Порядок выполнения работы. 1. Ознакомиться с устройством и принципом действия гелий-неонового лазера (см

1. Ознакомиться с устройством и принципом действия гелий-неонового лазера (см. описание к работе «Определение длины волны излучения оптического квантового генератора»).

2. Установить на оптической скамье рейтер с узкой щелью. Закрепить съемный экран.

3. Включить лазер.

4. Перемещениями установить щель так, чтобы лазерный луч попадал по центру щели перпендикулярно ее плоскости. Регулировкой ширины щели получить на экране четкую дифракционную картину.

5. Измерить расстояния x_k между минимумами интенсивности на экране. Измерить расстояние l от щели до экрана. Результаты измерений занести в таблицу.

Таблица результатов эксперимента по дифракции на узкой щели.

k	xk, мм	l, см	a, мкм
…

6. Из условия дифракционных минимумов (3) с учетом соотношения sinj » tgj = , справедливого для малых углов дифракции, вычислить ширину дифракционной щели по формуле

a = ,

где k – порядок дифракционного минимума, l – расстояние от щели до экрана, x_k – расстояние между дифракционными минимумами порядка k. Результаты вычислений занести в таблицу.

7. Вычислить приближенное (среднее арифметическое) значение ширины щели a_ср, абсолютную Da и относительную Da/a_ср погрешности. Результат записать в виде a = (a_ср ± Da) мкм.

8. Снять экран. Установить фотодиод в среднее положение (включение механизма перемещения осуществляется тумблерами на передней панели блока).

9. Включить гальванометрический усилитель и автоматический потенциометр (самописец). Получить на диаграммной ленте кривые распределения интенсивности света в дифракционной картине. Полученные кривые приложить к отчету.

10. Рассчитать соотношение интенсивностей I₀ : I₁ : I₂ : I₃ и сравнить его с теоретическим.

11. Написать выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. В чем заключается явление дифракции? Каковы оптимальные условия для наблюдения дифракции?

2. Как формулируется принцип Гюйгенса – Френеля?

3. Чем отличается дифракция Фраунгофера от дифракции Френеля? Приведите схемы получения сферических и плоских волн.

4. Обоснуйте условия образования максимумов и минимумов при дифракции от щели.

5. Как будет меняться дифракционная картина при сужении (расширении) щели? При уменьшении (увеличении) длины волны?

6. Как с помощью метода графического сложения амплитуд получить соотношение между интенсивностями света в дифракционной картине?

Часть IX. Квантовая оптика

ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОСТОЯННОЙ СТЕФАНА-БОЛЬЦМАНА
С ПОМОЩЬЮ ОПТИЧЕСКОГО ПИРОМЕТРА

Цель работы: определить постоянную Стефана-Больцмана посредством изучения излучения нечерного тела - вольфрамовой спирали.

Приборы и принадлежности: оптический пирометр с исчезающей нитью, лампа накаливания с вольфрамовой спиралью, трансформатор, амперметр, вольтметр, источник постоянного тока Б5-30.

Теоретическое введение

Электромагнитное излучение, причиной которого является возбуждение атомов и молекул вещества вследствие их теплового движения, называется тепловым излучением. Наиболее просто законы теплового излучения формулируются для так называемого абсолютно черного тела. Под последним понимают тело, целиком поглощающее всю падающую на него лучистую энергию. По поглощающим свойствам к абсолютно черному телу близки такие вещества, как: сажа, платиновая чернь, черный бархат. Хорошей моделью абсолютно черного тела является полость с малым отверстием.

Важной характеристикой теплового излучения является интегральная испускательная способность (интегральная светимость) R_T излучающей поверхности. Она представляет собой энергию, излучаемую с единицы площади за единицу времени во всем интервале длин волн

R_T = (1)

Здесь W_изл - количество излученной энергии с поверхности S за время t.

Стефан и Больцман установили, что интегральная испускательная способность абсолютно черного тела R_АЧТ пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры, т.е.

