Практикум-Атомная и ядерная физика

21

Основные части монохроматора: коллиматор, дисперсионная призма и зрительная труба. Свет от источника 1 попадает на входную щель 2, ширина которой может регулироваться винтом 3.

Входная щель находится в фокусе объектива коллиматора 4. Вышедший из коллиматора пучок лучей будет параллельным и, пройдя дисперсионную призму, даст в поле зрения зрительный трубы картину спектра.

В фокусе камерного окуляра 7 имеется указатель (стрелка), относительно которого должна устанавливаться изучаемая линия спектра. Установка линии спектра производится путем поворота дисперсионной призмы барабаном 9.

На барабане нанесены деления, оцифрованные через каждые 50°. Цена каждого деления равна 2°. Установка объектива коллиматора в правильное положение относительно щели производится винтом 5. Это положение можно отметить по шкале 6. Если в поле зрения зрительной трубы монохроматора одинаково резко видны указатель и края входной щели коллиматора, то установка монохроматора правильная.

Фокусировка (наведение на резкость изображения) монохроматора производится сначала для указателя (стрелки) простым поворотом втулки окуляра 8, а затем для щели коллиматора винтом 5. Заслонка 10 служит для перекрывания светового луча. В рабочем положении заслонка должна быть открыта.

3 Порядок выполнение работы и требования к оформлению результатов

При подготовке к лабораторной работе необходимо изучить и законспектировать следующие библиографические источники:

- для неинженерных специальностей С. 435, 506-517 /1/,

С. 349,392-395 /2/; - для инженерных специальностей С. 61-66 /3/.

Задание 1 Градуировка монохроматора

Чтобы использовать монохроматор для определения длины волны линий в исследуемом спектре, необходимо произвести градуировку, т.е. установить зависимость между показаниями барабана и

22

длиной волны спектральных линий, находящихся против стрелки, наблюдаемой в окуляре. В данной лабораторной работе градуировка УМ-2 производится по известным спектральным линиям атомов ртути (таблица 1).

3.1 Перед щелью монохроматора устанавливают источник света – ртутную лампу в защитном корпусе. Питание лампы производится от электрической сети с напряжением 220 В.

Следует иметь в виду, что ртутная лампа излучает наряду с видимым спектром мощный поток ультрафиолетовых лучей, вредных для глаз, поэтому смотреть на ртутную лампу незащищенными глазами не следует.

Таблица 1 Градуировочная таблица по спектру ртути

3.2Произвести фокусировку (монохроматора по описанию в разделе 2). Добиться резкого изображения спектральных линий и стрелки в поле зрения. Если линии широкие, то ширину щели надо уменьшить, чтобы они не перекрывали друг друга (проверить на двух близких желтых линиях - в таблице 1 №4 и №5).

3.3Просмотреть весь спектр, поворачивая барабан от его левого края, где видны красные линии, до правого края, где видны фиолетовые линии.

23

3.4Произвести измерения по барабану, устанавливая стрелку на каждую линию спектра, указанную в таблице 1. Все отсчеты n занести в эту же таблицу.

3.5По данным таблицы 1 построить график зависимости (использовать миллиметровую бумагу). По оси Х отложить показания

барабана, по оси Y – длины волн. По оси Y шкалу длин волн следует начать с 400 нм и закончить 700 нм, а по оси Х от 0 до 3000о. Размер графика должен быть не меньше целой страницы тетрадного листа. По точкам провести плавную линию (без изломов).

Задание 2 Определение длин волн спектральных линий водорода

3.1Перед щелью монохроматора устанавливается водородная лампа, подключенная к блоку питания. Источником излучения служит разряженный газ водород, находящийся в запаянной трубке. В трубку впаяны два электрода, на которые подается высокое напряжение от генератора. В газе возникает электрический разряд, вызывающий свечение газа.

3.2Проверить фокусировку прибора по спектру водорода – в поле зрения должны быть видны отдельные яркие линии.

3.3Снять отсчеты по барабану, соответствующие синей, зеле- но-голубой и красной линиям спектра водорода. Все показания занести в таблицу 2.

Таблица 2 Определение длин волн в спектре водорода

Обозначение физических величин

3.4 Пользуясь градуировочным графиком монохроматора, определить значения длин волн, соответствующих полученным отсчетам на барабане и записать в таблицу 2.

