Атомная физика лабораторные работы

В модуле размещены две лампы, наполненные различными газами. Для их поочередного исследования аноды и сетки ламп соединены параллельно и подключены к измерительной системе, а нити накала включены последовательно, при этом одна из них закорочена, и соответствующая лампа не работает. Выбор лампы производится тумблером «Л1 / Л2» на передней панели блока. Наполнение ламп указано в разделе «Состав изделия». Номер лампы и наполнение указаны также в надписи на цоколе лампы.

Вид на переднюю панель модуля «Опыт Франка и Герца» приведен на рис. 12.

Рис. 12. Передняя панель модуля «Опыт Франка и Герца»

21

Исследуемые лампы видны в окне 8. Стрелочный измерительный прибор 3 измеряет анодный ток IA, предел шкалы прибора – 100 мкА. Ручка «Uзад» 4 устанавливает значение задерживающего напряжения в соответствии с надписями на шкале, расположенной вокруг ручки. На гнездо «Uуск» 13 выведено ускоряющее напряжение. Значения Uзад и Uуск измеряются мультиметром на соответственно обозначенных гнездах относительно общего провода схемы, выведенного на два гнезда 11.

На гнездо «Y» 10 выведено напряжение, пропорциональное анодному току IA (коэффициент пропорциональности равен 0,1 В/мкА, максимальное напряжение 10 В соответствует току

100 мкА).

На гнездо «Х» 12 выведено напряжение, пропорциональное ускоряющему напряжению Uуск (коэффициент пропорциональности равен 0,1; при этом максимальному напряжению 10 В соответствует ускоряющее напряжение 100 В).

Контроль тока накала осуществляется измерением напряже-

ния на резисторе Rн = 1,00 Ом между гнездами «Iн» и «Uуск». Значение измеренного напряжения в вольтах равно значению тока в

амперах.

Тумблер «ИМП / НЕПР» управляет режимом измерения анодного тока. В положении «НЕПР» ток накала лампы постоянен, а измерение анодного тока производится непрерывно. Вследствие падения напряжения на нити накала (в нашей установке это 4–6 В) для электронов, вылетевших из разных точек нити накала (она же – катод), ускоряющие напряжения будут различными, что приведет к «размазыванию» изучаемой в опыте вольтамперной характеристики – зависимости тока анода от ускоряющего напряжения катод – сетка. Это нежелательное явление устраняется с помощью импульсного режима измерений. В положении «ИМП» ток накала периодически отключается на короткое время (25 мкс), в течение этого времени производится измерение анодного тока, затем ток накала восстанавливается.

Тумблер « / » управляет режимом измерений. В положении «» производится снятие характеристики «по точкам», при этом значение ускоряющего напряжения устанавливается двумя ручками «Uуск» 6 – грубая регулировка и 7 – плавная регу-

22

лировка и измеряется мультиметром, подключенным к соответствующим гнездам. В положении «» ускоряющее напряжение изменяется по пилообразному закону. Если при этом с гнезд «Х» и «Y» подать сигналы на соответствующие входы осциллографа или графопостроителя, то получится исследуемая характеристика лампы – зависимость анодного тока от ускоряющего напряжения

(рис. 13).

Imax 1

I1

Imin 1

Рис. 13. Вольтамперная характеристика

Первый («резонансный») потенциал возбуждения атомов газа, заполняющего лампу, определяется в нашей установке как разность ускоряющих напряжений U1 , U2 , соответствующих первому и второму спаду анодного тока (см. рис. 13). Потенциал наиболее быстрого спадания тока определяется по среднему току, значение которого находится посередине между токами максимума и минимума:

I1 Imax1 Imin1 ;

2

I2 Imax2 Imin2 .

2

23

2.Снятие зависимости анодного токаот напряжения на сетке

сиспользованием двухкоординатного графопостроителя Н-307/1

Для получения зависимости Iа(Uуск) используется двухкоординатный графопостроитель Н-307/1. Внешний вид лабораторного комплекса ЛКК-2М с двухкоординатным графопостроителем показан на рис. 14.

