Порядок выполнения работы

При выполнении работы необходимо выполнять следующие указания к работе:

без разрешения преподавателя приборы к питанию не подключать;

оберегать газоразрядную трубу от толчков и ударов, т.к. вакуумированные трубки легко взрываются;

передвигать подвижные части спектроскопа без нажима, иначе нарушится центрированность системы.

Порядок выполнения работы:

1. Трубку с водородом, укрепленную в держателе генератора "Спектр-1", подключают к питанию на щитке стола (6 В).

2. Устанавливают трубку с водородом против щели О коллиматора К.

3. Добиваются четкой видимости спектральных линий водорода. Определяют положение нескольких линий (цвет их указывается преподавателем) спектра водорода по шкале спектроскопа.

4. При помощи градуировочной кривой определяют длины волны указанных линий спектра водорода.

5. По формуле (16^!) вычисляют несколько значений постоянной Планка при тех значениях , которые соответствуют изученным линиям водорода. Из найденных значений находят среднее значение h, абсолютную и относительную. погрешность.

Рисунки к лабораторной работе № 26

Контрольные вопросы.

1. Что называется спектром излучения?

2. Что называется дисперсией света?

3. Что такое нормальная и аномальная дисперсия?

4. Чем объясняется закономерности в распределении спектральных линий различных элементов.

5. Поясните формулу Бальмера для спектра водорода.

6. Сериальные формулы Леймана, Пашена – поясните их.

7. Расскажите о строении атома по Резерфорду и о затруднениях при объяснении спектров излучения.

8. В чем сущность гипотезы Планка?

9. Расскажите о постулатах Бора, энергетических уровнях в атоме и выведите расчетную формулу для постоянной Планка.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 27

Изучение работы газового лазера Краткая теория

Оптические квантовые генераторы (лазеры) основаны на генерации и усилении света с помощью вынужденного индуцированного излучения.

ИНДУЦИРОВАННОЕ - это такое излучение электромагнитных волн, которое возникает, если атом переходит из возбужденного состояния в основное под действием внешнего излучения (фотона). Такое взаимодействие фотона с возбужденным атомом может быть, если энергия h фотона равна разности уровней энергии атома в возбужденном и основном состояниях (рис. 1). В этом случае после взаимодействия фотона с атомом от атома будут распространяться уже два фотона: вынуждающий и вынужденный, т.е. наблюдается усиление света. Образовавшееся при этом вынужденное излучение имеет ту же частоту и фазу, что и стимулирующее этот процесс, и распространяется в том же направлении, т.е. индуцированное излучение когерентно вынуждающему излучению.

При взаимодействии фотонов с веществом наряду с вынужденным излучением идет процесс поглощения фотонов, при котором атомы вещества переходят из основного состояния в возбужденное. В обычном состоянии невозбужденных атомов в веществе значительно больше, чем возбужденных. Поэтому при взаимодействии фотонов с веществом преобладает процесс поглощения, и усиления света нет.

Для того, чтобы процесс вынужденного излучения преобладал над поглощением, необходимо изменить распределение атомов облучаемого вещества по энергетическим уровням. Усиление света будет в том случае, если концентрация атомов вещества на верхних энергетических уровнях, соответствующих возбужденному состоянию, больше, чем, на нижних. Такое состояние называется и н в е р с н о й н а с е л е н н о с т ь ю.

Рассмотрим устройство и принцип действия газового гелий-неонового лазера. Основным его элементом является трубка, заполненная смесью газов - гелия и неона. Парциальное давление гелия 1 мм рт. ст., неона - 0,1 мм рт. ст. Атомы неона являются излучающими (рабочими), атомы гелия - вспомогательными, необходимыми для создания инверсной населенности атомов неона.

На рис.2 изображены энергетически уровни атомов неона и гелия. При электрическом разряде в трубке возбуждаются атомы гелия и переходят в состояние 2.