R_АЧТ= s T⁴ (2)
Коэффициент пропорциональности s, получивший название постоянной Стефана-Болъцмана, является универсальной постоянной.

Для нечерных тел на основании закона Кирхгофа вместо (2) можно записать

R_T = a s T⁴
или

R_T = a R_АЧТ (3)
где a - интегральная поглощательная способность тела. Она показывает, какая доля равновесного излучения, падающего на тело, поглощается этим телом

a = (4)

Поглощательная способность тела зависит от температуры и различна для разных тел. Для абсолютно черного тела a = 1.

Если тело находится в тепловом равновесии с окружающей средой, то количество энергии, излучаемой телом, должно быть равно количеству поглощаемой энергии W_изл = W_погл. Поскольку W_изл = R S t, а W_погл = a W_пад, то R S t = a W_пад. С учетом уравнения (3) имеем

W_пад = R_АЧТ S t (5)

На основании этого можно сделать вывод: при тепловом равновесии на поверхность любого тела падает столько энергии, сколько излучалось бы этим телом, если бы его поверхность была абсолютно черной.

Рассмотрим неравновесное стационарное излучение вольфрамовой спирали, когда ее температура Т отличается от температуры окружающей среды Т₀ (Т > Т₀),

Спираль нагревается электрическим током и потребляет мощность N = U I, где U и I – соответственно, напряжение и сила тока. Кроме того, спираль поглощает часть падающего на нее излучения, которое зависит от температуры окружающих тел и будет таким же, как при тепловом равновесии при температуре Т₀.

В соответствии с формулой (5) за 1 сек на спираль падает энергия

R_АЧТ S = s T₀⁴ S

Поскольку спираль является серым телом, поглощается лишь часть этой энергии, равная a₀ s T₀⁴ S. С другой стороны, количество излученной энергии определяется температурой самой спирали и за 1 сек составит величину asT⁴S (см. формулу (3)). По закону сохранения энергии имеем

asT⁴S = UI + a₀sT₀⁴S.

Откуда

s = (6)

Если Т >> Т₀, то членом a₀ T₀⁴ можно пренебречь, и постоянная Стефана-Больцмана определится из формулы

s = (7)

В настоящей работе использована вольфрамовая спираль с площадью рабочей поверхности S = 0,70·10^–4 м². Спираль нагревается в интервале 800-1200°С. Для этого интервала температур можно принять a = const = 0,4. Комнатная температура (20-25°С) значительно ниже температуры спирали. Это обусловливает достаточно хорошее выполнение формулы (7).

Описание экспериментальной установки

Схема включения спирали электролампы в электрическую цепь, подсоединенную к вторичной обмотке понижающего трансформатора, приведена на рис. 1. Сила тока через лампу и напряжение на ней регулируются с помощью реостата R и измеряются амперметром и вольтметром. Температура раскаленной спирали измеряется оптическим пирометром с исчезающей питью.

	Рис.3. Общий вид пирометра ЭОП-66.

Оптическая схема и общий вид пирометра изображены, соответственно, на рис. 2 и 3, где: 1 - объектив зрительной трубы пирометра, 5 - окуляр, 3 - эталонная лампа, нить которой питается от источника тока через реостат и миллиамперметр (располагается в фокальной плоскости объектива).

Наблюдатель, смотрящий в окуляр 5, видит нить пирометрической лампы на фоне изображения источника излучения. Резкость изображения достигается с помощью вращения винта 7 и оправы окуляра 5.

Между объективом и пирометрической лампой помещен набор поглотителей светового потока 2, которые предназначены для расширения диапазона измеряемых температур. Поглотители помещены в специальную кассету и могут поочередно ставиться на пути света, идущего из объектива. Смена поглотителей производится с помощью вращения рифленого кольца в нижней части пирометрического блока. Степень ослабления зависит от положения кольца. Так, если мы видим на кольце одну черную точку, то это значит, что поглощения света нет. Если нам видны две черные точки, то поток ослаблен примерно в 2 раза. Когда снаружи находятся три точки - поток ослабляется примерно в 10 раз.

