IV. Экспериментальная часть

I.Исследование спектра излучения гелия, неона и гелий-неонового лазера.

Работа проводится при помощи монохроматора УМ-2, на рельс которого устанавливаются поочередно неоновая лампа, гелиевая трубка и лазер ЛГ-29.

З а д а н и е I. Наблюдение спектра неона.

Получите спектр излучения неона. Измерьте длины волн всех наиболее ярких линий спектра. Найдите линию, соответствующую длине волны 632,8 нм.

З а д а н и е 2. Наблюдение спектра гелия.

Получите спектр гелия. Найдите длины волн самых ярких линий.

З а д а н и е 3. Получите спектр излучения лазерной трубки.

Убедитесь, что в нем присутствуют линии излучения гелия и неона, в том числе и линия 632,8 нм.

 

2. Изучение соотношения неопределенностей для фотонов.

Пусть плоская волна падает на щель шириной b (рис.5). После щели световые волны распространяются во всевозможных направлениях. Большая часть энергии прошедшей волны приходится на сектор углов 0<j<j₁, где угол j₁, отвечающий направлению на первый минимум, подчиняется интерференционному условию

. (2)

Соотношение (2) определяет условную границу j=j₁спектра плоских волн на выходе из щели. Учитывая, что излучение рассеивается как на большие (j>j₁), так и на меньшие (j<j₁) углы, можно записать следующее волновое условие неопределенности:

, (3)

которому подчиняются углы для большей части плоских волн, рассеянных на щели.

Неравенство (3) относится к волнам любой физической природы. Оно указывает, что сужение щели обязательно сопровождается уширением сектора направлений, в котором сосредоточено дифракционное поле. Рассматриваемое соотношение (2) можно записать иначе, если представить электромагнитную (световую) волну как поток фотонов с энергией и импульсом . Пусть падающие фотоны имеют только z-компоненту импульса . После прохождения через щель у фотонов появляется х‑;компонента импульса (рис.6): . Для фотонов, отклоняющихся на разные углы, значения р_х различны. В силу (3) имеем:

. (4)

Это соотношение обычно записывается в виде

, (5)

где - область локализации (неопределенность местоположения) фотонов в плоскости экрана z - 0, a - область значений (неопределенность) компоненты импульса.

 

Соотношение (5) показывает, что произведение неопределенности координаты на неопределенность соответствующего ей импульса имеет величину порядка h=6,62×10^-34 Дж/с. Чем точнее определена одна из этих величин, например чем уже щель, через которую проходят фотоны, тем неопределеннее становится импульс p_х и, наоборот, чем шире щель (Dx®¥), тем определеннее импульс (Dx®0). Очевидно, если одна из величин Dx и Dримеет вполне определенное значение, то другая является совершенно неопределенной.

В данной работе соотношение неопределенности (5) проверяется экспериментально для фотонов. На опыте измеряется ширина щели, характеризующая неопределенность координаты фотона Dx и ширина дифракционной картины, характеризующая неопределенность поперечного импульса фотона Dp_x.

З а д а н и е 4. Проверка соотношения неопределенностей.

Используя салазки, на которых установлена калиброванная щель, добейтесь того, чтобы луч лазера прошел через ее отверстие и попал на экран. Изменяя размер щели от 0,1 до 0,40 мм через каждые 0,03-0,05 мм, произведите 7 - 12 измерений, которые заключаются в определении ширмы 2Д главного максимума дифракционной картины, полученной на экране (рис.6). Измерьте ширину главного максимума. Для увеличения точности измерений установите калиброванную щель на расстоянии не менее 1,5 м от экрана. Ширину максимума определите по положению темных полос, окаймляющих максимум.

Поскольку , то . Учитывая, что это действительно так, построив таблицу значений . Выразить зависимость от графически.

 

V. Контрольные вопросы

1. Что такое спонтанное и вынужденное излучение? В чем их отличие?

2. Какие общие принципы работы лазера?

3. Каков физический смысл коэффициента Эйнштейна?

4. Что такое инверсная населенность? Каким образом осуществляется инверсная населенность в гелий-неоновом лазере?

5. Из каких: основных частей состоит лазер? Каково их назначение?

6. Каковы свойства лазерного излучения?

7. В чем заключается физический смысл соотношения неопределенностей^?

8. Назовите известные Вам типы оптических квантовых генераторов.