24

Задание 3 Определение длин волн спектральных линий

неона

3.1Перед щелью монохроматора установить неоновую лампу, питаемую от сети 220 В. В поле зрения должны наблюдаться отдельные яркие линии неона (в основном – красные, оранжевые, яркая желтая, очень слабые зеленые линии).

3.2Совмещая стрелку в поле зрения окуляра с линиями, указанными в таблице 3, произвести отсчеты по барабану n монохроматора и записать данные в эту таблицу.

3.3Используя градуировочный график, найти длину волн для всех указанных в таблице 3 линий неона.

равна половине цены наименьшего деления барабана монохроматора, т.е. 1о (рисунок 2).

25

Рисунок 2 Градуировочный график

3.5 Результат представить в виде λ ± λ.

4 Контрольные вопросы

4.1Что представляют собой линейчатые спектры? При каких условиях они получаются?

4.2Как формулируются постулаты Бора?

4.3Как записывается формула Бальмера-Ридберга? Какой физический смысл имеют входящие в нее величины?

4.4Как выглядит энергетическая диаграмма атома водорода и процессы поглощения и испускания квантов электромагнитного излучения?

4.5Как образуются спектральные серии? В каком случае длины волн излучения больше? В каком случае энергия фотона больше?

4.6К какой серии относятся линии, наблюдаемые в данной лабораторной установке?

4.7Каково назначение основных узлов монохроматора?

4.8Как определяется длина волны спектральных линий в спектре излучения неона с помощью монохроматора?

4.9Для чего нужно градуировать монохроматор?

4.10Что называется дисперсией света и где происходит дисперсия света в данной лабораторной установке?

26

Лабораторная работа № 4 Изучение работы газового лазера и определение

длины волны его излучения

Цель и задачи работы: Изучение принципа работы оптического квантового генератора (лазера). Определение длины волны лазерного излучения с помощью дифракционной решетки и определение размеров мелких круговых частиц по дифракционной картине лазерного пучка.

1 Общие сведения

В настоящее время лазеры находят широкое применение в различных областях народного хозяйства: астрономии, технике, медицине, сельском хозяйстве.

Излучение лазеров может иметь различные длины волн от инфракрасного до ультрафиолетового. Лазерное излучение монохроматическое, т.е. одной длины волны. Наибольшее распространение получили гелий-неоновые лазеры, так как испускаемые ими красные лучи оказывают стимулирующее действие на растительные и животные клетки. Кроме того, гелий-неоновые лазеры применяются в волоконной оптике для создания медицинской диагностической аппаратуры.

Все лазеры обязательно имеют три основных компонента:

1) активную среду, в которой создаются состояния с инверсией населенностей; 2) систему накачки (устройство для создания инверсии в активной среде); 3) оптический резонатор (устройство, выделяющее в пространство избирательное направление пучка фотонов и формирующее выходящий световой пучок).

Первым твердотельным лазером (1960, США), работающим в видимой области спектра (длина волны излучения 0,6943 мкм), был рубиновый лазер. В нем инверсная населенность уровней осуществляется по трехуровневой схеме, предложенной нашими российскими учеными академиками Басовым Н.Г. и Прохоровым А.М. Первым газовым лазером был лазер на смеси газов неона и гелия (красный луч λ

= 0,6328 мкм).

Индуцированное излучение газового лазера является высококогерентным, монохроматическим, плоскополяризованным, узконаправленным и обладает большой мощностью (в зависимости от типа лазера). КПД лазеров колеблется в широких пределах – от 0,01 % (для

27

гелий-неонового лазера) до 75% (для лазера на стекле с неодимом). Выходная мощность гелий-неонового лазера в непрерывном режиме обычно составляет от десяти до нескольких сот милливатт. В непрерывном режиме инфракрасный лазер на СО2 может генерировать до 10 кВт, а аргоновый лазер в видимой области до ~ 1 кВт. В импульсном режиме мощность этих лазеров может составлять несколько сот киловатт.

2 Описание установки и вывод расчетной формулы

Схема установки для определения длины волны лазера и размеров мелких частиц включает в себя лазер, дифракционную решетку, оптическую скамью с измерительной шкалой, стеклянную пластинку с нанесенными на нее семенами ликоподия, экран (рисунок 1).

