2496(физика-лабы)

кладется на плоскую стеклянную пластинку выпуклой стороной. Между ними образуется воздушная прослойка, толщина которой увеличивается от центра к краям (рис. 1).

толщины. В проходящем свете будет обратная картина: пятно в центре будет светлым, а все светлые кольца заменяются темными и наоборот. Интерференционная картина при использовании обычных источников света, например, ламп накаливания, обычно имеет небольшие размеры (r < 10-3 м), поскольку с увеличением толщины воздушной прослойки ее контрастность падает. Поэтому для обычных источников света при наблюдении используют микроскоп. Это связано с низкой когерентностью обычных источников. Использование лазера позволяет проецировать интерференционную картину на стену и измерять радиусы колец обычной линейкой.

В данной работе наблюдения ведутся в отраженном свете. Центральное пятно считается нулевым, а нумерация темных и светлых колец ведется раздельно. Таким образом, мы имеем 1-е, 2-е, ... m-е темные кольца и 1-е, 2-е, ... m-е светлые кольца.

Интерференция происходит между волнами, отраженными от верхней и нижней поверхностей воздушной прослойки, то есть между лучами I и II (рис. 1).

Оптическая разность хода этих лучей δm , обусловленная воздушной прослойкой

где абсолютный показатель преломления воздуха принят равным единице, а слагаемое λ/2 обусловлено сдвигом по фазе на π при отражении от оптически более плотной среды (луч I в точке L на рис. 1). Предполагая малым угол падения световых лучей на поверхность линзы, а также из подобия соответствующих треугольников, можем вывести: rm/R = δm/rm. Отсюда видим, что rm = R δ m .

Из последнего равенства, соотношения (3) и условий (1), (2) следует, что радиусы m-го светлого ( rmсв) и m-го темного (rm) колец Ньютона в отраженном свете равны:

11

щели решетки лучи света будут отклоняться от прямолинейного распространения. Явление дифракции объясняется с помощью принципа Гюйгенса, согласно которому каждая точка, до которой доходит волна, служит источником вторичных волн, а огибающая этих волн дает положение волнового фронта в какой-то момент времени. Рассмотрим плоскую волну, падающую нормально на отверстие в экране (рис. 2). Любая точка отверстия или края отверстия, например, точки А и В, служат источником вторичных волн. Построив огибающую вторичных волн для некоторого момента времени (дуга CD), видим, что фронт волны заходит за края отверстия. Дифракция характерна для волновых процессов и подтверждает волновую природу света. Однако принцип Гюйгенса не может объяснить наличие дифракционных максимумов. Френель дополнил принцип Гюйгенса идеей интерференции вторичных волн. Согласно принципу Гюйгенса – Френеля, каждая щель является источником вторичных световых волн, амплитуды которых в некоторой точке пространства (на экране) будут складываться и в зависимости от разности хода лучей усиливать или ослаблять друг друга. Возникает интерференция световых волн. Обычно наблюдают интерференцию, когда точка наблюдения находится в бесконечности или на достаточно далеком расстоянии по сравнению с размером решетки. В этом случае для каждой щели направление, в котором производится наблюдение, определяется углом φ между нормалью к решетке и направлением лучей. Для наблюдения картины интерференции на более близком расстоянии все параллельные лучи фокусируют с помощью линзы на экран (рис. 1).

С

Свет

Световая волна, падающая на решетку нормально, возбуждает колебания для каждой щели в одинаковой фазе. Если вторичные лучи, испускаемые каждой щелью, имеют направление под некоторым углом φ, то каждый такой луч для различных щелей будет проходить до экрана различное расстояние, то есть лучи будут иметь различную разность хода и будут интерферировать.

Пусть φ = 0, в этом случае все лучи придут в точку наблюдения в одинаковой фазе, и амплитуды лучей будут складываться. В этом направлении наблюдается максимум света на экране. При увеличении угла φ между лучами возникает разность хода, лучи приходят в точку экрана в различной фазе, и амплитуды лучей, складываясь, создадут значительно меньшую или даже нулевую интенсивность света в данной точке. Однако

15

существует еще несколько значений угла φ, при которых все лучи придут в соответствующую точку экрана в одинаковой фазе и дадут максимум интенсивности света. Для этого необходимо, чтобы разность хода лучей соседних щелей была равна n·λ (условие максимума для интерференции), где n = 0, ±1, ±2, …

Из рис. 1 видно, что разность хода между соседними лучами 1 и 2

δ = d·sinφ, (1)

где d – расстояние между центрами щелей. Тогда максимум интенсивности света на экране будет наблюдаться для направлений, определяемых условием

Максимумы, удовлетворяющие условию (1), называются главными (рис. 2). Кроме главных максимумов возможны направления, в которых свет, посылаемый различными щелями, гасится (взаимно уничтожается).

Минимум интенсивности света на экране будет наблюдаться для направлений, определяемых условием

где n = 1, 2, …, N – 1, N + 1, …, 2 N – 1, 2 N + 1, …, N – число штрихов дифракционной решетки.