Между окуляром и лампой пирометра расположена кассета светофильтров 4 для получения монохроматического света.

Сила тока пирометрической лампы измеряется и регулируется с помощью, соответственно, амперметра и реостата, расположенных рядом с прибором.

При правильной установке прибора в середине поля зрения окуляра видна спираль исследуемой лампы. Точно в центре поля зрения видна круглая диафрагма окуляра и вершина нити эталонной лампы, находящаяся примерно на середине диафрагмы (рис.4). Определение температуры сводится к сравнению монохроматической яркости излучающего тела с яркостью эталона - нити лампы пирометра. Изменяя силу тока в пирометрической лампе, доводят ее яркость до совпадения с яркостью измеряемого объекта (нить исчезает на фоне изображения тела).

Рис. 4

В момент "исчезновения" нити по шкале амперметра производят отсчет силы тока I_пирв пирометрической лампе, для которой известна зависимость температуры нити от силы протекающего по ней тока. С использованием данной зависимости по величине I_пир в момент уравнивания яркостей нити и изображения объекта определяется температура объекта.

Если излучающее тело является абсолютно черным, то пирометр покажет его истинную температуру, так как шкала пирометра проградуирована по абсолютно черному телу. Если излучающее тело не является абсолютно черным (наш случай), то пирометр покажет так называемую яркостную температуру Т_я, которая отличается от истинной. Яркостная температура совпадает с истинной температурой абсолютно черного тела, имеющего такую же яркость излучения, как у исследуемого объекта. Истинная температур тела Т_ибудет выше яркостной. Это легко понять. Яркость излучения одинакова у черного и нечерного тела, а излучательная способность при одной и той же температуре у черного тела выше. Значит, чтобы давать одинаковую с черным телом яркость излучения, нечерное тело должно быть нагрето до более высокой температуры и, следовательно, Т_я < Т_и .

Зависимость между указанными температурами определяется формулой (8). (Вывод приведен в [5])

Т_и = (8)

где A = const; l – длина волны излучения, пропускаемого установленным светофильтром, a – поглощательная способность вольфрама для исследуемого интервала температур.

Порядок выполнения работы

Приступая к работе, следует помнить, что приборы – оптический пирометр и блок питания лампы – не допускают грубого обращения. Поэтому работать нужно крайне аккуратно. Категорически запрещается передвигать приборы, а также прилагать большие усилия к рукояткам и винтам.

1. Ознакомиться с измерительными приборами (рис. I) и устройством пирометра (рис. 2).

2. Получив разрешение лаборанта, включить вилку питания в сеть переменного напряжения.

3. Плавным перемещением ползунка реостата R исследуемой лампы установить на амперметре ток I = 3,4 А и измерить по вольтметру напряжение U .

4. Замкнуть цепь пирометрической лампы, включив блок питания в сеть.

5. Глядя в окуляр 5 пирометра (рис. 2)с помощью винта 6 добиться правильного расположения вольфрамовой спирали исследуемой лампы и пирометрической нити в поле зрения окуляра.

6. Сфокусировать изображение вольфрамовой нити с помощью винта 7. При этом должно быть видно резкое изображение диафрагмы.

7. Вращая оправу окуляра 5, добиться резкого изображения пирометрической нити.

8. Вращая рифленые кольца 4, 2, выбрать желаемый поглотитель и фильтр. В данной работе рифленые кольца установить так, чтобы была видна одна точка, т.е. без поглотителя, и был установлен красный светофильтр.

9. Увеличивая с помощью реостата пирометрической лампы ток через нить, добиться ее исчезновения в пределах диафрагмы.

10. Проделать это 5 раз при различных подходах к равенству яркостей нити и излучающего объекта со стороны меньшей и большей яркости нити. Измерить каждый раз ток пирометрической лампы амперметром. Данные занести в таблицу.

