4 Лаб.практ 3 сем

8.3.1. Задание

Монохроматор необходимо проградуировать, т. е. выразить деления шкалы барабана в длинах волн. В качестве источника света применяется ртутная лампа. Значение длины волн наиболее ярких спектральных линий ртути с визуальной оценкой их относительной яркости приводятся на рис. 6.2.

Фиолетовый Синий

Зеленый

Желтый Оранжевый Красный

405

436

546

577 579

623 691

, нм

Рис. 6.2. Спектральные линии ртути

6.3.2.Порядок выполнения работы

1)Убрать водородную трубку с оптической скамьи, на которой остаются ртутная лампа и линза. Всякое перемещение ртутной лампы во включенном

ив выключенном состоянии запрещается. Ртутная лампа излучает волны в ультрафиолетовой области, поэтому снимать с нее защитный кожух и защитное стекло запрещается.

2)Включить ртутную лампу. Для этого тумблеры «Сеть» и «Лампа ДРШ» на пульте управления необходимо последовательно перевести в положение «Вкл» и нажимать примерно в течение 8 с на кнопку «Пуск». Если лампа не зажглась, то приблизительно через 3 мин следует вновь нажать на непродолжительное время (8 с) кнопку «Пуск».

3)Если лампа зажглась, то проверяют и по возможности юстируют уста-

новку с помощью линзы и листа бумаги, чтобы входная щель была ярко и равномерно освещена.

Таблица 6.1. Результаты измерений спектральных линий ртути

Номер	Цвет	Отсчет по барабану, град			Длина
	спектральной			среднее
опыта	линии	прямой	обратный	значение	волны, нм
1
2
		31

4)Наблюдая в окуляр монохроматора спектр ртутной лампы, сопоставить его со стандартным, представленным на рис. 6.2. (При нечеткой видимости попросить преподавателя произвести дополнительную настройку монохроматора.)

5)Произвести отсчеты по шкале барабана, последовательно совмещая с острием указателя спектральные линии ртути от красной до фиолетовой. Затем измерения произвести в обратном порядке. Результаты измерений записать в табл. 6.1. и вычислить средний отсчет по шкале барабана для каждой спектральной линии.

6)Выключить ртутную лампу.

По данным табл. 6.1. построить градуировочный график, откладывая по оси ординат значения длины волн в пределах от 400 до 700 нм, а по оси абсцисс – деления шкалы барабана в градусах. При построении графика рекомендуется принять масштабы: по оси абсцисс – 1 см – 100º; по оси ординат – 1 см – 10 нм.

6.4. Определение постоянной Ридберга

8.4.1. Задание

По формуле (22) определить постоянную Ридберга R.

8.4.2.Порядок выполнения задания

1)Установить перед ртутной лампой газоразрядную водородную трубку

ивключить источник питания. Проверить освещение входной щели монохроматора. На входной щели должна быть светлая красно-фиолетовая полоса. Более точную настройку можно произвести, слегка перемещая водородную трубку на подставке и одновременно наблюдая за яркостью спектральных линий в окуляр монохроматора.

2)Выполнить аналогичные действия, описанные в п. 1, снять отсчеты по

барабану для четырех спектральных линий водорода – H , H , H , H . Следует отметить, что в исследуемом спектре наряду с линиями атомного спектра наблюдается спектр молекулярного водорода, поэтому поиск нужных линий сле-

дует начинать с наиболее интенсивной красной линии H . Вторая линия H – зелено-голубая. В промежутке между H и H располагаются несколько слабых красно-желтых и зеленых молекулярных полос. Третья линия H – фиолетовосиняя. Перед этой линией располагаются слабые молекулярные полосы синего цвета. Четвертая линия H – фиолетовая.

32

3) По градуировочной кривой определить длину волн линий H , H , H , H и для каждой линии вычислить постоянную Ридберга по формуле (22) (ndn = 2; крас-

наялиния– nup = 3; зелено-голубая– nup = 4; синяя– nup = 5; фиолетовая – nup = 6). 4) Результаты измерений и вычислений записать в табл. 13. Вычислить

среднее значение постоянной Ридберга и абсолютную случайную и относительную погрешности (как при прямых измерениях).

						Таблица 13
	Результаты измерений по спектральным линиям водорода
	Цвет	Отсчет по барабану, град			Длина	Постоянная
Номер					волны
	спектральной			среднее	по гра-	Ридберга
опыта	линии	прямой	обратный	значение	фику,	Ri, м-1
					нм
1
2
…
n

8.5. Расчет постоянной Планка и энергии ионизации атома водорода

(дополнительное задание)

Используя среднее значение постоянной Ридберга, вычислить: среднее значение постоянной Планка по формуле:

	h 3	A	,	(23)
		R

где А = 319,24 10-95 (Дж3 с3 м-1);

среднее значение энергии ионизации –
Wион = hRc,	(24)

где c – скорость света;

абсолютную и относительную погрешность постоянной Планка. Сравнить полученные значения R, h, Wион с табличными и сделать краткие

выводы.

