квантовая оптика

т.е. красная граница фотоэффекта будет определяться веществом.

Работа электрического поля по задержанию электронов по закону сохране-

ния энергии должна равняться максимальной кинетической энергии вылетевших

электронов:

max

, (4)

где е – модуль заряда электрона, а величина называется задерживающим на-

пряжением. Из уравнений (1) и (2) следует:

Звых

eUAh

. (5)

Если освещать катод поочередно светом с частотами и , и измерять

значения задерживающих напряжений и , то согласно уравнению (5) можно

записать:

Звых1

eUAh

;

Звых1

eUAh

Решая систему уравнений относительно А

вых

, получим:

(

)

вых

ν−ν

−

ЗЗ

UUe

, (6)

где

=ν

. (7)

с – скорость света, λ – длина волны соответствующего светофильтра.

Описание экспериментальной установки

Схема установки приведена на рисунке 3. Источником света является лам-

почка накаливания Н. Свет, проходя через светофильтр S, освещает катод К фото-

элемента ФЭ. В работе используется вакуумный сурьмяно-цезиевый фотоэлемент

СЦВ-3. Он выполнен в виде стеклянного баллона, воздух из которого откачан до

давления мм рт. ст. (рис. 3). На одну половину внутренней поверхно-

сти баллона на подкладочный слой магния или серебра нанесен тонкий слой

сурьмы, а затем слой цезия. Образующееся при этом соединение служит

катодом. Красная граница фотоэффекта для данного материала, в силу малости

работы выхода, находится в видимой части спектра. В центральной части баллона

расположен металлический анод А.

−−

SbCs

Под действием постоянного напряжения, приложенного к фотоэлементу,

электроны, вылетевшие из катода, достигают анода и создают в замкнутой цепи

ток, величину которого измеряют гальванометром

. Движением электронов

можно управлять с помощью внешнего электрического поля, которое регулирует-

ся потенциометром

296

Квантовая оптика Описания лабораторных работ

P 1

P 2

m V

Рисунок 3

Подготовка к работе

(

ответы представить в письменном виде)

1. Какова цель работы?

2. Какие величины Вы будете измерять непосредственно?

3. Какие графики необходимо построить по результатам работы? Схематично на-

рисуйте ожидаемый вид графика.

4. Запишите формулы, по которым Вы будете рассчитывать работу выхода, час-

тоту и длину волны, соответствующие красной границе фотоэффекта. Поясни-

те смысл обозначений.

Выполнение работы

1. Подключить к электросети схему и прибор В3-27.

2. Определить цену деления милливольтметра.

3. Вставить в держатель один из светофильтров и записать указанную для него

длину волны. Открыть защитную крышку.

4. При разомкнутом ключе

убедиться в наличии фототока.

5. Замкнуть ключ

в положение «прямое напряжение». Снять зависимость силы

фототока от прямого приложенного напряжения (7-8 пар значений), увеличи-

вая напряжение от 0 до 1500 мВ с помощью потенциометра R. Снять зависи-

мость два раза. Найти средние значения тока при каждом напряжении.

6. Замкнуть ключ

в положение «обратное напряжение» и, изменяя напряжение

с помощью потенциометра R, снять зависимость силы фототока от приложен-

ного обратного напряжения. Напряжение изменять от 0 до того значения, при

котором фототок станет равным нулю. Снять зависимость два раза. Найти

средние значения тока при каждом напряжении.

7. Заменить светофильтр и записать указанную для него длину волны.

8. Провести измерения с другим светофильтром согласно п. 4, 5, 6.

297

Описания лабораторных работ Квантовая оптика

Оформление отчета

1. Расчеты

1. Построить графики зависимости фототока от напряжения i=f(U) во всем изме-

ренном диапазоне напряжений. По графикам определить значения задержи-

вающего напряжения для каждого светофильтра.

2. Используя указанные значения длин волн для каждого светофильтра, по фор-

муле (7) рассчитать частоты

3. По формуле (6) рассчитать работу выхода А

вых

. Значение работы выхода выра-

зить в электронвольтах, учитывая, что 1эВ = 1,6⋅10

−19

Дж.

4. Рассчитать значение красной границы фотоэффекта ν

и соответствующее ему

значение длины волны λ

, используя формулы (3) и (7).

2. Защита работы

(

ответы представить в письменном виде)

1. Какое явление изучалось в данной работе? В чем оно заключается?

2. Сформулируйте законы внешнего фотоэффекта

3. Проанализируйте полученную вольт-амперную характеристику.

4. Опишите устройство и принцип работы вакуумного фотоэлемента.

5. Сравните полученное значение работы выхода с табличным. Сравните экспе-

риментально полученную вольт-амперную характеристику с теоретической за-

висимостью. Сделайте вывод.

6. Определите, какому интервалу шкалы электромагнитных волн соответствует

полученное значение красной границы λ

298

Квантовая оптика Описания лабораторных работ

ПРОТОКОЛ

измерений к лабораторной работе № 97

Выполнил(а)_____________________ Группа__________________

Определение цены деления приборов

№

п/п

Прибор

Предел подключения

с указанием единицы

измерения

Число деле-

ний на шка-

ле прибора

Цена деления

с указанием еди-

ницы измерения

1 Милливольтметр

Цвет светофильтра_________ Длина волны

=_____ Частота ν

=______

Прямое напряжение Обратное напряжение

№

п/п

мВ

мкА

ср

мкА

мВ

мкА

ср

мкА

U =

Цвет светофильтра_________ Длина волны

=_____ Частота ν

=______

Прямое напряжение Обратное напряжение

№

п/п

мВ

мкА

ср

мкА

мВ

мкА

ср

мкА

U =

Дата________ Подпись преподавателя___________________

299

Описания лабораторных работ Квантовая оптика

Лабораторная работа № 109

ЗНАКОМСТВО С РАБОТОЙ УНИВЕРСАЛЬНОГО МОНОХРОМАТОРА −

СПЕКТРОМЕТРА. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ РИДБЕРГА

Цель работы − проградуировать монохроматор. Определить длины волн

спектральных линий видимой части спектра атома водорода, рассчитать посто-

янную Ридберга.

Приборы и принадлежности: универсальный монохроматор УМ-2, пульт

питания, высоковольтный генератор «Спектр-1», высоковольтная ртутная лам-

па, неоновая и водородная разрядные трубки.

Общие положения

Простейшими атомными системами являются атом водорода и водородо-

подобные атомы, у которых в электрическом поле ядра находится один элек-

трон. Единственный электрон атома водорода движется в кулоновском поле и

обладает потенциальной энергией

)(

πε

−=

. Уравнение Шрёдингера

для атома водорода примет вид:

(

=ψ

πε

++ψΔ

. (1)

Решение уравнения (1) существует только при

Rch

−==

(2)

где n = 1, 2, 3, 4 … – главные квантовые числа;

R – постоянная Ридберга;

с = 3⋅10

м/с – скорость света в вакууме;

h = 6,63⋅10

−34

Дж⋅с – постоянная Планка.

Набор дискретных значений энергии электрона образует энергетический

спектр атома водорода. Характеризующее уровни этого спектра число

n назы-

вается главным квантовым числом, оно совпадает с номером энергетического

уровня. Так как любая спектральная линия возникает при переходе с одного

энергетического уровня на другой, то оптический спектр атома водорода явля-

ется линейчатым. Длины волн спектральных линий описываются обобщенной

формулой Бальмера:

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−=

111

(3)

где

– номер энергетического уровня, на который переходит электрон;

– номер энергетического уровня, с которого переходит электрон.

300