Робота № 6. Вивчення спектрального складу лазерного випромінювання
Обладнання: лазер, спектроскоп, високовольтний генератор „Спектр -1", випрямляч ВС 4-12, штатив, спектральні трубки (учбові) з гелієм і неоном.
При складанні теоретичних відомостей до цієї роботи слід враховувати ту обставину, що пристрій і робота газового лазера в посібнику з фізики для 11 класу не розглянуті [17, 21, 22, 25, 33].
При цьому варто звернути увагу на те, що в розрядній трубці лазера активною речовиною є суміш двох газів: гелію і неону. Збудження атомів неону, випромінювання яких потім виділяється резонатором і генерується лазером, здійснюється через наявність атомів гелію. Схематична картина деяких енергетичних рівнів атомів гелію і неону була показана на рис. 1.12, де стрілками показані процеси, що відбуваються в розрядній трубці.
Збуджені атоми гелію в результаті електричного розряду переходять з основного в метастабільний стан 21S1, на якому час життя атомів більший (10-3с). Метастабільні рівні гелію 21S енергетично дуже близькі рівням неону 3S2, що дозволяє атомам гелію при зіткненні передавати атомам неону частину своєї енергії і переводити їх в збуджений стан 3S, що характеризується декількома рівнями. Cамовільне випромінювання окремих збуджених атомів неону породжує фотони, відповідні електронним переходам в атомах неону з рівнів 3S на рівні 2р. Ці фотони викликають далі індуковане випромінювання інших збуджених атомів неону, що згодом виділяється резонатором.
Детальніше теоретичні відомості можна викласти, користуючись методичною літературою [3; 44 ]
У ході виконання цієї роботи учням пропонується вивчити за допомогою спектроскопа випромінювання газової суміші в розрядній трубці з бічної сторони і зіставити спектр газової суміші зі спектрами, що спостерігаються у випадку вивчення випромінювання спектральних трубок окремо з He i Ne.
Потім
на вхідну щілину спектроскопа направляють
частину розширеного пучка лазерного
випромінювання. У цьому випадку
спостерігається лише одна червона
спектральна лінія, що дозволяє зробити
висновок про монохроматичність
випромінювання лазера. У цьому разі
можна скористатися і дифракційними
ґратками, за допомогою яких на екрані
спостерігати лише одну червону лінію
з
.
У цьому варіанті демонстрації є можливість
одержати і кількісні результати,
розв’язавши відповідну експериментальну
задачу.
При вивченні випромінювання спектральних трубок газової суміші розрядної трубки лазера і випромінювання, що генерується лазером, учням рекомендується замалювати всі спостережувані спектри на одному листку у порядку їх спостереження з урахуванням показів мікрометричного гвинта спектроскопа. Це дозволяє їм краще з’ясувати сутність явищ, що вивчаються в даній роботі.
Робота №7. Перевірка закону збереження енергії в інтерференційній картині від випромінювання окг
Обладнання: лазер, лінза, екран, фотоелемент селеновий, гальванометр М-273-21, пластинка з металевої фольги з двома отворами, штатив, шторка.
Висока просторова когерентність лазерного випромінювання дозволяє провести досліди з інтерференції світла (наприклад, дослід Юнга з двома отворами) при великій різниці ходу пучків, що інтерферують.
Розповсюдження енергії світлових хвиль у просторі при інтерференції, як відомо відрізняється від розподілу енергії у разі відсутності інтерференції, але при цьому закон збереження енергії виконується. При виконанні даної роботи учні перевіряють як розподіляється енергія двох пучків при їх інтерференції, вимірюючи їх енергію в області, де має місце перекриття, і зіставляють виміряні результати із значенням енергії кожного з пучків, що інтерферує.
Теоретичні відомості і хід виконання цієї роботи детальніше можна розглянути за посібником [21].
Доцільно в даній роботі запропонувати учням виміряти і зіставити одержані результати при вимірюванні інтенсивності світла в максимумах і мінімумах інтерференційної картини. Для вимірювання інтенсивності інтерференційних максимумів і мінімумів фотоелементом необхідно закрити фотоелемент чорним папером, в якій вирізана щілина, що відповідає ширині світлої або темної інтерференційної смуги на екрані.
Установка для перевірки закону збереження енергії в інтерференційній картині від лазерного випромінювання в досліді Юнга має вигляд, показаний на рис. 3.5.
Рис. 3.5. Схема установки лабораторної роботи для перевірки закону збереження енергії при інтерференції світла: 1 - лазер, 2 - фольга з двома отворами діаметром близько 0,1÷0,2 мм, які розташовані на відстані 0,4÷0,6 мм, 3 –діафрагма, 4 - екран, 5 - фотоелемент, 6 - гальванометр.
Виконуючи роботу, учні спочатку одержують чітку інтерференційну картину на екрані, а потім на його місце ставлять фотоелемент, сполучений з гальванометром, і проводять вимірювання інтенсивності одержаної картини від обох отворів і від кожного окремо взятого отвору.
За одержаними результатами роблять висновки про справедливість закону збереження енергії при інтерференції світла, коли світло проходить окремо через одне, а потім через друге і врешті через обидва отвори одночасно і дає інтерференційну картину.