Difraktsioonispektrite arv on piiratud ja määratud tingimusega

sinΘ =m/d1. (4)

(4) järeldub, et mida suurem on võrekonstant, seda suurem on vaadeldavate maksimumide arv, kuid maksimumid muutuvad sel juhul vähem eredateks.

Eksperimentaalse seadistuse kirjeldus

Töös on kasutatud laboripraktikas levinud resti, milleks on klaasplaat, millele tehakse spetsiaalse teemantlõikuriga jagamismasina abil rida paralleelseid lööke.

Läbipaindenurga mõõtmiseks kasutatakse goniomeetrit, mille skeem on näidatud joonisel 3.

Goniomeeter koosneb teleskoobist T, kollimaatorist K, lauast C, sihverplaadist E, noonjerist N. Kollimaatorit kasutatakse paralleelse valgusvihu tekitamiseks. See koosneb objektiiviga O välistorust ja läätse fookustasandisse paigaldatud sissepääsupiluga U sisemisest torust. Tasapinnaline valguslaine (paralleelne valgusvihk) väljub kollimaatorist ja langeb difraktsioonvõrele. Valguskiired kogutakse teleskoobi läätsele ja moodustavad reaalse pildi kollimaatori pilust fookustasandis. Okulaari vaateväljas on üheaegselt näha niitide rist ja pilu tegelik pilt (difraktsioonimaksimum). Teleskoopi liigutades saate filamentide risti joondada mis tahes difraktsioonimaksimumidega. Uuritava kiirguse allikaks on neoonlamp.

Töö lõpetamine

Difraktsioonvõrega töötades on peamiseks ülesandeks täpselt mõõta nurki, mille juures vaadeldakse erinevate lainepikkuste maksimume.

Enne töö alustamist on vaja goniomeetrit reguleerida. Selleks vajate:

1. Seadke teleskoop lõpmatusse, st kaugel asuvate objektide selgelt nägemiseks;

2. Asetage valgusallikas (neoonlamp) kollimaatori pilu vastas;

3. Paigaldage teleskoop nii, et selle optiline telg oleks kollimaatori telje jätk. See saavutatakse, kui toruokulaari vertikaaljoon on pilupildi keskel;

4. Asetage rest lavale nii, et okulaari keerme oleks keskse heledaima riba keskel (nulljärku spekter). Hea spektri saamiseks tuleb võre paigaldada kiirte kiirega risti nii, et selle sooned kulgeksid paralleelselt kollimaatori piluga.

Lainepikkuste mõõtmiseks saab kasutada teadaoleva perioodiga difraktsioonvõret. Töö tegemisel jääb võre paigale ja teleskoopi pööratakse nii, et uuritava spektrijoone kujutis langeb kokku okulaari keermega.

Lainepikkus määratakse võre valemi järgi
. Siin d = 0,01 mm; m - spektri järjekord või maksimaalne arv. See võrrand on põhiline arvutusvalem valguse lainepikkuste arvutamiseks difraktsioonivõrede abil.

Lainepikkuse mõõtmine taandub nurga määramisele kiirte kõrvalekalded algsest suunast. Edasine töö toimub järgmises järjekorras.

1. Mõõtke nulljoone n 0 asukoht. Selleks tuleb okulaari niit joondada nulljärku spektri keskpunktiga (keskmine hele triip) ning määrata ümmarguse sihverplaadi ja noonuse abil n 0 väärtus.

2. Samamoodi tehke 1. ja 2. järku spektrite punase, kollase ja rohelise joone näidud, joondades iga kord okulaari keerme vastava joonega. Mõõtmised tuleks läbi viia joonisel 4 näidatud järjekorras.

3. Sisestage mõõtmistulemused tabelisse 1.

4. Kui kõik näidised paremal on tähistatud , ja vasakul - , siis saab sama sirge nurga arvutada kolmel viisil (valemid on toodud allpool):

.

Rohelise joone puhul tellin näiteks n 1 =n 1 ja n’ 1 =n 2, kollase joone puhul n 1 =n 3, n’ 1 =n 4 jne. (vt tabel 1).

5. Teades nurka, määrake iga spektrijoone lainepikkus.

Tabel 1.

		rea number joonise järgi	parempoolsel sihverplaadil loendur	loendur vasakpoolsel sihverplaadil

KONTROLLKÜSIMUSED

1. Milliseid laineid nimetatakse koherentseteks?

2. Mis on difraktsiooni nähtus?

3. Sõnastage Huygensi-Fresneli põhimõte.

4. Mis tüüpi difraktsiooni töös täheldatakse?

5. Milline värvijoon 1. ja kõrgema järgu spektris on keskmaksimumile kõige lähemal?

6. Kuidas erinevad erinevate konstantidega, kuid sama joonte arvuga võretest saadud difraktsioonimustrid?

7. Kuidas muutub difraktsioonimuster, kui osa võrest on suletud nagu joonisel?

8. Milline on difraktsioonispektrite värvide järjekord?

9. Mis värvi on null maksimum? Miks ta selline on?

10. Kuidas muutub difraktsioonimuster, kui muuta pilu laiust ilma võrekonstanti muutmata?

KIRJANDUS

1. Sivukhin D.V. Üldine kursus Füüsika. T.3. Optika. M.: Nauka, 1985.- 752 lk.

2. Saveljev I.V üldfüüsika. T.2. Elekter ja magnetism. Lained. Optika. M.: Nauka, 1988.-496 lk.

3. Feynman R., Leighton R., Sands M. Feyman loenguid füüsikast. T.3-4. Kiirgus. Lained. Quanta. M.: Mir, 1977.- 496 lk.

4. Landsberg G. S. Optika. M.: Nauka, 1976.- 823 lk.

5. Kalitejevski N. I. Laine optika. M.: lõpetanud kool, 1978.- 321 lk.

Laboratoorsed tööd nr 4 MALUSE ÕIGUSTE ÕPING

Töö eesmärk: Maluse seaduse eksperimentaalne kontrollimine.

Seadmed ja tarvikud: pooljuht (GaAs) laservalgusallikas, fotodetektor, galvanomeeter, analüsaator, millele on kantud nurgamärgised (ühe jaotuse hind on 1 o).