8.6.Контрольные вопросы

1)Строение атома. Затруднения в построении планетарной модели атома

33

по Резерфорду. Постулаты Бора.

2)Опытные факты, подтверждающие дискретность энергии электронов в атоме. Опыты Франка и Герца.

3)Что называется спектральной серией линий? Объясните происхождение спектральных серий в спектре атомарного водорода.

4)Выведите обобщенную формулу Бальмера и выражение для постоянной Ридберга.

5)Что называется энергией ионизации, и как ее рассчитать для атома во-

дорода?

6)Устройство и принцип работы монохроматора.

Лабораторная работа 7

ОЗНАКОМЛЕНИЕ С РАБОТОЙ ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА

ИИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Це л ь р а б о т ы: ознакомление с принципом действия, конструкцией и основными свойствами излучения газового лазера.

П р и б о р ы и п р и н а д л е ж н о с т и: гелий-неоновый лазер, монохроматор УМ-2, ртутная лампа ДРШ, конденсор, оптическая скамья, дифракционная решетка, экраны, поляроид, фотоэлемент СЦВ-3, микроамперметр, вольтметр постоянного тока на 150 В, выпрямитель, ЛАТР-1.

7.1. Сведения из теории

Квантовые генераторы представляют собой устройства, в которых электромагнитная волна, проходящая через вещество, увеличивает свою энергию за счет внутренней энергии атомов и молекул этого вещества. Квантовые генераторы, работающие в видимой и инфракрасной областях спектра, – оптические квантовые генераторы (ОКГ) получили название лазеров.

При поглощении электромагнитной энергии атомы вещества переходят из основного энергетического состояния в возбужденное Wm. В возбужденном состоянии атом может находиться очень короткий промежуток времени (~ 10 8 ÷ 10 9 с), по истечении которого самопроизвольно переходит на более низкий

энергетический уровень Wn, излучая при этом квант энергии hν = Wm Wn. Такое излучение называют спонтанным (самопроизвольным).

При спонтанном переходе различные атомы излучают энергию неодновременно и независимо друг от друга, поэтому фазы излучаемых ими фотонов не связаны между собой, и направление распространения излучаемого фотона носит случайный характер. Частота излучений различных атомов изменяется в

34

некоторых пределах, допускаемых соотношением неопределенности. Таким образом, спонтанное излучение (излучение обычных источников света – ламп накаливания, дуговых ламп и т. п.) не является строго направленным, монохроматичным, когерентным и поляризованным.

Во внешнем электромагнитном поле переход атомов с верхнего энергетического уровня на нижний происходит значительно быстрее, чем при отсутствии поля, то есть электромагнитное поле способствует увеличению вероятности излучения атомом кванта энергии. Это дополнительное излучение под действием электромагнитного поля называется индуцированным (вынужденным). Индуцированное излучение обладает очень важным свойством: его частота, поляризация и направление распространения совпадают с этими же характеристиками внешнего электромагнитного поля, вызвавшего этот переход.

Обычно для среды, находящейся в состоянии термодинамического равновесия, наиболее населенным атомами оказывается нижний (основной) уровень, в результате чего при прохождении электромагнитной волны через слой такого вещества толщиной «x» имеет место обычное поглощение энергии и убывание интенсивности волны I (см. рис. 7.1) по закону

	Ι I0 е x.	(7-1)
	Здесь I0 – интенсивность падающей волны, α – коэффициент поглощения,
	зависящий от населенности энергетических уровней. Для таких сред α>0.
	Существуют среды, в которых верх-	I
	ний уровень оказывается более населен
	атомами, чем нижний. Такое состояние яв-	α<0
	ляется неравновесным, а населенность
	уровней называется инверсной (преимуще-	I0
	ственной).
	В этом случае вынужденные перехо-
	ды атомов преобладают и поставляют в из-	α>0
	лучение больше энергии, чем ее теряется в
	результате актов обычного поглощения.
	Вследствие чего интенсивность электро-	0	x
	магнитной волны при прохождении ее че-
		Рис. 7.1 Изменение интен-
	рез вещество будет увеличиваться (рис.
		сивности волны при про-
	7.1). Явление протекает так, как если бы ко-
		хождении через вещество
	эффициент поглощения α стал отрицатель-

ным (α<0).

Вещества, в которых создается инверсная населенность уровней, называются активными средами. А процесс создания активной среды называется на-

качкой.

Имеется целый ряд способов накачки. С этой целью либо стремятся создать избыток атомов на более высоком уровне энергии по отношению к некоторому более низкому, либо искусственно понизить населенность нижнего

35

уровня по отношению к более высокому.