Первый возбужденный уровень 2 гелия совпадает с энергетическим уровнем 3 атомов неона. Поэтому, соударяясь с атомами неона, атомы гелия передают им свою энергию и переводят их в возбужденное состояние3. Таким образом, в трубке создается активная среда, состоящая из атомов неона с инверсной населенностью.

Спонтанный переход отдельных атомов неона с энергетического уровня 3 на уровень 2 вызывает появление фотонов. При дальнейшем взаимодействии этих фотонов с возбужденными атомами неона возникает индуцированное когерентное излучение последних и в трубке возникает увеличивающийся поток фотонов с энергией h.

Для увеличения мощности излучения трубку помещают в зеркальный резонатор. Отражаясь от зеркал, поток фотонов многократно проходит вдоль оси трубки, при этом в процесс индуцированного излучения включаются все большее число атомов неона и интенсивность генерируемого излучения возрастает.

Лазер будет работать в режиме генерации, если потери энергии световой волны при каждом отражении от зеркал резонатора меньше, чем прирост энергии в результате индуцированного излучения при прохождении ее вдоль трубки через активную среду. В связи с этим очень важным является качество зеркал резонатора. Резонатор состоит из плоского 5 и вогнутого 6 зеркал с многослойными диэлектрическими покрытиями (рис. 3). Коэффициент отражения этих зеркал очень высок - 98 - 99%. Коэффициент пропускания света одним зеркалом составляет около 0,1%, а другим - около 2%. Применение зеркального резонатора позволяет получить мощный и узкий пучок света.

Вследствие того, что энергетические уровни 2 и 3 атомов неона обладают сложной структурой, лазер может излучать до 30 различных длин волн в инфракрасном и видимом диапазоне. Зеркала резонатора делают многослойными для того, чтобы создать вследствие интерференции необходимый коэффициент отражения для одной длины волны. Таким образом, лазер излучает строго определенную длину волны.

Резонансная трубка 1 (рис.3) с торцов закрыта плосколпараллельными стеклянными пластинками 4 установленными под углом Брюстера к оси трубки. Такое положение пластинок обеспечивает прохождение через них поляризованного излучения без потерь на отражение и приводит к плоской поляризации излучения лазера. Для создания в трубке электрического разряда в нее введены два электрода: анод 2 и катод 3.

Индуцированное излучение газового лазера является высококогерентным, исключительно монохроматическим, плоскополяризованным, остронаправленным.

Целью работы является определение длины волны излучения лазера. Для определения длины волны излучения гелий-неонового лазера в данной работе предлагается использовать дифракционную решетку. При освещении решетки монохроматическим светом происходит дифракция. Вторичные когерентные волны, образующиеся в результате дифракции, распространяясь по всем направлениям, интерферируют, образуя дифракционную картину.

При нормальном падении света главные дифракционные максимумы возникают при условии

С Sin к =  k 

(1)

где k = 0, 1, 2, ..... - порядок главных максимумов.

Зная период решетки и угол , под которым виден максимум К-го порядка, можно определить длину волны падающего света:

 =

(2)

Описание лабораторной установки и порядок

выполнения работы.

Схема установки для определения длины волны излучения лазера изображена на рис. 4. Все детали установки располагаются на оптической скамье 1. Вблизи одного из выходных окон лазера 2 на подвижной подставке устанавливается дифракционная решетка 3, закрепленная так, чтобы ее можно было поворачивать вокруг вертикальной оси. На экране 4 наблюдается дифракционная картина. Вдоль оптической скамьи расположена шкала 5 для измерения расстояния между решеткой и экраном. Для того, чтобы определить длину волны лазера по формуле (2), необходимо знать период С решетки, порядок максимума К и угол .

При правильном расположении всех деталей установки можно получить на экране максимумы нулевого, первого, второго порядка и т.д. Период дифракционной решетки обычно указывается на ее оправе. Угол  можно найти из формулы

tg  = х/(2 L)

(3)

где L - расстояние между решеткой и экраном; х - расстояние между максимумами одного порядка, расположенными симметрично центрального максимума.