III. Порядок выполнения работы

Упражнение 1

Снятие вольтамперной характеристики

1. Преподаватель или лаборант включает установку и источник света.

2. Установить фотоэлемент на оптической скамье на расстоянии, указанном преподавателем, но не ближе =20см от источника света.

3. С помощью потенциометра увеличивать анодное напряжение от 10 до 90 В (через каждые 10 В) и при этом отсчитывать по микроамперметру соответствующие значения фототока.

4. Данные измеренных величин записывать в левую часть таблицы.

5. Построить график зависимости фототока i_ф от приложенного к аноду напряжения U_A, откладывая его по оси ОХ, i_ф – по оси OY.

Таблица

Упражнение 2

Снятие световой характеристики

1. На фотоэлемент подать напряжение 90В и установить его на таком расстоянии r от источника света, чтобы стрелка микроамперметра отклонялась на всю шкалу. Записывать значения r и фототока в средней части таблицы.

2. Постепенно отодвигать фотоэлемент от эталонной лампы и при этом через каждые 5см фиксировать в таблице расстояние между фотоэлементом и эталонной лампой и соответствующее ему значение фототока.

3. Для каждого наблюдения рассчитать световой поток – Ф по формуле (14.8). Результаты измерений и расчетов занести в таблицу.

4. Строят световую характеристику фотоэлемента для =90В, откладывая по оси ОХ значения Ф, а по осиOY – значения .

Дополнительное задание

Определение чувствительности фотоэлемента

1. Используя световую характеристику, рассчитать чувствительность фотоэлемента по формуле (14.9) для каждой пары значений фототока и светового потока Ф. Затем определить среднее значение γ_ср .

2. γ_ср можно также определить непосредственно из световой характеристики как тангенс угла наклона полученной прямой: , выбрав на графике любую пару значений.

3. Вычислить среднюю абсолютную погрешность в определении чувствительности фотоэлемента.

4. Вычисленные значения занести в таблицу.

Контрольные вопросы

1. При каких условиях наблюдается внешний фотоэффект? Внутренний фотоэффект?

2. Что такое работа выхода и в каких единицах она измеряется?

3. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

4. Световой поток, освещенность и сила света.

5. Фотон и его энергия, масса, импульс.

6. Устройство и применение фотоэлемента.

7. Вольтамперная характеристика вакуумного фотоэлемента.

8. Что такое чувствительность фотоэлемента?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 15 (3-22)

Ознакомление с работой газового лазера

Цель работы: Определить длину волны лазерного излучения с помощью дифракционной решетки.

Описание установки.

Схема установки приведена на рис. 15.1. В состав установки входят: 1) оптический квантовый генератор; 2) источник питания; 3) дифракционная решетка; 4) экран с миллиметровой бумагой; 5) оптическая скамья.

Рис. 15.1. Схема лазерной установки.

Основными элементами газового лазера являются оптический резонатор – зеркала 4 и 5 и газоразрядная трубка (см. рис. 15.2).

Рис. 15.2. Схема газового лазера непрерывного действия.

Трубка 1 имеет накаливаемый катод 2 и анод 3. В трубке находится смесь гелия и неона. Парциальное давление гелия 1 мм рт.ст., а неона 0,1 мм рт.ст.

Методика работы.

При накаленном катоде трубки и поданном между её электродами высоком напряжении, в наполняющих трубку газах может поддерживаться светящийся газовый разряд. Веществом, дающим нужное видимое излучение разряда, является неон. Но необходимое для этого возбуждение атомов неона осуществляется через посредство атомов гелия. В электрическом разряде ударами электронов, вылетевших с катода и ускоренных электрическим полем, возбуждаются атомы гелия. Затем возбужденные атомы гелия, сталкиваясь с атомами неона, сообщают последним энергию, необходимую для перевода их, в свою очередь, в возбужденное состояние.

Схематическая картина некоторых энергетических уровней атомов гелия и неона представлена на рис. 15.3 (стрелками иллюстрируются происходящие в газовой трубке процессы).