Однако создать значительную инверсию населенностей возбужденного

уровня очень трудно из-за малого времени жизни атомов (~ 10 8 ÷ 10 9 с) в таком состоянии.

Советскими физиками Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым было предсказано существование энергетических состояний, время жизни атомов в которых, оказывается, значительно больше (~ 10 3 с), чем в возбужденном состоянии. Такие состояния были названы метастабильными (почти стабильными). Существование этих уровней позволяет получить инверсию населенности атомов на них, то есть создать активную среду.

7.2. Описание установки

3		5				1		5								4		3

2

Рис.7.2. Конструкция He – Ne лазера

Рассмотрим процесс создания активной среды на примере гелийнеонового лазера. Основным элементом гелий-неонового лазера является стеклянная газоразрядная трубка 1 (рис.7.2.), заполненная смесью двух газов: примесного (гелия) и рабочего (неона). Возбуждение газового разряда производится постоянным током от специального генератора накачки 2.

2					3
Электронный		удар			hν
				диффузия
					2
1					1
		He		Ne

Рис.7.3 Создание активной среды

Создание активной среды происходит следующим образом. Атомы He в процессе электрического разряда при столкновении с электронами возбуждаются и совершают переход из основного состояния 1 в возбужденное 2, являющееся метастабильным (рис.7.3.). Возбужденные атомы He, сталкиваясь неупруго с невозбужденными атомами Ne, передают им свою энергию.

Причем передача энергии осуществляется особенно эффективно при сов36

падении энергетических уровней у атомов разного сорта (2 у He и 3 у Ne). Такая резонансная передача энергии возбуждения с уровня 2 He на уровень 3 Ne приводит к их селективному заселению. При этом, чтобы процесс резонансного заселения уровня 3 Ne был более эффективным, число атомов примесного газа He в смеси делают значительно больше, чем у рабочего Ne (оптимальное соотношение парциальных давлений Ne и He в гелий-неоновом лазере находится в пределах от 1:5 до 1:15).

Снижение же населенности более низкого уровня 2 Ne (его «опустошение») осуществляется в основном за счет передачи энергии атомами Ne стенкам газоразрядной трубки при столкновении с ней (диффузия). Для более эффективного «опустошения» уровня 2 Ne диаметр трубки подбирают таким образом, чтобы атомы Ne, находящиеся на уровне 2, успевали бы добраться до стенок трубки и передать ей свою энергию (для газоразрядной трубки длиной 1м оптимальный диаметр составляет 7÷9 мм).

В этом случае вынужденные переходы атомов Ne с верхнего возбужденного уровня З с инверсной населенностью на «опустошенный» уровень 2 сопровождаются испусканием излучения в видимом диапазоне длин волн.

Возникшая при этом световая волна, проходя через активную среду, будет усиливаться (рис. 7.1, α<0), причем доля индуцированного излучения в ней возрастает. И чем длиннее путь, проходимый светом, тем большее число атомов участвует в переходе с верхнего уровня 3 на нижний 2 (происходит процесс самовозбуждения).

Значительного увеличения длины светового пути можно добиться, поместив газоразрядную трубку с активной средой (рис. 7.2.) между двумя плоскопараллельными зеркалами 3. При этом используется эффект многократного прохождения излучения через среду за счет отражения от зеркальных поверхностей, образующих открытый резонатор. Расстояние между зеркалами L выбирают таким образом, чтобы на нем укладывалось целое число длин полуволн λ/2: L = п · λ/2, п=1, 2, … (условие резонанса). В этом случае имеет место резонансное усиление электромагнитной энергии. Если одна из пластин резонатора полупрозрачна, то через нее излучается плоская волна.

Выходное излучение лазера получается узконаправленным, так как испускаются лишь волны, многократно отраженные от зеркальных стенок резонатора и не испытавшие сколько-нибудь существенного отклонения от его оптической оси. Фотоны же, направление движения которых не параллельно оси трубки, покидают ее через боковые стенки трубки. Ширина луча определяется по формуле

Θ 1,22 /d,

(7-2)

где Θ – угловой раствор луча, рад; λ – длина волны излучения энергии, м;

d – диаметр источника излучения, м.

Лазерное излучение является монохроматичным, так как оно сосредото37

чено в узкой полосе частот, или на «одной длине волны», что объясняется резонансным процессом усиления излучения.

Кроме того, такое излучение имеет высокую степень когерентности, которая говорит о том, что отдельные типы колебаний жестко связаны между собой. При этом наблюдается как пространственная когерентность вызванная тем, что все волновые фронты плоские и перпендикулярны направлению распространения волн, так и когерентность во времени, поскольку излучение монохроматично и имеется фазовое соответствие между волнами испускаемыми в разные интервалы времени.