Из (2) следует, что между двумя главными максимумами располагается (N–1) добавочных минимумов, разделенных вторичными максимумами (рис. 3). Интенсивность этих максимумов значительно меньше интенсивности главных максимумов, поэтому они обычно не наблюдаются.

l

Рис. 3

На экране дифракционная картина состоит из наиболее яркой центральной линии (n=0) и симметрично расположенных двух максимумов первого порядка (n=1), второго порядка (n=2) и т. д. (рис. 3). Эти максимумы получаются только для монохроматического света, с определенным значением λ. Если осветить дифракционную решетку белым светом, то каждой соответствующей длине волны λ, согласно формуле (1), будет соответствовать определенное значение угла φ. Поэтому на экране светлые

16

полосы растянуты в спектры, разделенные темными промежутками. Исключение будет составлять нулевой максимум, в котором при n=0 по формуле (1) лучи любого цвета имеют угловое направление φ=0, и который поэтому не будет разлагаться в спектр.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Дифракционная решетка 1 укреплена в специальном держателе (рис. 4). Источник света (электрическая лампочка) освещает щель 3, ширину которой можно плавно изменить. Если смотреть на освещенную щель через дифракционную решетку, то справа и слева от изображения щели видны дифракционные спектры. Пусть некоторая линия спектра смещена на величину S, а расстояние между измерительной шкалой 4 и дифракционной решеткой равно l.

l

Рис. 4

где S – расстояние между центром шкалы и центром данной линии спектра: d = 10-5 м – постоянная дифракционной решетки; l = 0,55 м; n – порядок спектра.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1)Включите электрическую лампочку. Наблюдая щель через дифракционную решетку и подбирая положение лампочки, добиваются наиболее яркого изображения спектров первого и второго порядков.

2)Измерьте по шкале 4 среднее положение красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего, фиолетового цветов для спектров первого порядка справа и слева от

17

щели и результат усредните для каждого цвета. То же самое проделайте для 2-го порядка. Результаты измерений занесите в таблицу.

3)По формуле (3) вычислить длину волны каждого цвета в спектре первого и второго порядков. Затем найти среднее λ для каждого цвета. Результаты вычислений занести в таблицу.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1)Как распределяется интенсивность лучей света после дифракционной решетки по величине углов и почему?

2)В чем заключается явление дифракции?

3)При каких условиях наблюдается дифракция света?

4)Каков порядок следования цветов в дифракционных спектрах?

5)Какова окраска нулевого максимума для белого света?

6)Чему равна разность хода между соседними лучами, идущими от каждой щели в направлении главных максимумов?

7)Почему интенсивность главных максимумов намного больше интенсивности других точек на экране?

8)Почему возникает разность хода лучей, идущих от щелей дифракционной решетки?

9)Почему дифракционная решетка разлагает белый свет в спектр?

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ № 48 и № 48а

Снятие вольтамперной, люксамперной и спектральной характеристик фотоэлемента и определение работы выхода электрона

Цель работы: изучение законов фотоэффекта и приборов на его основе.

18

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Внешний фотоэффект и его законы. Внешним фотоэффектом называется явление испускания электронов веществом под действием электромагнитного излучения (света, рентгеновских лучей, гамма-лучей). Фотоэффект был открыт Г. Герцем в 1887 г. Первые фундаментальные исследования фотоэффекта были выполнены русским ученым А.Г. Столетовым в 1888–1889 годах. Фотоэффект можно наблюдать на установке, схематично изображенной на рис. 1, где через hν обозначен свет, Кв – кварцевое окошко, В – вольтметр, Г – микроамперметр, П – потенциометр

Два электрода (катод К и анод А) помещены в баллон, из которого выкачан воздух. Электроды подключены к источнику питания так, что с помощью потенциометра П можно менять не только значение, но и знак подаваемого на них напряжения. Свет падает на катод через кварцевое окно Кв. Электроны, испущенные катодом К вследствие фотоэффекта, перемещаются под действием электрического поля к аноду А. В результате

вцепи потечет фототок, измеряемый микроамперметром Г.

Сростом напряжения U сила фототока I растет вначале пропорционально, а при достижении некоторого напряжения U = Uуск. ток достигает насыщения Iнас. (рис. 2).

hν

где n – число электронов, испускаемых катодом в 1 секунду.

Для дальнейшего увеличения фототока необходимо увеличить падающий на катод световой поток Ф:

где Q – световая энергия, t – время.

Сила фототока насыщения пропорциональна падающему световому потоку (пропорциональна освещенности):

Iнас. = α·Ф, (3)

где α – коэффициент пропорциональности.

19

В свою очередь освещенность Е пропорциональна световому потоку, поэтому величина фототока I обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника света до катода, т. е.:

где Е1, Е2 – освещенности катода;

I1, I2 – соответствующие этим освещенностям значения фототока насыщения; r1, r2 – расстояния от источника света до катода.

Из уравнения (4) имеем:

т. е. величина фототока насыщения обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника света до фотоэлемента. Из вольтамперной характеристики следует, что при U = 0 фототок не исчезнет. Следовательно, электроны, выбитые светом из катода, обладают некоторой начальной скоростью V, а значит, и отличной от нуля кинетической энергией и могут достигнуть анода без внешнего поля.

Для того чтобы фототок стал равным нулю, необходимо приложить задерживающее напряжение Uзад.. Путем изучения экспериментальных данных были установлены три закона фотоэффекта.

1)При фиксированной частоте падающего света сила фототока насыщения пропорциональна величине падающего светового потока или освещенности катода.

2)Максимальная скорость (максимальная кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой ν.

3)Для каждого вещества существует «красная граница» фотоэффекта, т. е. минимальная частота света, ниже которой фотоэффект невозможен (или максимальная длина волны выше которой фотоэффект невозможен).

Гипотеза Планка и уравнение Эйнштейна. Основываясь на положении о непрерывном энергетическом спектре излучения светящимися телами, волновая теория не могла объяснить независимости скорости выбитых электронов от интенсивности падающего света. Немецкий физик Макс Планк выдвинул гипотезу о том, что электромагнитная энергия излучается не непрерывным потоком, а отдельными порциями энергии – квантами.

Энергия каждого кванта εпрямо пропорциональна частоте света

где h = 6,62·10-34 Дж·с – постоянная Планка; λ –длина волны падающего света;

c = 3·108 м/с – скорость света в вакууме.

20