Материал: МЭИ(ТУ) Физика

Приближённое измерение длины волны излучения лазера

1. Снять с оптической скамьи анализатор и фотоприёмник.

2. Экран и дифракционную решетку расположить перпендикулярно оси светового пучка лазера на расстоянии L = 50 см друг от друга. На решетке указано значение её периода d.

3. По изображению на экране убедиться, что излучение монохроматично. (Ширина максимумов на экране обусловлена шириной первичного светового пучка, падающего на решетку.)

4. С помощью шкалы, имеющейся на экране, измерить положения максимумов (их середин) k-х порядков: слева xk′ и справа xk′′ от нулевого. Измерения проводить с максимально возможной точностью, результаты записать в табл. 2.

5. Повторить измерения положений максимумов всех порядков, которые получаются на экране при значениях L = 45, 40, 35 см.

Данные установки d =

Таблица 2

4. Обработка результатов измерений

1. Результаты измерений, записанные в табл. 1, представить в полярных координатах. При построении графика последовательность точек откладывать в том же направлении, в котором производились измерения (т. е. против часовой стрелки). По графику убедиться, что излучение лазера практически линейно поляризовано и определить ориентацию вектора E (плоскость его колебаний) в пространстве.

2. Рассчитать длину волны λ из условия главных максимумов дифракции на одномерной решётке d sin φ = ±kλ, где d – постоянная решётки, k – порядок максимума, счи-

тая угол дифракции φ малым, т. е. принимая sinϕ = tgϕ = x′k + x′k′ . 2L

3.Найти погрешность ∆λ и представить окончательный результат в виде л = л ± Дл при наименьшем значении L.

Лабораторная работа № 30

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛА ВОЗБУЖДЕНИЯ АТОМОВ

ПО МЕТОДУ ФРАНКА И ГЕРЦА

Цель работы: опытное подтверждение дискретности атомных состояний, измерение резонансного потенциала атомов газа.

1. Введение

Спектроскопические исследования, а затем и квантовая теория приводят к представлению о существовании у атома дискретных стационарных энергетических состояний. Каждому такому состоянию соответствует определенное значение энергии. Поэтому атом может поглощать только определенные порции энергии, равные разности энергий двух стационарных энергетических состояний. В частности, атому нельзя сообщить энергию меньше той, которая необходима для перевода его из нормального состояния в первое возбужденное состояние. Сообщить атому определенное количество энергии можно с помощью бомбардировки атомов электронами, ускоряемыми электрическим полем (один из методов).

При скоростях электронов, меньших некоторой критической скорости (критической скорости соответствует критическая энергия, необходимая для перевода атома в первое возбужденное состояние), происходит упругое столкновение. Электрон при таком столкновении не передаёт атому энергию, но изменяется направление скорости электрона. При скоростях электронов, равных или больше критических, происходят неупругие столкновения. При этом электрон передает атому такую порцию энергии, которая необходима для перехода атома в возбуждённое состояние.

Разность потенциалов, при которой электрону сообщается энергия, равная энергии возбуждения атома, называют критическим потенциалом атома. Критический потенциал, соответствующий переходу из основного состояния на первый возбужденный уровень, называют первым или резонансным потенциалом. Время жизни атома в возбужденном состоянии мало. При самопроизвольном переходе в невозбуждённое состояние ранее полученная энергия излучается в виде кванта света, частота которого ω может быть найдена из соотношения

где U – разность потенциалов, ускоряющая электрон в электрическом поле. Существование энергетических уровней атомов можно обнаружить с помощью

опыта, впервые выполненного Д. Франком и Г. Герцем в 1913 г.

В опытах Франка и Герца для определения резонансного потенциала используется метод задерживающего поля.

4

Рис. 1

На сетку трехэлектродной лампы 1 (рис. 1), наполненной гелием, подается положительный относительно катода 2 потенциал Uуск, на анод лампы 3 подается небольшой постоянный отрицательный относительно сетки потенциал Uз, характеризующий созданное между сеткой и анодом слабое задерживающее поле. В цепь анода включается измерительный прибор 4. Пучок электронов, эмитированных накаленным катодом, ускоряется полем, созданным между катодом и сеткой.