Рис. 15.3. Схема электронных переходов в атоме неона и гелия.

Таким образом в трубке создается так называемая активная среда, состоящая из атомов Ne , обладающих инверсной заселенностью энергетических уровней электронов (т.е. в состоянии с большей энергией 3S₂ находится большее число атомов, чем в состоянии с меньшей энергией 2Р₄).

Стрелкой на рис. 15.3 изображен спонтанный (самопроизвольный) переход с метастабильного уровня 3S₂ на основной уровень 2Р₄. Излученный при этом фотон может вызвать вынужденное испускание дополнительных фотонов, которые в свою очередь также вызовут вынужденное излучение и т.д. Таким образом, образуется каскад фотонов. Причем фотоны, возникающие при вынужденном излучении, летят в том же направлении, что и падающие фотоны. Фотоны, вылетевшие под малыми углами к оси, испытывают многократные отражения в зеркальном резонаторе. Поэтому путь их в трубке будет очень большим, так что каскады фотонов в направлении оси получают особенное развитие (происходит фокусировка пучка).

Режим генерации может осуществляться только в том случае, если усиление световой волны в результате индуцированного излучения при прохождении волны через активную среду будет больше, чем потери световой волны при каждом её отражении от полупрозрачных зеркал резонатора. Поэтому к зеркалам резонатора предъявляются очень высокие требования. В резонаторе образуется система стоячих световых волн с высокой плотностью энергии.

В результате газовый лазер дает узконаправленный пучок монохроматического излучения строго определенной электронными переходами частоты (и длины волны) согласно II постулату Бора (см. (VI.2)).

Для приближенного определения длины волны этого излучения можно воспользоваться дифракционной решеткой.

Из волновой оптики известно (см. лаб. Работу № 10), что положение главных максимумов определяется условием , тогда длина волны λ равна:

. (15.1)

Поскольку расстояние до экрана L>> Δx_m – расстояния меду главными максимумами, угол φ очень мал, а для малых углов:

. (15.2)

Тогда расчетная формула приобретает вид:

, (15.3)

где d – период дифракционной решетки, Δx_m – расстояние между двумя симметричными максимумами m-порядка.

Порядок выполнения работы.

1. Преподаватель или лаборант включает установку.

2. Установить дифракционную решетку на пути светового луча лазера и записать перед таблицей значение её периода d.

3. Установить экран с миллиметровой бумагой на указанном преподавателем расстоянии L₁ от источника света, записать значение L₁ на бумаге и в таблицу.

4. Карандашом отметить на бумаге положение наблюдаемых главных максимумов интенсивности света, прошедшего через дифракционную решетку.

5. Измерить расстояния Δх₁, Δх₂, Δх₃, … между главными симметричными максимумами разных порядков: ±1, ±2, ±3, и т.д. Занести полученные значения в таблицу.

6. Установить экран на другом расстоянии L₂ и сместить бумагу на экране вверх или вниз.

7. Повторить действия пп. 3÷5.

Таблица

d = …±…

№№	m	L,см	Δхmмм	λiнм	λсрнм	Δλi ,нм	Δλсрнм
1	1	L1=…
2	2
3	3
4	4
5	1	L2=…
6	2
7	3
…	4

Обработка результатов измерений.

1. Для измеренных значений m , L, Δх_m рассчитать λ_i по формуле (15.3) (подставляя в расчетах величины в системе СИ, а окончательные значения λ выражать в нм или в мкм); занести в таблицу.

2. Рассчитать среднее значение длины волны излучения лазера

λ_ср= Σ λ_i/N и занести в таблицу.

3. Рассчитать значения случайных погрешностей Δλ_i = λ_ср – λ_i .

4. Рассчитать значение средней случайной погрешности:

Δλ_ср = Σ|Δ λ_i|/N. Полученные результаты занести в таблицу.

Вывод.

Длина волны излучения газового лазера, определенная с помощью дифракционной решетки, равна: λ = ( λ_ср ±Δλ_i ).

(Подставить численные значения и размерность.)