Töö teoreetiline osa

Elektromagnetiteooria seisukohalt on valgus ristsuunalised elektromagnetlained, milles elektrilise E ja magnetvälja H vektorid võnguvad üksteisega risti asetsevates tasandites. Elektromagnetlainet (e/m) nimetatakse lineaarselt polariseeritud ehk tasapinnaliseks, kui elektrivektor E asub alati samal tasapinnal, milles asub ka lainefrondi normaalne k (joonis 1). Tasapinda, mis sisaldab normaalset k ees ja milles asub e/m laine elektrivektor E, nimetatakse polarisatsioonitasandiks. Loomulik valgus ei ole polariseeritud, see on paljude üksikute aatomite kiirgavate valguslainete kogum ning E- ja H-vektorid võnguvad juhuslikult kõigis kiirtega risti olevates suundades. IN loomulik valgus vektori E kõik võnkesuunad osutuvad võrdselt tõenäolisteks. Loodusliku valguse hulka kuuluvad päevavalgus, hõõglamp jne.

Lineaarselt polariseeritud valguse saamiseks kasutatakse praktikas sageli turmaliini või geropatiidi kristallidest valmistatud polaroide. Iga polaroidi iseloomustab optiline telg , mis on eelistatud suund. Füüsiline tähendus pühendatud suund sel juhul on järgmine. Laske valgusel langeda polaroidile risti selle optilist telge sisaldava tasapinnaga. E/m laine elektrivektori E saab lagundada kaheks komponendiks. Neid komponente saab alati valida nii, et üks neist, näiteks E y, oleks paralleelne optilise teljega  ja teine, nimetagem seda E x, oleks risti -ga. Kui loomulik valgus on suunatud polaroidile, siis läbivad polaroidi ainult need e/m lained, mille elektrivektoritel E on komponendid E y (paralleelselt polaroidi optilise teljega). Sel juhul toimub loomuliku valguse polariseerumine.

See. Valguse polariseerimine polaroidide abil seisneb valgusvihust teatud suunas võnkumiste eraldamises. Kui loomulik valgus langeb polarisaatorile, mille intensiivsus I on, siis läbiva polariseeritud valguse intensiivsus I ei sõltu polarisaatori orientatsioonist (selle pöörlemisest ümber kiire) ja on võrdne poolega langeva valguse intensiivsusest. loomulik valgus:

Inimsilm ei erista polariseeritud valgust loomulikust valgusest. Polariseeritud valguse analüüsimiseks saab kasutada ka seadet, mis on võimeline edastama valgusvektori E komponenti, mis võngub ainult teatud tasapinnas; sel juhul nimetatakse seda analüsaatoriks. Kui analüsaatorile langeb osaliselt polariseeritud valgus, kaasneb analüsaatori pöörlemisega ümber valgusvihu läbiva valguse intensiivsuse muutumine maksimumist (analüsaatori tasapind ühtib yy suunaga) miinimumini.

Kui analüsaatorile A langeb tasapinnaline polariseeritud valgus (joonis 3), jääb komponent vahele

, (1)

kus  on nurk langeva valguse võnketasandi pp ja analüsaatori tasandi aa vahel. Kuna valguse intensiivsus on võrdeline E 2 -ga, saame (1) arvesse võttes:

kus I on analüsaatorist väljuva valguse intensiivsus, I o on langeva valguse intensiivsus. Valem (2) väljendab Maluse seadust. Pöörates analüsaatorit ümber kiire, saate leida selle asukoha, kus valgus seda üldse ei läbi (intensiivsus I muutub nulliks). See on usaldusväärne viis tagada, et langev valgus on täielikult polariseeritud. Kui loomulik valgus intensiivsusega, mida ma söön, läbib järjestikku polarisaatorit ja analüsaatorit, on tekkiv kiir intensiivsus.

Kui α=0 (polarisaatori ja analüsaatori tasandid on paralleelsed), on intensiivsus  maksimaalne ja võrdne . "Risti" polarisaator ja analüsaator
Nad ei lase üldse valgust sisse.

Kursusetööd >> Ökoloogia

Võib teostada spektrofotomeetria, fotokolorimeetria ja kolorimeetria abil. TO optiline meetodid hõlmavad turbodimeetriat ja nefelomeetriat - analüüs..., 1990. -480lk. Vassiljev V.P. Analüütiline keemia. Kell 14.00 2. osa. Füüsika – keemilised meetodid analüüs: Proc. Sest...

Optiline kaablid ja nende omadused

Loeng >> Side ja side

Üldised põhinõuded füüsiline- mehaanilised omadused optiline kaablid on: - kõrge tugevusega... on välja töötatud ja toodetud suur hulk konstruktsioone optiline kaablid Enim levinud sai neli...

Füüsika-keemilised analüüsimeetodid, nende klassifikatsioon ja põhitehnikad

Abstraktne >> Keemia

Nende klassifikatsioon ja põhitehnikad Füüsika-keemilised analüüsimeetodid (FCMA) ... . Suurim praktiline kasutamine on optiline, kromatograafilised ja potentsiomeetrilised analüüsimeetodid... spektri osad =10-3...10-8 m Optiline meetodid (IR-spektroskoopia, ...

1. Asetage punktiga difraktsioonvõre seadme raami ja kinnitage see alusele.

2. Lülitage valgusallikas sisse. Vaadates läbi difraktsioonvõre, näete varje mõlemal küljel mustal taustal märgatavaid jälgi difraktsioonispektrid mitu suurusjärku. Kui spektrid on kallutatud, pöörake võre teatud nurga all, kuni kalle kaob.

3. Seadke skaala kaugusele R alates difraktsioonvõre.

4. Sisestage raami valgusfilter, alustades punasest ja kasutades läbi võre vaadatuna kilbi skaalat, määrake kaugus S pilust vaadeldud 1. ja 2. järgu joonteni. Sisestage mõõtmistulemused tabelisse 6.

5. Tehke sammu 4 erinevat värvi kiirte jaoks, sisestades ülejäänud filtrid raami.

6. Tehke lk. 4–5 kolm korda liigutades skaalat kaugusesse R 10-15 cm.

7. Määrake valemiga (1) valguse lainepikkus kõigi kiirte värvide jaoks ja sisestage see tabelisse 6. Arvutage iga valguslaine aritmeetiline keskmine pikkus.