11. Повторить измерения при токе через исследуемую лампу 3,6 А и 3,8 А и результаты измерений занести в таблицу.

12. Закончив работу, установить реостат в положение "откл" и выключить приборы из электрической сети.

13. По средним значениям тока пирометрической лампы определить яркостные температуры вольфрамовой спирали Т_я (К), используя аппроксимационный полином

Т_я = –1688.9 + 17407 ´ I_пир – 32192 ´ I_пир² + 22147 ´ I_пир³ (9)

14. По формуле (8) вычислить истинную температуру Т_и спирали., используя данные: A = 1,433 ´10^–2 м K; l = 0,66 ´ 10^–6 м, a = 0,4.

Таблица.

Результаты пирометрических измерений и расчетов.

измерение №	I (A)	U (В)	Iпир (A)	<Iпир> (A)	Tя (K) расчет по формуле (9)	Tи (K) расчет по формуле (8)	s ( расчет по формуле (7)
						Среднее sприбл
						Погрешность Ds

15. Вычислить приближенное (среднее) значение s_прибл, абсолютную погрешность Ds и относительную погрешность e = .

Окончательный результат записать в виде: s= s_прибл ± Ds; e =

16. Сравнить полученное значение s_прибл с табличным.

Контрольные вопросы

1. Какое излучение называется тепловым?

2. Дать определение основным характеристикам теплового излучения.

3. Что называется абсолютно черным телом?

4. Закон Кирхгофа для теплового излучения.

5. Закон Стефана Больцмана, закон смещения Вина.

6. Начертить и проанализировать кривые, выражающие распределение энергии в спектре абсолютно черного тела по длинам волн для различных температур.

7. Вывести расчетную формулу для определения s.

8. Описать принципиальное устройство оптического пирометра с исчезающей нитью.

9. Дать определение яркостной температуры. Объяснить, почему она ниже истинной температуры нечерного тела?

Литература:

1. Ландсберг Г.С. Оптика.- М: Наука, 1976.

2. Кортнев А.В., Рублев Ю.В., Куценко А.Н. Практикум по физике.- М: Высшая школа, 1965.

3. Фриш С.Э. и Тиморева А.В. Курс общей физики, т.III. – М.: Физматгиз, 1962.

4. Корсунский М.И. Оптика. строение атома, атомное ядро. – М.; Наука, 1967.

ИЗУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ФОТОЭЛЕМЕНТА

Цель работы: по экспериментальным данным построить графики вольтамперной и спектральной характеристик фотоэлемента ЦГ-4 (цезиевого газонаполненного).

Приборы и принадлежности: выпрямитель, вольтметр постоянного тока, микроамперметр, монохроматор УМ-2, источник света, селеновый и цезиевый (ЦГ-4) фотоэлементы.

Теоретическое введение

Фотоэффект

Различают три вида фотоэффекта:

· Внешний фотоэффект – выход электронов под действием электромагнитного излучения. Внешний фотоэффект наблюдается для твердых тел (металлов, полупроводников, диэлектриков).

· Внутренний фотоэффект – это изменение проводимости веществ, вызванное электромагнитным излучением. Под действием электромагнитного излучения электроны внутри полупроводника или диэлектрика переходят из связанных состояний в свободные. В результате концентрация носителей тока внутри тела увеличивается, что приводит к возникновению фотопроводимости (повышению электропроводности полупроводника или диэлектрика при его освещении) или к возникновению э.д.с.

· Вентильный фотоэффект (является разновидностью внутреннего фотоэффекта) – возникновение дополнительной э.д.с. (фото-э.д.с.) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего электрического поля). Вентильный фотоэффект, таким образом открывает пути для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую.

Внешний фотоэффект обнаружен в 1887 г. Г.Герцем, наблюдавшим инициирование процесса разряда при облучении искрового промежутка ультрафиолетовым излучением. Первые фундаментальные исследования фотоэффекта были выполнены русским ученым А.Г.Столетовым.