Пока ускоряющее поле слабое, электроны, сталкиваясь с атомами газа, испытывают только упругие столкновения. Они рассеиваются, практически не теряя энергии. Поэтому часть электронов преодолевают слабое задерживающее поле, созданное между сеткой и анодом. В цепи анода фиксируется ток. С ростом ускоряющего напряжения этот ток возрастает как в обычном диоде.

При увеличении Uуск растет энергия, приобретаемая электронами в электрическом поле. При некотором значении Uуск = U1 энергия электронов достигает величины, соответствующей энергии возбуждения первого энергетического уровня атома газа. Столкновения электронов с атомами становятся неупругими, электроны теряют при ударе большую часть своей энергии, которую поглощают атомы. После такого столкновения электроны не могут уже преодолеть тормозящего поля, поэтому ток в цепи анода резко падает.

Дальнейшее увеличение Uуск вновь вызывает рост тока. Это объясняется тем, что электроны, потерявшие энергию при неупругом столкновении, вновь набирают ее во время пробега в достаточно сильном ускоряющем поле. Но так как их энергия меньше

минимального значения, которое надо передать атому газа при вторичном столкновении, электроны все же доходят до анода, двигаясь против тормозящего поля между сеткой и анодом. Очевидно, что дальнейшее увеличение Uуск приводит к повторению описанных событий: при некотором значении U уск = 2U1 электрон испытывает второе упругое столкновение с атомами и ток резко падает. Вообще, при значениях U уск = nU1

будет наблюдаться максимум тока.

Вольтамперная характеристика – зависимость анодного тока от ускоряющего потенциала сетки в данном случае имеет вид, представленный на рис. 2.

Рис. 2

Разность значений ускоряющих потенциалов, соответствующих двум последовательным максимумам тока, равна резонансному потенциалу атома

2. Описание установки и метода измерений

В работе используется специальная трехэлектродная лампа прямого накала, наполненная гелием. Схема установки показана на рис. 3.

Рис. 3

Питание накала осуществляется переменным напряжением Uн = 6,3 В; для регулирования тока накала используется реостат R1. Величина тока накала контролируется амперметром A.

На сетку подается положительный по отношению к катоду потенциал. Величина его регулируется потенциометром П1 и контролируется с помощью вольтметра V1.

На анод лампы подается небольшой отрицательный потенциал U3 относительно сетки, тем самым создается тормозящее поле. Величина тормозящего потенциала регулируется потенциометром П2 и контролируется вольтметром V2. Ток в цепи анод-сетка измеряется микроамперметром. В цепи сетки включено сопротивление R, ограничивающее ток в случае развития самостоятельного разряда в газе.

Рабочие лампы указаны на установке. Вся установка смонтирована в специальном блоке. Лампа находится внутри блока. На блоке смонтированы измерительные приборы (см. рис. 4).

Рис. 4

3. Порядок выполнения работы

1.Включить блок питания, при этом загорается сигнальная лампа. Установка должна прогреться в течение 5-7 минут.

2.Проверить по амперметру, соответствует ли ток накала лампы указанному на установке; проверить по вольтметру V2 соответствие тормозящего потенциала указанному на установке. Если они не соответствуют указанным величинам, обратиться к преподавателю или лаборанту.

3.Медленно вращая ручку потенциометра П1, пронаблюдать за изменениями силы тока по микроамперметру. Световой указатель микроамперметра не должен выходить за пределы шкалы при изменении напряжения от 0 до 50 В. При этом должны отчетливо наблюдаться два максимума и два минимума тока.

4.Снять зависимость анодного тока от потенциала на сетке лампы, изменяя ускоряющее напряжение с помощью потенциометра П1 в пределах, указанных на установке. Напряжение изменять медленно и плавно. Точно зафиксировать положение максимумов тока. Измерения повторить 3 раза. Результаты измерений занести в таблицу 1.

Таблица 1

2.По графику найти значения ускоряющего потенциала, которым соответствует максимум тока.

3.Найти значение резонансного потенциала гелия по формуле (2).

4.Из формулы (1) найти частоту и длину волны излучения, возникающего при высвечивании возбужденных атомов.

5.Оценить погрешность ∆Up по классу точности приборов.

5. Дополнительное задание

Снять вольтамперную характеристику трёхэлектродной лампы при другом значении задерживающего потенциала (оно указано на установке).