Tabel 6. Erinevate värvide valguse lainepikkused

k

R, mm

S, mm

l, nm

TO

KOHTA

JA

Z

G

KOOS

F

TO

KOHTA

JA

Z

G

KOOS

F

Keskmine lainepikkus

Kontrollküsimused

1. Mis on Huygensi-Fresneli printsiip?

2. Milliseid laineid nimetatakse koherentseteks?

3. Mida nimetatakse valguse difraktsiooniks? Kuidas seda nähtust seletatakse?

4. Milline on difraktsioonispektrite värvide järjekord? Mis on nulli maksimumi värv?

5. Mille poolest erinevad sama arvu piludega, kuid erinevate konstantidega võre ja samade konstantidega, kuid erineva pilude arvuga võre tekitatud difraktsioonispektrid?

6. Kuidas muutub difraktsioonvõre mõju, kui see asetada vette?

7. Kuidas seletada difraktsioonispektri tekkimist ühest pilust ekraanil pilu läbivatest kiirtest? Mis määrab intensiivsuse jaotuse ekraani keskel?

8. Ühemõõtmeline difraktsioonvõre. Kuidas seletatakse difraktsioonimustri tekkimist ekraanil? Millistes punktides täheldatakse intensiivsuse maksimume, millistel miinimumidel ja miks?

9. Kuidas erinevad difraktsioonimustrid, kui võre valgustatakse monokromaatilise ja valge valgusega? Kuidas neid nähtusi seletada?

10. Mis on valguse interferents? Kas see nähtus on seotud difraktsioonispektri moodustumisega pilul või võrel?

11. valge valgus langeb tavaliselt ühemõõtmelisele difraktsioonvõrele, mis sisaldab 100 pilu 1 mm kohta. Kuidas jaotub valguse intensiivsus ekraanil? Mitu täiendavat madalseisu on ekraanil kahe peamise kõrgeima taseme vahel? Millised on suuremate maksimumide ja põhimiinimumide kujunemise tingimused?

12. Valge valgus langeb normaalselt difraktsioonvõrele ja õhukesele suurema läbimõõduga läätsele. Kuidas seletada valguse läätse ja difraktsioonvõre läbimisel ekraanil tekkivaid mustreid?

13. Millised on nähtava valguse lainepikkused? Kas need on kõikuvad?

14. Millest sõltub difraktsioonispektri ribade laius? Mida vaadeldakse ekraanil, kui pilu laius on palju suurem kui lainepikkus l? Kuidas seda nähtust seletatakse?

15. Milline on difraktsioonvõre lineaar- ja nurkdispersioon?

16. Milline on difraktsioonvõre lahutusvõime?

17. Tooge näide kahe kohta saadud difraktsioonimustrite kohta spektrijooned kasutades reste, mis erinevad eraldusvõime ja lineaarse dispersiooni poolest.

Loe ka: I. Fraunhoferi difraktsioon ühe pilu järgi ja pilu laiuse määramine. I. Mitraalava stenoosi õendusprotsess: etioloogia, vereringehäirete mehhanism, kliinik, patsiendi hooldus. PEATÜKK 7. Tasapinnalise ELEKTROMAGNETLaine difraktsioon IDEAALSELT JUHTIVA SILINdri poolt PEATÜKK 8. Tasapinnalise elektromagnetlaine DIFRAKTSIOON ideaalselt juhtivas ekraanis olevas ringikujulises AUUS ja ideaalselt juhtivas kettas DIFRAKTSIOONVÕRV SPEKTRAALSEADMENA. DIFRAKTSIOONVÕRE ERALUTSUSVÕIMSUS. BRAGG DIFRAKTSIOON. DIFRAKTSIOON PALJUDE JUHUSLIKULT POSITSEERITUD TAKISTUSTE POOLT

Töö nr 3. DIFRAKTSIOON

Töö eesmärk:õppida saama difraktsioonimustreid erinevatelt objektidelt lahknevates kiirtes, määrama difraktsioonimustri järgi valguse lainepikkust.

Küsimused, mida pead teadma

töö tegemiseks loa saamiseks:

1. Mis on valguse difraktsiooni nähtus?

2. Huygensi-Fresneli põhimõte.

3. Fresneli tsooni meetod.

4. Kuidas saab Fresneli tsoonide arvu määrata ümmargusest avast saadud difraktsioonimustri tüübi järgi?

5. Mis vahe on Fraunhoferi difraktsioonil ja Fresneli difraktsioonil?

6. Ringikujulise ekraani ja ümmarguse augu lahknevate ja paralleelsete kiirte difraktsioon.

7. Milline on difraktsioonispektrite värvide järjekord? Mis on nulli maksimumi värv?

8. Mida nimetatakse tsooni plaat?

SISSEJUHATUS

Difraktsioon on valguskiire kõrvalekaldumise nähtus sirgjooneline levik või kerge paindumine läbipaistmatute objektide ümber. Pärast difraktsiooni võivad sirgest levimisest kõrvalekalduvad kiired teineteisega kohtuda ja kattuda ning kuna need on saadud samast lainest, on nad koherentsed (vt tööd valguse interferentsi kohta) ja moodustavad seetõttu interferentsimustri (vahelduvad maksimumid ja kiirgus miinimumid). Seda mustrit nimetatakse "difraktsioonimustriks". Sellise pildi analüüsimiseks on vaja teada vastutulevate lainete amplituude ja faase.

Vaatleme difraktsiooni lahknevates kiirtes (Fresneli difraktsioon) ja difraktsiooni paralleelkiirtes (Fraunhoferi difraktsioon).

Difraktsioon ümmarguse augu lahknevates kiirtes (Fresneli difraktsioon)

Punkti saabuvate võnkumiste amplituudid A lainepinna erinevatest osadest (joonis 1), sõltuvad kaugusest ( b) nendest jaotistest punktini A, nende suurus ja nurk a normaalse ja vahel

lainefront ja suund punktini A. Kõigist lõikudest saadud võnkumiste amplituudi leidmisel tuleb arvestada ka asjaoluga, et üksikute võnkumiste faasid ei pruugi kokku langeda, kuna nende teed punktini on erinevad A. Võnkumiste amplituudi leidmine, in üldine juhtum piisav raske ülesanne. Fresnel pakkus välja lihtsa meetodi, mille kasutamine annab mitmel lihtsal juhul kvalitatiivselt õige difraktsioonimustri.

Kui laineteed on erinevad ( – lainepikkus), tekivad võnked antifaasis ja tühistavad üksteist. Fresnel tegi ettepaneku jagada lainefront tsoonideks, äärmuslikud punktid mis tekitavad antifaasis võnkumisi, on see tsoon osa lainefrondi sfäärilisest pinnast.