Рис. 14. Внешний вид лабораторного комплекса ЛКК-2М

сдвухкоординатным графопостроителем

1.Поставьте тумблер модуля «Опыт Франка и Герца» «ИМП / НЕПР» в положение «НЕПР»; тумблер «Л1 / Л2» – в положение «Л1». Включите тумблер «Сеть». Пользуясь ручкой

«Iн» и шкалой, нанесенной вокруг этой ручки, плавно увеличивайте ток накала до 1,0–1,3 А и наблюдайте появление свечения нити накала лампы и вместе с этим появление анодного тока на стрелочном приборе модуля.

24

2. Для построения зависимости Iа(Uуск) необходимо анодный ток Iа подать на блок Y постоянного напряжения, а Uуск – на блок X постоянного напряжения графопостроителя. Для этого клемму «Y» лабораторного комплекса (рис. 12) необходимо соединить с клеммой «+» блока Y графопостроителя, клемму « » соединить с клеммой «–» блока Y графопостроителя, клемму «X» лабораторного комплекса необходимо соединить с клеммой «–» блока X графопостроителя, клемму « » соединить с клеммой «+» блока X графопостроителя. Клеммы заземления и корпуса лабораторного комплекса и графопостроителя соединить между собой.

Измерение величины ускоряющего напряжения Uуск проводится при помощи мультиметра 2 (см. рис. 12).

3.Включите графопостроитель нажатием кнопки «СЕТЬ».

4.Положите лист бумаги на стол графопостроителя и нажмите кнопку «ДИАГР». Для лучшего прижатия листа бумаги к поверхности стола пригладьте его рукой.

5.Установите чувствительность на блоке X постоянного напряжения 0,25 V/см, а на блоке Y постоянного напряжения –

0,5 V/см.

6.Включите на блоке X постоянного напряжения смещение 100 В, на блоке Y постоянного напряжения смещение не подается.

7.Вращая ручку «Uуск» 6 (см. рис. 12), убедитесь в том, что каретка графопостроителя смещается вправо на весь лист бумаги.

8.Пользуясь ручкой «Iн» 7 (см. рис. 12) и шкалой, нанесенной вокруг этой ручки, плавно увеличивайте ток накала, добиваясь разумного расположения графика зависимости Iа(Uуск) относительно листа бумаги.

9.Установите задерживающее напряжение ручкой Uзад 4 (см. рис. 12) для четкого выявления провалов в вольт-амперной характеристике (7–8 делений).

10.Еще раз выполните п. 7, убедившись в том, что график зависимости Iа(Uуск) симметрично расположен относительно листа бумаги и занимает большую его часть.

11.Закрепите перо на каретке графопостроителя, нажатием кнопки «ПЕРО» приведите перо в соприкосновение с листом бу-

маги и плавным вращением ручки «Uуск» 6 (см. рис. 12) начертите график зависимости Iа(Uуск).

25

12.Снимите показания «Uуск» в экстремальных точках характеристики и нанесите их на полученный график.

13.Аналогичные построения и измерения проделайте для второй лампы модуля «Опыт Франка и Герца».

14.Определите первые резонансные потенциалы для обеих ламп и газы, находящиеся в них.

15.Значения первых потенциалов 1 возбуждения инертных газов берите из табл. 1.

Таблица 1

Потенциалы возбуждения инертных газов

Контрольные вопросы и задания

1.Что подтверждается опытом Франка и Герца?

2.Каковы условия упругого и неупругого соударения электрона с атомом?

3.Выведите формулы относительной убыли энергии электрона при упругом и неупругом соударении его с атомом.

4.Сформулируйте постулаты Бора.

5.Что называется характеристикой задержки лампы?

6.Объясните форму анодной характеристики, изображенной на рис. 9.

7.Условие e << E2 – E1 < E1 является условием неупругого столкновения электрона с атомом сразу по достижении энергии

26

возбуждения резонансного уровня. По всему ли объему лампы происходят такие неупругие столкновения? Если нет, то в каких именно областях лампы и почему?

Рекомендуемая литература

Вихман Э. Берклеевский курс физики. Т. 4: Квантовая физика. СПб.: Лань, 2006.

Мухин К.Н. Экспериментальная ядерная физика. М.: Лань, 2009.

Савельев И.В. Курс общей физики. Т. 3: Квантовая оптика, атомная физика, физика атомного ядра и элементарных частиц.