Излучение лазера обладает значительной выходной мощностью, так как в индуцированном излучении может участвовать одновременно очень большое количество возбужденных атомов.

И, наконец, выходное излучение газового лазера обладает линейной поляризованностью, хотя сами атомы излучают свет произвольной поляризации. Поляризация лазерного излучения достигается тем, что газоразрядная трубка (рис. 7.2) замкнута с торцов плоскопараллельными пластинками 5 (окнами) из фтористого лития (LiF), которые расположены к оси трубки под углом Брюстера.

3.3. Порядок выполнения работы

Включение лазера осуществляется автоматически. Достаточно лишь включить тумблер «Сеть» на панели блока питания. При этом должна загореться сигнальная лампочка. Через несколько минут начинает генерировать излучение.

ВКЛЮЧАТЬ ЛАЗЕР МОЖЕТ ТОЛЬКО ЛАБОРАНТ ИЛИ ПРЕПОДАВАТЕЛЬ!

При работе с лазером необходимо строго соблюдать меры предосторожности, вытекающие из использования в системе его питания источника высокого постоянного напряжения. Студенты должны помнить о том, что всякое перемещение лазера как во включенном, так и в выключенном состоянии категорически запрещается!

Попадание в глаза прямого излучения лазера опасно для зрения. Поэтому при работе свет от лазера разрешается наблюдать исключительно после отражения на экране с рассеивающей поверхностью.

Упражнение 1. Измерение угла расходимости лазерного луча.

Для измерения расходимости луча в данной работе используется метод сечения пучка как наиболее простой.

Схема представлена на рис. 7.4.

Ла-

d

38 L

Д

Эк-

Рис. 7.4 Схема измерения угла расходимости излучения лазера

Упражнение выполняется в следующей последовательности:

1.Установить экран перпендикулярно оси пучка на расстоянии L от выходного отверстия лазера.

2.Измерить сечение луча на выходе из лазера d и на различных расстояниях от выходного зеркала Д. Диаметры луча измеряются визуально любым измерительным прибором. Если след луча на экране имеет не круглое сечение,

то следует измерять размеры пятна в вертикальном (Д1) и горизонтальном (Д2) направлениях. Тогда

Дср Д1 Д2 . 2

З. Рассчитать угол расходимости из выражения

	arctg	Дср d	,	(7-3)
		2L

иданные результаты подписать у преподавателя.

4.Измерения провести многократно. Результаты измерений и вычислений занести в табл. 7.1.

Таблица 7.1. Экспериментальные результаты измерения угловой расходимости луча лазера

№	L	d	Д1,	Д2,	Дср’	Θί’	<Θ>’	Θтеор’
п/п	м	м	м	м	м	рад	рад	рад
1
2
3
4
5

5.Провести математическую обработку результатов измерения.

6.Рассчитать теоретический угол расходимости луча лазера по формуле (7-2) и сравнить с полученным из опыта <Θ>.

7.Сделать соответствующие выводы.

39

Упражнение 2. Изучение спектра лазерного излучения и измерение длины волны.

Изучение спектров излучения (наблюдение спектральных линий) и измерение длин волн выполняется с помощью монохроматора типа УМ-2, который выделяет участки спектра в диапазоне длин волн от 380 до 1000 нм. Подробное описание монохроматора УМ-2 приведено в лабораторной работе 6.

Упражнение выполняется в следующей последовательности:

1. Провести градуировку монохроматора (см. описание в лаб.раб.6). Данные занести в табл. 7.2. и построить градуировочный график.

Таблица 7.2.

Экспериментальные результаты по изучению спектра излучения лазера

№		Цвет	Отчет	Длина волны
п/п		спектральной линии	по барабану	λ, м
1
2
3
·
14
Изучение
лазера

2. ВНИМАНИЕ! С ПОМОЩЬЮ МИКРОМЕТРИЧЕСКОГО ВИНТА 7 НА ОБЪЕКТИВЕ МОНОХРОМАТОРА УСТАНОВИТЬ МИНИМАЛЬНУЮ ШИРИНУ ВХОДНОЙ ЩЕЛИ МОНОХРОМАТОРА ТАК, ЧТОБЫ ИНТЕНСИВНОСТЬ САМЫХ ЯРКИХ ЖЕЛТЫХ ЛИНИЙ БЫЛА МИНИМАЛЬНОЙ.

З. С помощью конденсора сфокусировать луч лазера на щель монохроматора. В окуляр монохроматора наблюдать спектр лазерного излучения. Вращая барабан в обе стороны, убедиться в монохроматичности лазерного излучения (видна одна красная линия).

4.Совместив линию излучения лазера с острием указателя, произвести отсчет по барабану. Данные занести в табл. 7.2.

5.По градуировочному графику определить длину волны лазерного излу-

чения.

6.Сравнить полученный результат с табличным и сделать вывод.

40