Fresneli tsoonid on konstrueeritud järgmiselt. Kesktsoon (joon. 1) hõlmab kõiki punkte, mille võnkumiste faaside erinevus punktis A ei ületa lk(mille kaugus punktini A mitte rohkem b 1 = , kus b – lühim vahemaa lainefrondist punktini A). Kõrval asuv teine ​​tsoon (tee erinevusega ) tähistab sfääri rõngapiirkonda, mis on suletud punktide vahele, mille jaoks ühelt poolt ja , teisel pool. See on ilmne järgmised tsoonid on samuti ringikujuline, väljastpoolt piiratud punktidega, mille jaoks , kus k- tsooni number. Võib näidata, et kõigi tsoonide pindalad ja raadius on ligikaudu võrdsed k tsoon on võrdne

. (1)

Kõigi Fresneli tsoonide võnkumiste amplituudi arvutamine punktis A mugav peal toota vektordiagramm. Selleks jagame mõtteliselt iga Fresneli tsooni suur number kontsentrilised alamtsoonid sama piirkond. Siis saab kogu alamtsooni võnkumiste amplituudi esitada elementaarvektorite summana, mille vahel on väike faasinihe, st pöörlemine võrra dj, ja äärmuslikud elementaarvektorid nihutatakse faasis nurga võrra lk, st suunatud poole vastasküljed. Kõik tsooni elementaarvektorid moodustavad koos poolringi ja sellest tulenev võnkeamplituud E 1 ühest tsoonist saab leida kõigi vektorite summeerimisel, st moodustab elementaarvektorite ahela algust ja lõppu ühendava vektori (joon. 2, a).

Samamoodi saate teha konstruktsiooni, sealhulgas teise tsooni (joonis 2, b). Tulemuslik vektor E 2 on suunatud vastu E 1 ja üles absoluutväärtus mõnevõrra vähem E 1 . Viimane asjaolu on tingitud asjaolust, et kuigi tsoonide pindalad on samad, on teine ​​tsoon punktis vaatleja suhtes veidi kaldu. A. Küll aga võnkumiste summaarne amplituud E 1 + E 2 on väike (joonis 2, b).

Graafiliselt saab võnke amplituudi välja arvutada, kui asendada vektorite ahelad ringi vastavate osadega. Joonisel 2 (c ja d) on näidatud sellised konstruktsioonid kolme ja rohkem sfäärilise laine frondi tsoonid. Võrreldes juhtumeid a ja d, märgime, et 1. Fresneli tsooni võnkumiste amplituud on kaks korda suurem (ja valguse intensiivsus I 4 korda, sest I » A 2) suurem kui vastav amplituud lõpmatu arvu tsoonide järgi.

Olgu punktallikas S ja läbipaistmatu plaat Mümara auguga (joonis 3, a). On vaja määrata valgustus teatud punktis A, lamades allikast kulgeval sirgel S läbi augu keskpunkti. Ilmselt laseb auk läbi ainult osa sfäärilisest lainest. Valgustus punktis A määrab ainult selle esiosa, st ainult avatud Fresneli tsoonide toime, mille arv sõltub ava läbimõõdust, lainepikkusest ja katse geomeetriast.

Kui avatud tsoonide arv TOühtlane, siis intensiivsuse graafiline arvutamine (joon. 2, b) viib kaduvalt madala intensiivsuseni, st punktis A tuleb pimedus ja veidrus TO(joon. 2, a, c) punktis A seal on maksimaalne valgustus.

Ilmselgelt peab see olema punkti suhtes sümmeetriline A(kuna keskpunktist samal kaugusel asuvates punktides on difraktsioonitingimused samad). Veelgi enam, kui telje punktis vaatleme heledat laiku, siis selle ümbert leiame tumeda rõnga, mille ümber märkame heledat rõngast ehk difraktsioonimuster koosneb vahelduvatest tumedatest ja heledatest rõngastest (ringidest) (joon. 3b).

Nurk a, mis iseloomustab suunda mis tahes difraktsioonimaksimumi poole, nimetatakse difraktsiooninurgaks (joonis 3a). On võimalik (kuigi mitte lihtne) näidata, et suunda esimesele rõngale iseloomustab nurk (täpsemalt 1,22), kus d- augu läbimõõt.

1 | | |

1. Mis on Huygensi-Fresneli printsiip?

2. Milliseid laineid nimetatakse koherentseteks?

3. Mida nimetatakse valguse difraktsiooniks? Kuidas seda nähtust seletatakse?

4. Milline on difraktsioonispektrite värvide järjekord? Mis on nulli maksimumi värv?

5. Mille poolest erinevad sama arvu piludega, kuid erinevate konstantidega võre ja samade konstantidega, kuid erineva pilude arvuga võre tekitatud difraktsioonispektrid?

6. Kuidas muutub difraktsioonvõre mõju, kui see asetada vette?

7. Kuidas seletada difraktsioonispektri tekkimist ühest pilust ekraanil pilu läbivatest kiirtest? Mis määrab intensiivsuse jaotuse ekraani keskel?

8. Ühemõõtmeline difraktsioonvõre. Kuidas seletatakse difraktsioonimustri tekkimist ekraanil? Millistes punktides täheldatakse intensiivsuse maksimume, millistel miinimumidel ja miks?

9. Kuidas erinevad difraktsioonimustrid, kui võre valgustatakse monokromaatilise ja valge valgusega? Kuidas neid nähtusi seletada?

10. Mis on valguse interferents? Kas see nähtus on seotud difraktsioonispektri moodustumisega pilul või võrel?

11. Valge valgus langeb tavaliselt ühemõõtmelisele difraktsioonvõrele, mis sisaldab 100 pilu 1 mm kohta. Kuidas jaotub valguse intensiivsus ekraanil? Mitu täiendavat madalseisu on ekraanil kahe peamise kõrgeima taseme vahel? Millised on suuremate maksimumide ja põhimiinimumide kujunemise tingimused?

12. Valge valgus langeb normaalselt difraktsioonvõrele ja õhukesele suurema läbimõõduga läätsele. Kuidas seletada valguse läätse ja difraktsioonvõre läbimisel ekraanil tekkivaid mustreid?