СПб.: Лань, 2006.

Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т. 5: Атомная и ядерная физика. М.: ФИЗМАТЛИТ; Изд-во МФТИ, 2006.

Шпольский Э.В. Атомная физика. Т. 1: Введение в атомную физику. СПб.: Лань, 2010.

27

Лабораторная работа № 3

ИЗУЧЕНИЕ НЕОН-ГЕЛИЕВОГО ЛАЗЕРА

Цель работы:

–изучить принцип работы и механизм генерации неонгелиевого лазера;

–измерить основные характеристики лазерного излучения;

–оценить погрешности измерений.

Краткая теория

Лазер (оптический квантовый генератор) – устройство, генерирующее электромагнитные волны за счет вынужденного испускания активной средой, находящейся в оптическом резонаторе. Слово «лазер» – аббревиатура, полученная из первых букв англий-

ского выражения «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» – усиление света вынужденным излучением.

В основе принципа действия лазера три физических явления: инверсия населенности, вынужденное излучение и оптическая положительная обратная связь.

На рис. 15, а изображено несколько разрешенных уровней энергии Еn в веществе. Уровни обозначены отрезками, длина которых пропорциональна N – числу электронов, имеющих данную энергию (заселяющих данный уровень). В равновесии (в отсутствие вырождения) заселение происходит в соответствии с формулой Больцмана

из которой следует, что чем выше уровень, тем меньше на нем частиц. Эта разница с повышением температуры сокращается.

Ситуация, когда N2 > N1 (рис. 15, б), называется инверсией (обращением). Это уже неравновесное состояние. Если бы к нему была применима формула Больцмана, то из нее получилось бы, что Т < 0 К. Поэтому иногда называют это состоянием с «отрица-

28

а– при температуре Т в равновесии; б – при инверсии населенности;

в– получение инверсии в трехуровневом лазере

Вынужденное (индуцированное, стимулированное) испускание происходит под действием внешнего (вынуждающего) излучения. При этом частота, фаза, поляризация и направление распространения излучаемой электромагнитной волны полностью совпадают с соответствующими характеристиками внешней волны. Вынужденное излучение принципиально отличается от спонтанного излучения, происходящего без внешнего воздействия. Вынужденное излучение – процесс обратный поглощению: вероятности процессов вынужденного излучения и поглощения равны друг другу и определяются коэффициентами Эйнштейна. В обычных условиях поглощение преобладает над вынужденным излучением.

Вероятность вынужденного излучения для системы, находящейся в возбужденном состоянии Е, пропорциональна спектральной плотности излучения действующей волны. Если через среду с инверсией населенности проходит электромагнитная волна с частотой = (Е2 – Е1)/h, то по мере ее распространения в среде интенсивность волны будет возрастать за счет вынужден-

29

ного испускания, число которых N2 превосходит число актов поглощения N1 .

Усиление за счет вынужденного излучения приводит к экспоненциальному росту ее интенсивности I (если потери в системе малы) по мере увеличения пути L, пройденного волнойв среде:

I I0 e k L,

где I0 – интенсивность входной волны; α (N2 – N1) – коэффициент квантового усиления; k – коэффициент суммарных потерь.

Для роста интенсивности I нужно увеличить длину взаимодействия. Это может быть достигнуто помещением активной среды в соответствующим образом настроенный резонатор (например, между зеркалами). Резонатор выполняет роль положительной обратной связи. В резонаторе усиливаются только те фотоны, которые имеют вполне определенные значения частоты и направления распространения.

Рассмотрим подробнее процесс генерации.

После того как в активном элементе, расположенном внутри резонатора, достигнуто состояние инверсии, возникают многочисленные акты люминесценции. Фотоны вызывают в активной среде сверхлюминесценцию. Фотоны, которые были первоначально испущены не вдоль оси резонатора, порождают лишь короткие нити сверхлюминесценции. Фотоны, спонтанно испущенные вдоль оси резонатора, многократно отражаясь от его зеркал, вновь и вновь проходя через активный элемент, вызывают в нем акты вынужденного испускания (рис. 16).

Рис. 16. Возникновение генерации в активной среде оптического резонатора

30