Рисунок 1 Схема установки:

1 – лазер, 2 – дифракционная решетка, 3 – экран, 4 – оптическая скамья, 5 – дифракционная картина, Х – измеряемое расстояние

Все детали установки должны быть жестко закреплены на оптической скамье. При включенном лазере на экране 3 наблюдается дифракционная картина в виде ярких красных пятен. На экране должна быть мерная шкала, на оптической скамье – линейка с миллиметровыми делениями.

Для того чтобы определить длину волны лазерного излучения, нужно воспользоваться формулой для главных максимумов дифракционной решетки:

Эта формула и является расчетной для определения длины

волны.

3 Порядок выполнения работы и требования к оформлению результатов

При подготовке к лабораторной работе необходимо изучить и законспектировать следующие библиографические источники:

-для неинженерных специальностей С. 526 /1/, С. 436 /2/;

-для инженерных специальностей С. 170 /3/.

Задание 1 Определение длины волны лазерного излучения

3.1Проверить комплектность установки: лазер, дифракционная решетка, экран, закрепленные на оптической скамье.

3.2Преподаватель или лаборант включает лазер и задает расстояние от дифракционной решетки до экрана, проверяет четкость дифракционной картины.

3.3Добиться, чтобы на экране были видны максимумы не менее четырех порядков.

3.4Измерить по линейке, укрепленной на оптической скамье, расстояние L между решеткой и экраном.

3.5Измерить на экране расстояние Х1 между максимумами первого порядка, Х2 – расстояние между максимумами второго порядка, Х3 – для третьего порядка, Х4 – для четвертого порядка.

29

3.6Вычислить значения длины волны по формуле (3).

3.7Вычислить среднее арифметическое значение длины волны

λизлучения. Результаты измерений и расчеты записать в таблицу 1.

Таблица 1 Определение длины волны лазерного излучения с помощью дифракционной решетки

Обозначения физических величин

3.8 По разбросу значений λ оценить абсолютные погрешности λi отдельных измерений, а затем найти доверительный интервал λ .Среднюю квадратичную погрешность найти как произведение

Sλ =1,25 × Dλ .

В приложении по таблице А1 для n = 4 и доверительной вероятности Р = 0,997 ( можно задавать и другую доверительную вероятность, например 0,95) найти коэффициент tP,n, и определить доверительный интервал λ.

3.9Результат представить в нанометрах (1 нм = 10-9 м) в виде:

λ= λ ± λ.

3.10Преподаватель может поставить и обратную задачу. Длину волны излучения гелий-неонового лазера считать известной, а определить по такой же методике постоянную дифракционной решетки d, считая её неизвестной. Дело в том, что дифракционная решетка, сделанная на пленке из желатина может со временем изменить свои параметры и требует периодической проверки.

Задание 2 Определение линейных размеров мелких круго- вых частиц по дифракционным кольцам

Световой пучок, излучаемый лазером, дает возможность непосредственно наблюдать дифракцию на круговых частицах. Для того чтобы углы дифракции были значительными, размер частиц должен

30

быть достаточно малым. Однако, если поместить в световой пучок одну малую круговую частицу, то даваемую ею на удаленном экране дифракционную картину наблюдать трудно, поскольку дифракционные максимумы малоинтенсивны. Если же в плоскости поперечного сечения узкого светового пучка расположить совершенно хаотично одинаковые круглые частицы, то, в силу равной вероятности всех значений фаз дифракционных волн, интенсивности световых пучков будут складываться. Дифракционная картина от N частиц усилится по интенсивности в N раз по сравнению с дифракционной картиной от отдельной частицы, но не изменит своей структуры. При этом на экране наблюдается система концентрических колец (темных и светлых), окружающих светлый круг.

Угловые радиусы φ темных колец подчиняются условиям, найденным из функций Бесселя:

где r – радиус частицы, вызвавшей дифракцию света. Угловые радиусы светлых колец подчиняются условиям:

Нумерация колец начинается с первого темного кольца, окружающего центральный светлый круг (рисунок 2).

Рисунок 2 Установка по определению размеров мелких частиц: 1 – лазер; 2 – пластинка с ликоподием; 3 – экран; 4 - структура

дифракционной картины (D – диаметры дифракционных колец)

3.1 Установить на оптической скамье перпендикулярно лазерному лучу штатив с пластинкой, покрытой частицами ликоподия,