13. Millised on nähtava valguse lainepikkused? Kas need on hajutatud?

14. Millest sõltub difraktsioonispektri ribade laius? Mida vaadeldakse ekraanil, kui pilu laius on palju suurem kui lainepikkus l? Kuidas seda nähtust seletatakse?

15. Milline on difraktsioonvõre lineaar- ja nurkdispersioon?

16. Milline on difraktsioonvõre lahutusvõime?

17. Tooge näide difraktsioonimustrite kohta, mis on saadud kahe spektrijoone jaoks, kasutades võreid, mis erinevad lahutusvõime ja lineaarse dispersiooni poolest.

Laboritöö nr 4

Fotoelemendi voolu-pinge karakteristikute uurimine

4.1. Töö eesmärgid ja eesmärgid

Eesmärgid:

– Õpilastele välise fotoelektrilise efekti seaduspärasuste uurimist.

Töö eesmärgid:

– Fotoelemendi voolu-pinge karakteristikute uurimine.

– Mõõtmisvea määramine.

4.2. Teoreetiline osa

4.2.1. Fotoefekt

Suur hulk kaasaegseid tööstus- ja laboripaigaldisi erinevate füüsiliste ja tehnoloogilised protsessid põhinevad valgustundlike elementide – fotoelementide – kasutamisel.

Kasutatakse fotoelementides elektrilised nähtused, mis tekivad metallides ja pooljuhtides nende pinnale langeva valguse mõjul. Neid nähtusi nimetatakse fotoelektriliseks efektiks ja need seisnevad selles, et juhi sees asuvad elektronid saavad valgusvoost lisaenergiat.

Praegu on teada kolme tüüpi fotoelektrilisi efekte:

1. Väline fotoelektriline efekt on fotoelektronide emissioon metallide pinnalt.

2. Sisemine fotoefekt, mis seisneb muutumises elektritakistus mõned pooljuhid valguse mõjul.

3. Klapi fotoelektriline efekt, mille tulemusena tekib potentsiaalide erinevus kahe aine kihtide vahel. erinev olemus elektrijuhtivus.

Ülalmainitud kolme fotoefekti tüübi järgi eristatakse kolme tüüpi fotoelemente: välise fotoefektiga fotoelemente, sisemise fotoefektiga fotoelemente ja klapifotoelemente.

Aastal 1890 formuleeriti kolm välise fotoelektrilise efekti seadust:

1. Fikseeritud langeva valguse sagedusel on fotokatoodi poolt kiiratavate fotoelektronide arv ajaühikus võrdeline valguse intensiivsusega (küllastusfotovoolu tugevus on võrdeline katoodi kiirgustihedusega).

2. Maksimaalne alguskiirus(maksimaalne algustäht kineetiline energia) fotoelektronid ei sõltu langeva valguse intensiivsusest, vaid selle määrab ainult selle sagedus n.

3. Igal ainel on fotoelektrilise efekti punane piir (sõltuvalt keemiline olemus aine ja selle pinna olek) on valguse minimaalne sagedus, millest allpool on fotoelektriline efekt võimatu.

Fotoelektrilise efekti mehhanismi selgitamiseks pakkus Einstein välja, et valgust sagedusega n ei kiirga mitte ainult üksikud kvantid (vastavalt Plancki hüpoteesile), vaid see levib ka ruumis ja neeldub ainesse üksikute osadena (kvantidena), mis on .

Quanta elektromagnetiline kiirgus, liikudes valguse kiirusel Koos vaakumis nimetatakse footoniteks.

Langenud footoni energia kulutatakse elektronile, kes täidab metallist lahkumise tööd ja kineetilise energia edastamist kiiratavale elektronile.

Einsteini võrrand välise fotoelektrilise efekti jaoks:

.

See võrrand selgitab fotoelektronide kineetilise energia sõltuvust langeva valguse sagedusest. Piirsagedus (või lainepikkus), mille juures fotoelektronide kineetiline energia muutub nulliks, on fotoefekti punane piir.

Fotoelektrilise efekti jaoks on Einsteini võrrandi kirjutamiseks veel üks vorm:

.

4.2.2. Välise fotoefektiga fotoelemendid

Välise fotoelektrilise efektiga fotoelement on diood, milles elektronide emissioon katoodist toimub sellele langeva valgusvoo mõjul.

Fotoelemendi struktuur on näidatud joonisel fig. 10. Hermeetiliselt suletud klaasanumas on kaks elektroodi - katood 1 ja anood 2. Fotokatoodi valmistamiseks kasutatakse valgustundlikku materjali. sisepind fotoelemendi klaaspirn nii, et valgustundlik kiht jääks pirni sisemuse poole. Tseesiumi kasutatakse kõige sagedamini valgustundliku materjalina. Fotoelemendi anood on valmistatud väikese rõnga (või võrgu) kujul, mis on paigaldatud alusele jalale. Sellise kujuga anood ei takista valguskiirte jõudmist katoodile.

Välise fotoelektrilise efektiga fotoelemente valmistatakse kahte tüüpi: vaakum- ja gaasiga täidetud. Vaakumfotoelementides pumbatakse õhk välja sügavasse vaakumisse. Gaasiga täidetud kolb täidetakse pärast õhu väljapumpamist inertgaasiga (argoon, heelium) rõhuni 0,01–1 mm. Hg Art.

Et uurida fotovoolu tugevuse sõltuvust valgustusest ja pingest elektroodidel, on kokku pandud joonisel 1 näidatud vooluahel. 11. Fotosilm on näidatud esitlemiseks mugaval kujul. Katoodi valgustus muutub, muutes kaugust fotoelemendi ja fotoelemendi vahel. Valgusallika kauguse suurenedes muutub valgustus vastavalt seadusele:

Kus J– allika valgustugevus, r– kaugus valgusallika ja fotoelemendi vahel.

Allikale lähenedes suureneb valgustus vastavalt seadusele:

kuhu erinevad tähendused valgustuse paljusus E, 2E, 3E, ... valgusallika ja fotoelemendi vaheline kaugus on võrdne ….

Riis. 11. Paigaldusskeem

4.3. Seadmed jatarvikud:

– Laboriseade – 1 tk.

– Juhtmed – 2 tk.

– Toide – 1 tk.

4.4. Töökäsk

1. Ühendage toiteallikas seadmega. Lülitage lülitite abil sisse toiteallikas, seade ja fotosilm.

