опыт по физике. Опыт физика. Свет представляет собой электромагнитные волны с длинами волн от 400 до 780 нм
 Скачать 215.9 Kb.
|
|
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Ивановский государственный химико-технологический университет "Использование лазера в физическом эксперименте" Выполнила: студентка 1-185 Самсонова Елизавета 1.Особенности излучения лазера Свет представляет собой электромагнитные волны с длинами волн от 400 до 780 нм. Световые волны, а с точки зрения квантовой природы излучения – фотоны с энергией  , испускаются атомами вещества при переходе их из возбужденных состояний в более низкоэнергетические состояния (рис. 1). При этом состояние с энергией E1 принимается за основное. Его энергия является наименьшей из всех возможных, E2 и т. д. – энергии возбужденных состояний. Рис. 1. Спонтанное (а) и вынужденное (б) излучения Возбудить атом, т. е. сообщить ему добавочную энергию, можно нагреванием, облучением светом и другими воздействиями. В возбужденном состоянии атом находится короткий промежуток времени, после чего самопроизвольно возвращается в основное состояние. С позиции волновой теории атом при таких переходах испускает «цуг» электромагнитной волны (в квантовой теории – фотон). Это процесс спонтанного излучения (рис. 1, а). Частота колебаний в цуге связана со значениями энергий атома E1 и E2 формулой:  Спонтанное излучение происходит во всех естественных источниках света. Оно состоит из большого количества волновых цугов и имеет следующие особенности: а)некогерентно, так как атомы испускают волновые цуги несогласованно, с разной начальной фазой; б)немонохроматично, так как средние частоты цугов неодинаковы; в)неполяризовано, так как каждый линейно поляризованный цуг имеет случайные направления колебаний вектора E; г)испускается по всем направлениям телесного угла 4п. По этим причинам от двух независимых естественных источников света невозможно наблюдать интерференционную картину. Кроме спонтанного возможно также индуцированное, или вынужденное, излучение. Оно возникает, в частности, в случае, когда на вещество падает электромагнитная волна с частотой  (рис. 1, б). Если атомы находятся в возбужденном состоянии, то под действием падающих на них фотонов они будут совершать переходы на основной энергетический уровень. При этом разность энергий E2- E1 выделится в виде когерентных волновых цугов, которые добавятся к падающим. Атомы вещества совершают переходы согласованно и испускают волновые цуги (фотоны), идентичные с падающими по частоте, фазе и поляризации. Это и есть вынужденное излучение. Оно используется в лазерах – оптических квантовых генераторах когерентных электромагнитных волн в видимом и инфракрасном диапазонах. Излучение лазеров имеет следующие преимущества по сравнению с обычными источниками света: а) оно в высокой степени когерентно, так как все цуги испускаются согласованно, с одинаковой начальной фазой; б) практически монохроматично, и разброс по частотам у индуцированных цугов меньше, чем у спонтанных, так как в лазерах время излучения этих цугов возрастает в 10^5 раз; в) оно является поляризованным излучением, так как все цуги поляризованы одинаково; г) оно имеет малый угол расходимости (до 10^5 рад). Лазеры – наиболее совершенные источники когерентного излучения, являются самыми мощными из всех известных источников света. 2.Дифракция света Дифракция света – огибание светом встречающихся на его пути препятствий, сопровождающееся пространственным перераспределением энергии световой волны – интерференцией. Расчет распределения интенсивности света в дифракционной картине может быть осуществлен с помощью принципа Гюйгенса– Френеля. Согласно этому принципу, каждая точка фронта световой волны, т. е. поверхности, до которой распространился свет, является источником вторичных когерентных световых волн (начальные фазы их и частоты одинаковы); результирующее колебание в любой точке пространства обусловлено интерференцией всех вторичных волн, приходящих в эту точку, с учетом их амплитуд и фаз. Положение фронта световой волны в любой момент времени определяет огибающая всех вторичных волн; любая деформация фронта волны (она обусловлена взаимодействием света с препятствиями) приводит к отклонению световой волны от первоначального направления распространения – свет проникает в область геометрической тени. Дифракционная решётка – оптический прибор, применяющийся для разложения светового излучения в спектр – это пластинка с большим числом чередующихся прозрачных и непрозрачных полос 3. Использование лазера в физическом эксперименте Проведём второй опыт с CD и DVD дисками и лазерной указкой. Диски переливаются всеми цветами радуги. Вы видите цвет отраженного от них света из-за того, что диски представляют собой дифракционные решетки, работающие на отраженном свете. Положим диски на стол оптическими дорожками вверх, перпендикулярно поверхности стола установим экран. Направим луч от лазерной указки под углом около 45° к плоскости диска. На экране наблюдаем интерференционную картину. Опыт проведем поочерёдно с CD и DVD дисками и сравним результаты.  Рис.1 Схема опыта с оптическим диском и лазерной указкой. Для наглядности диск помещаем в аквариум с водой. От разных дисков луч отражается и образует максимумы интерференции под разными углами, которые различаются примерно в два раза (см. рисунок 2).   Рис. 2 Результаты опыта с лазерными дисками Можно сделать вывод, что период дифракционной решётки, образованной DVD диском больше, чем период дифракционной решётки CD диска, то есть оптические дорожки на DVD диске расположены более плотно. |