- •Введение в методику экспериментов по физике атома, атомных явлений, ядра и элементарных частиц
- •Хронология экспериментов по исследованию структуры атома
- •1. Научные методы исследования в физике микрочастиц
- •1.1 Спектральный анализ
- •1.1.1 Предмет спектрального анализа. Структура атомных спектров.
- •1.1.2 Источники света
- •1.1.3 Спектральные приборы
- •1.1.4 Регистрация спектров
- •1.2 Рассеяние микрочастиц
- •1.2.1 Постановка экспериментов по рассеянию
- •1.2.2.Источники частиц
- •1.2.3 Детекторы частиц
- •1.3 Определение значений флуктуирующих величин
- •2. Некоторые явления физики микромира
- •2.1 Неопределенность значений отдельных сопряженных величин
- •2.2 Туннельный эффект
- •2.3 Вынужденное излучение. Лазеры
- •2.4 Изотопический сдвиг
- •2.5 Уширение спектральных линий
- •2.6 Радиоактивность
- •2.6.1 Общая характеристика радиоактивности
- •2.6.2 Радиоактивность
- •2.6.5 Взаимодействие ядерных излучений с веществом.
- •Зависимость максимального пробега -частиц от энергии в алюминии, биологической ткани (или воде) и воздухе
- •Зависимость пробега -частиц от начальной энергии в воздухе,
- •3. Модели
- •3.1 Модели атома
- •1. Основные понятия и определения:
- •2. Полуэмпирическая формула Бете-Вайцзеккера (бв):
- •3. Модель энергетических зон в твердых телах.
- •4. Зонная модель проводимости туннельного диода.
- •3.5 Математическая модель движения частиц в силовых полях
- •4. Методика экспериментальных исследований в лабораторном практикуме для студентов
- •Основное задание каждого исследования
- •Охрана труда и техника безопасности в лабораториях физики микрочастиц.
- •Опасность
- •4.1.2. Сериальная структура спектра водорода
- •4.1.3. Исследование спектральной чувствительности фотоэлемента
- •4.1.4 Оптические квантовые генераторы
- •8. Выполнить основное задание данного исследования
- •4.2. Квантовые явления в полупроводниках.
- •4.2.1. Определение ширины запрещенной зоны полупроводника
- •4.2.3. Особенности вольт-амперных характеристик
- •4.3. Регистрация и количественная оценка ядерных излучений
- •4.3.1. Статистические свойства радиоактивных препаратов
- •4.3.2 Компьютер как элемент экспериментальной установки в исследованиях по физике микрочастиц
- •4.3.3 Счетчик Гейгера-Мюллера и его параметры
- •4.3.4 Исследование b-активности изотопа калия 19к40
- •4.4. Поглощение радиоактивного излучения в газах и твердых телах
- •4.4.1 Свободный пробег a-частиц в воздухе.
- •4.4.2. Исследование явления поглощения b-частиц в металлах
- •4.5. Математическое моделирование
- •4.5.1. Движение микрочастиц в бесконечно глубокой потенциальной яме
- •Творческие задания.
- •4.5.2. Масса и энергия связи атомных ядер
- •Литерарура
4.1.4 Оптические квантовые генераторы
Цель работы: ознакомиться с устройством, принципом работы и типами оптических квантовых генераторов, изучить свойства лазерного излучения.
Приборы и принадлежности: гелий-неоновый и полупроводниковый лазеры, монохроматор, дифракционные решетки, линзы, штангенциркуль, раздвижная щель, трехгранная призма.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА.
ТЕОРИЯ МЕТОДА И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
Работа проводится при помощи монохроматора УМ-2, на рельс которого устанавливаются поочередно неоновая лампа, гелиевая трубка, гелий-неоновый лазер. Полупроводниковый лазер устанавливается на рельс вместе с раздвижной щелью и экраном. Свойства лазерного излучения определяются по виду соответствующих спектров и дифракционных картин.
ЗАДАНИЯ
1. Получите спектр излучения неона. Измерьте длины волн всех наиболее ярких линий спектра. Найдите линию, соответствующую длине волны 632,8 нм.
2. Получите спектр гелия. Найдите длины волн самых ярких линий.
3. Получите спектр излучения лазерной трубки. Убедитесь, что в нем присутствуют линии излучения гелия и неона, в том числе и линия 632,8 нм. Обратите внимание на то, что Вы пока еще исследовали не вынужденное, а спонтанное излучение – оно не проходило многократно в резонаторе (монохроматор «смотрит» на трубку сбоку, а не вдоль оптической оси лазерной трубки). Велико искушение развернуть лазер и посмотреть на его луч (вынужденное излучение) через монохроматор, чтобы убедиться, что излучается одна единственная спектральная линия. ОДНАКО, ДЕЛАТЬ ЭТО НЕ СЛЕДУЕТ – ОПАСНО ДЛЯ ЗРЕНИЯ! Поступим проще и безопасно: установим на пути лазерного луча подходящую призму и экран. Убедимся, что красное пятно на экране не размыто и не имеет цветного ореола. Это значит, что лазерное излучение монохроматично, точнее находится в узком спектральном интервале. Конечно, дисперсионные возможности призмы не велики и наш эксперимент пока еще мало убедительный.
4. Повысить достоверность вывода о монохроматичности излучения оптических квантовых генераторов можно на основе явления дифракции, которое Вам хорошо известно из курса оптики вместе с основными соотношениями, которые его описывают. Используя их, получите формулу для расчета длинны волны света, проходящего через одну щель. Проведите соответствующий эксперимент, самостоятельно расположив приборы оптимальным образом. Проведите расчеты, в том числе оцените и точность измерений. Эта точность покажет, в каком спектральном диапазоне находится лазерное излучение, но не даст представления о реальной степени его монохроматичности.
Повысим точность измерений, применив для эксперимента дифракционную решетку, дисперсионные свойства которой выше, чем у щели. Проведя измерения и расчеты, получим более узкий спектральный интервал, в котором находится значение длинны волны исследуемого лазера. Обратите внимание на то, что и в опытах со щелью, и с дифракционной решеткой на экране отсутствуют следы максимумов других длин волн.
Реально излучение лазера расположено в спектральной области шириной не более, чем 2*10 -11 метра, т. е. 0,02 нанометра (или в шкале частот – 1500 МГц), что сравнимо с шириной спектральной линии в газах при температуре 400К. Убедиться в этом можно используя современные дифракционные решетки с большим количеством штрихов или специальные спектроскопические методы, например на основе интерферометра Фабри-Перо. Такие приборы позволили установить, что излучение лазера имеет более сложный состав (несколько линий шириной около 0,005 нанометра), чем спонтанно излучаемая спектральная линия (сплошное излучение, обусловленное естественным и Доплеровским уширением). Эта особенность – следствие «работы» лазерного резонатора. Существуют специальные методы, которые позволяют выделить в лазерном излучении одну из таких необычайно узких в спектральном отношении линий.