2. Asetage valgusallikas eemale r fotoelemendist.

3. Mõõtke fotovoolu tugevust, muutes pinget vahemikus 0 V kuni 7 V 1 V intervalliga.

4. Korrake 3. sammu valgusallika ja fotosilma vahelise kauguse jaoks, mis on võrdne , https://pandia.ru/text/78/242/images/image069_4.gif" width="17" height="53 src="> Mõõtmiste tulemused on sisestatud tabelisse 7.

5. Kasutades tabelis toodud arvandmeid, joonistage ühele graafikule fotovoolu tugevuse sõltuvus pingest erineva valgustuse korral.

Tabel 7. Fotoelemendi voolu-pinge karakteristikud

		I, µA

4.5. Kontrollküsimused

1. Kuidas töötab välise fotoefektiga fotoelement?

2. Sõnasta fotoelektrilise efekti seadused.

3. Mida nimetatakse fotoelemendi küllastusvooluks?

4. Millise langeva valguse sagedusel täheldatakse fotoelektrilist efekti? Mis on fotoefekti punane piir?

5. Miks suureneb fotovool fotovalgustuse suurenedes sama pinge juures fotoelemendi kontaktidel?

6. Millise seaduse järgi suureneb fotoelemendi valgustatus valgusallikale lähenedes?

7. Kuidas on seletatav fotovoolu suurenemine, kui pinge fotoelemendi kontaktidel suureneb pideva valgustuse korral?

8. Visandage välise fotoelektrilise efektiga fotosilm, nimetage selle elemendid ja selgitage tööpõhimõtet

9. Selgitage fotoelemendi konstrueeritud voolu-pinge karakteristiku põhjal küllastuspiirkonna mõistet.

10. Kuidas sõltub väljundvool fotoelemendi valgustatusest? Selgitage seda sõltuvust.

11. Kuidas formuleeritakse välise fotoefekti seadused?

12. Kas fotoefekti seadused on antud töös kinnitust leidnud?

13. Kirjutage üles Einsteini valem välise fotoelektrilise efekti kohta ja analüüsige seda. Milliseid Einsteini valemi komponente kinnitavad tehtud laboritööd?

14. Millist pinget nimetatakse süütepingeks, millest see sõltub?

Laboritöö nr 5

Valguse polarisatsiooni uurimine

5.1. Töö eesmärgid ja eesmärgid

Eesmärgid:

– Õpilastele valguse polarisatsiooni fenomeni tutvustamine.

Töö eesmärgid:

– Määrake klaasi murdumisnäitaja Brewsteri nurga abil.

– Kontrollige katseliselt Maluse seaduse kehtivust.

– Islandi sparnkristallil kaksikmurdumise jälgimisel määrake mustrid.

5.2. Teoreetiline osa

5.2.1. Valguse polarisatsioon

Nagu teada, lame elektromagnetiline kerge laine on risti ja esindab vastastikust levikut risti asetsevad vibratsioonid: pingevektor elektriväli ja pinge vektor magnetväli(Joonis 12, a)..gif" width="24" height="25 src="> on kaudne.

Valguskiirt, milles laine levimise suunaga risti oleva tasapinna erinevad vektori suunad on võrdselt tõenäolised, nimetatakse loomulikuks. Loomulikus valguses asendavad erisuunalised vibratsioonid üksteist kiiresti ja juhuslikult (joon. 12, b).

Valgust, mille vektori võnkumise suunad on mingil viisil järjestatud ja järgivad mingit mustrit, nimetatakse polariseeritud..gif" width="20" height="25"> kui selle ots kirjeldab ringi või ellipsi, siis valgust nimetatakse polariseeritud. polariseeritud vastavalt ringikujuliselt või elliptiliselt polariseeritud (joonis 13, b, V). Lineaarse polarisatsiooni korral nimetatakse kiirt ja vektorit sisaldavat tasapinda võnketasandiks või laine polarisatsioonitasandiks.

Lineaarselt polariseeritud valguse saamiseks kasutatakse spetsiaalseid optilisi seadmeid - polarisaatoreid. Elektrivektori võnketasandit polarisaatorit läbivas laines nimetatakse polarisaatori tasapinnaks.

Polariseeritud valguse uurimiseks, see tähendab analüsaatorina, saab kasutada mis tahes polarisaatorit. Sel juhul langeb läbiva valguse vibratsioonitasand analüsaatori tasapinnaga kokku. Intensiivsus I lineaarselt polariseeritud valgus pärast analüsaatori läbimist sõltub analüsaatorile langeva kiire võnketasandi ja analüsaatori tasapinna vahelisest nurgast a vastavalt Maluse seadusele.

,

kus https://pandia.ru/text/78/242/images/image070_2.gif" width="20" height="25">, mis on langemistasandiga risti, on kriipsud langemistasandi vibratsioonid. Peegeldunud kiire polarisatsiooniaste sõltub suhtelisest murdumisnäitajast ja langemisnurgast i. Kui kiir langeb lennukile MN Brewsteri nurga all on peegeldunud kiir täielikult polariseeritud. Murdunud kiir on osaliselt polariseeritud. Suhe

nimetatakse Brewsteri seaduseks. Elektrivektori võnketasand peegeldunud valguses on langemistasandiga risti (joon. 14).

Kuna dielektriliselt plaadilt peegelduv valgus on osaliselt (või isegi täielikult) polariseeritud, polariseerub ka läbiv valgus osaliselt ja muutub segavalguseks. Valdavad elektrivektori võnked läbiva valguse korral toimuvad langemistasandil. Läbiva valguse maksimaalne, kuid mitte täielik polarisatsioon saavutatakse Brewsteri nurga all langedes. Läbiva valguse polarisatsiooniastme suurendamiseks kasutatakse klaasplaatide virna, mis asub langeva valguse suhtes Brewsteri nurga all. Sel juhul on võimalik saada peaaegu täielikult polariseeritud läbivat valgust, kuna iga peegeldus nõrgendab edastatavat vibratsiooni, risti asetsevad tasapinnad langeb teatud aspektides.

5.2.3. Valguse murdumine kaksikkumerates kristallides

Mõnel kristallil on kaksikmurde omadus. Sellises kristallis murdudes jaguneb valguskiir kaheks lineaarselt polariseeritud kiireks, mille võnkesuunad on risti. Ühte kiirt nimetatakse tavaliseks ja seda tähistatakse tähega O, teine ​​on erakordne ja seda tähistatakse tähega e.

Tavaline tala rahuldab tavaline seadus murdumine ja asub langeva kiire ja normaaltasandiga samas tasapinnas. Erakorralise kiire puhul ei jää langemisnurga ja murdumisnurga siinuste suhe langemisnurga muutumisel konstantseks. Veelgi enam, ära tavaline tala, reeglina ei asu langemistasandil ja kaldub talast kõrvale O isegi normaalse valguse esinemise korral.

Ühe tala kõrvalekaldumisel saate tasapinnaliselt polariseeritud kiire. Nii konstrueeritakse näiteks Nicolase polarisatsiooniprisma (joonis 15). Islandi sparnkristalli kaks loomulikku külge on lõigatud, et vähendada tahkude vahelist nurka 68°-ni. Seejärel saetakse kristall mööda tasapinda kaheks osaks BD 90° nurga all uute tahkude suhtes. Pärast poleerimist liimitakse lõikepinnad kokku Kanada palsamiga, mille murdumisnäitaja on tingimusi rahuldav. , kus ja Islandi spardi murdumisnäitajad tavaliste ja erakorraliste kiirte jaoks.

Kukkumine tasapinnale piiravast nurgast suurema nurga all BD, tavaline tala läbib täielik sisemine peegeldus spar-balsami piiril..gif" width="77 height=32" height="32">.gif" width="76" height="32 src=">, mõõtke valgustuse hulk. Koostage graafik ja teha järeldus.

https://pandia.ru/text/78/242/images/image089.jpg" width="406" height="223 src=">

Nüüd on kristallplaatidega liumäe asemel paigaldatud mudelid nr 1 (tala) ja nr 2 (plaat). Enne mudelite paigaldamist valguskiirte teele peate seadistama polarisaatori ja analüsaatori valguse täielikuks väljasuremiseks (tasand läbilaskvus P-P ja A-A on risti). Kinnitage mudel 1 hoidikusse (eelnevalt lahti keeratud kinnituskruviga) ja saage selle kujutis ekraanile. Seejärel pingutage mudel kruviga ja jälgige, kas ekraanil olev pilt muutub. Mudel nr 2 (ei kinnitata hoidikusse) on testitud painde suhtes sarnasel viisil. Tehke ülesande jaoks vajalikud joonised ja järeldused.

Ülesanne 3. Topeltmurdmise nähtuse uurimine.

https://pandia.ru/text/78/242/images/image091_0.jpg" width="414" height="139 src=">

Asetage tasapinnaline paralleelne klaasplaat pöördalusele. Määra tabeli skaala nulliks. Kinnitage ühte hoidikusse eemaldatav pilu ja kasutage mattklaasi paigaldamiseks pilus olevat vedru.

Nüüd on vaja jälgida, et klaasplaadi pind oleks valgusvihuga risti (kiirte langemisnurk on siis null). Selleks tuleb pilu küljelt ülalt vaadates ja objektilava (mitte skaalat!) keerates jälgida, et pilu, laua keskpunkt ja pilu kujutis asetseksid samal sirgel. Seejärel, keerates plaati (mitte lauda!) päripäeva, uurige eemaldatava polaroidi abil peegeldunud valguse lineaarset polarisatsiooni (sel juhul peaksid silm, laua keskpunkt ja pilu kujutis asuma samal sirgel !). Jõudes teatud piirnurk Polaroid kustutab X peegeldunud valguse peaaegu täielikult. Kirjutage see nurga väärtus üles. Pärast klaasplaadi pöördlaualt eemaldamist määrake selle murdumisnäitaja n. Pärast seda peate seda võrdlema murdumisnäitaja n-ga ja tegema järeldused.

Kontrollküsimused

Millist valgust nimetatakse polariseeritud valguseks?

Tuletage ja selgitage Maluse seadust.

Mis on kahekordse murdumise nähtus?

Poollaine ja veerandlaine plaadid.

Nicolase prisma tööpõhimõte.

Lineaarselt polariseeritud kiirte interferents.

Hankige ja analüüsige Fresneli valemeid.

Kuidas sa jälgisid sisemine pinge pinges ja kokkusurumises tahked ained? Kuidas see väljendus?

Mis on kahekordse murdumise nähtus, millistes ainetes see esineb, nagu te täheldasite kahekordne murdumine tööl?

Mida te täheldasite, kui pöörasite proovi, mille polaroidide vahele oli paigaldatud mitmekihilised kileringid? Selgitage oma tähelepanekuid.

Töö eesmärk: difraktsiooninähtuse uurimine ja valguse lainepikkuse määramine.

Teoreetiline teave.

Laine difraktsioon on lainefrondi moonutamise nähtus, kui lained levivad järsult ebahomogeenses keskkonnas. Eelkõige on difraktsioon lainete sisenemine geomeetrilise varju piirkonda, takistuste ümber painutamine ja lainete hajumine aatomite poolt kristallvõre, Ja terve rida muud nähtused. Difraktsiooni käigus tekib tingimata hajuslainete superpositsioon ja reeglina toimub laineenergia ümberjaotumine ruumis, s.t. difraktsioon on häiretest lahutamatu.

Difraktsioonimustrit saab arvutada kasutades Huygensi-Fresneli põhimõte: iga punkt lainefrondil on sekundaarsete lainete allikas, mille mähis annab lainefrondi asukoha igal järgneval ajahetkel ja sellest tulenev võnkumine mis tahes punktis lainefrondi ees on kõigist lainefrondi punktidest tulevate võnkumiste superpositsioon. lainefront.

Näiteks tasapinnalise laine difraktsiooni käigus pilu võrra (joonis 1) hajub laine erineva intensiivsusega igas suunas; objektiiv kogub paralleelsed sekundaarlained ühte punkti ekraanil, mis asub objektiivi fookustasandil, kus need segavad. Fresneli tsooni meetodit kasutades saab näidata, et tingimust rahuldavates suundades
(1)

kus m = 1, 2, 3,..., on valguse intensiivsus minimaalne.

Kui ei ole mitte üks pilu, vaid N, siis igas pilus difrakteerub laine sarnaselt ja difraktsioonimuster on N koherentse kiire interferentsi tulemus.

Lase lennuki laine langeb tavaliselt ekraanile, kuhu on lõigatud N paralleelset pilu laiusega a. Vahemaa pilude vahel b. Suurusjärk
nimetatakse struktuuriperioodiks.

Nagu on näha jooniselt 2, tee vahe kahe kõrvuti asetseva tala vahel
(2)

kus  on difraktsiooninurk. Ekraani neis punktides, kuhu kõik N kiirt saabuvad samasse faasi, intensiivistuvad vastastikku ja nendes kohtades täheldatakse nn põhivalgustuse maksimume. Seetõttu vastavad peamised maksimumid difraktsiooninurkadele, mille puhul tee vahe on võrdne lainepikkuste täisarvuga, st.

, (3)

Kus m = 0, 1, 2, 3,....

Põhimaksimumide võnkumiste amplituud on N korda ja intensiivsus (valgustus) N 2 korda suurem kui ühest pilust.

Joonisel fig 2 näidatud väikeste külgmaksimumide intensiivsus on rohkem kui 20 korda madalam kui põhilistel ja seetõttu ei paku need huvi. Tuleb meeles pidada, et valemiga (1) määratud suundades ei saada valguskiirt ükski pilu ja järelikult ka pilude süsteem. Kuid lisaks nendele difraktsioonimiinimumidele vaadeldakse paljusid teisi, mis on eraldatud külgmaksimumidega, kuid ka need ei oma märkimisväärset tähtsust. N>100 korral koosneb difraktsioonimuster tegelikult kitsastest heledatest ribadest – peamistest maksimumidest, mis on eraldatud tumedate tühikutega. Monokromaatilise valguse intensiivsuse jaotus, kui see valgustab süsteemi suur kogus Vahed on kvalitatiivselt näidatud joonisel 3.

Spektriinstrument, mis koosneb klaasist või metallplaat sellele rakendatud löökidega ja ülalkirjeldatud põhimõttel töötava nimetatakse difraktsioonvõre.

Valemit (3) nimetatakse difraktsioonvõre valemiks. Kui võre valgustada valge või mõne muu mittemonokromaatilise valgusega, laguneb see spektriks, sest Iga lainepikkus  vastab maksimumide teatud asukohale ekraanil. Näiteks on võre valge valgusega valgustamisel täheldatav difraktsioonimuster joonisel 4 näidatud kujul.

Parimatel kaasaegsetel võredel on 1200 rida millimeetri kohta, s.o.
µm, juures koguarv pilud (tõmbed) N=200000. Sellise võre pikkus on 20 cm ja nähtava spektri pikkus umbes 70 cm ning täheldatakse ainult esimest järjekorda.

Spektrite uurimiseks kasutatakse difraktsioonvõre.

Paigaldusskeem

U
Difraktsioonimustri vaatlemise seadistus koosneb puidust vardast, millele on paigaldatud difraktsioonivõre. Kilp liigub mööda siini kitsas vahe ja millimeetri skaalaga joonlaud. Läätse rolli täidab silma lääts XP. Pilt pilust moodustub SG-silma võrkkestale ja seda vaadeldakse millimeetri skaala taustal. Võrreldes pilu ja resti L vahelise kaugusega võib tähelepanuta jätta silmamuna mõõtmed ja kaugus silmadest võreni. Pilu valgustab elektripirn L. Kui vaadata valgustatud pilu läbi difraktsioonvõre, siis on lisaks mõlemal pool valges valguses oleva pilu kesksele kujutisele nähtavad selle sümmeetrilised vikerkaare RI kujutised (spektrid). Difraktsiooninurk määratakse asukoha järgi difraktsiooni maksimum millimeetri skaalal.

Geomeetrilistest konstruktsioonidest on selge, et
, Kus l – kaugus pilu keskkujutisest (m = 0) ühe külgpildini; L on kaugus restist piluni. Võttes arvesse, et
väikeste difraktsiooninurkade korral saame

(4)

Valemite (3) ja (4) abil saame lainepikkuse λ arvutamiseks avaldise, milles kõik suurused on paigaldusel hõlpsasti mõõdetavad:
(5)

Töökäsk

1. Ühendage seade võrku.

2. Viides oma silma difraktsioonvõrele lähemale, suunake seade valgusallikale nii, et 1. ja 2. järku difraktsioonispektrid oleksid nähtavad mõlemal pool kilbil olevat pilu.

3. Mõõtke kaugus L – varjest difraktsioonvõreni.

4. Mõõtke vahemaa l– tsentraalse maksimumi keskelt esimest järku maksimumi keskpaigani sinist värvi.

5. Arvutage valemi (5) abil sinise valguse lainepikkus.

6. Tehke katse sinise teise järjekorra jaoks. Sisestage saadud andmed tabelisse.

7. Tehke samasugused kollaste, roheliste ja punaste värvide mõõtmised vastavalt õpetaja juhistele.

8. Arvutage kõrvalekalle keskmisest
ja pane see tabelisse.

		l cm		<>, nm

Kontrollküsimused.

1. Mis on difraktsioon? Millistes konkreetsetes nähtustes see avaldub?

2. Kuidas on sõnastatud Huygensi-Fresneli põhimõte?

3. Mis on peamised maksimumid? Kuidas need tekivad?

4. Mis on difraktsioonimiinimumid? Mis on nende olemus?

5. Mis juhtub difraktsioonimustriga, kui pilude N arv suureneb? (Selgitage graafiliselt).

6. Mis on difraktsioonvõre? Kuidas seda tehakse?

7. Kuidas kirjutada ja selgitada peamiste maksimumide valemit (difraktsioonivõre valem)?

8. Millist pilti vaadeldakse ekraanil, kui võre valgustatakse valge valgusega, elavhõbedalambi valgusega?

9. Millisest järjestusest m alates kattuvad nähtava valguse difraktsioonispektrid?

10. Milline on teleskoobi läätse roll difraktsioonimustri kujunemisel? Kas läätse saab asendada silmaga?

11. Millisele kaugusele teleskoobi läätsest tuleks paigaldada ekraan, et jälgida difraktsioonimustrit?

12. Milleks kasutatakse difraktsiooni teaduses ja tehnoloogias?

13. Selgitage valge triibu välimust difraktsioonimustri keskel, kui seda valgustatakse valge valgusega.

14. Milline on difraktsioonispektrite värvide järjekord?

Kirjandus.

1. Saveljev I.V. Füüsika kursus. T.2 - M., Nauka, 1989. Par. 90,91,93,94.

2. Butikov E.I. Optika. - M.5 Kõrgkool, 1986. Par. 6.1, 6.3, 6.5.

Laboritöö nr 33