Файл: Квантовая оптика.docx

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 03.12.2023

Просмотров: 184

Скачиваний: 10

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

СОДЕРЖАНИЕ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮГосударственное образовательное учреждениевысшего профессионального образованияУЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТКафедра физических методов в прикладных исследованиях Ю.Ф. Наседкина, Б.М. Костишко КВАНТОВАЯ ОПТИКАУчебно-методическое пособие к лабораторным работамУльяновск 2017УДК 537ББК 22.33 я73Н 31Печатается по решению Ученого советаинженерно-физического факультета высоких технологийУльяновского государственного университетаРецензенты:В.А. Кокин, кандидат педагогических наук, доцент УлГПУ;А.А. Соловьев, кандидат физико-математических наук, доцент УлГУНаседкина Ю.Ф., Костишко Б.М.Н 31 Квантовая оптика : учебно-методическое пособие. Квантовая оптика / Ю. Ф. Наседкина, Б.М. Костишко. – Ульяновск : УлГУ, 2017. – 76 с.Пособие составлено в соответствии с рабочей программой курса «Физика» специальности «Компьютерная безопасность» ФМИАТ и включает в себя описание шести лабораторных работ. Каждая работа снабжена теоретическим введением, подробным описанием эксперимента, а также контрольными вопросами, призванными помочь самостоятельному освоению материала студентами. УДК 537ББК 22.33 я73Директор Издательского центра Т.В. ФилипповаРедактирование и подготовка оригинал-макета __Подписано в печать.Формат 60х84/16. Усл. печ. л. 4,4. Уч.-изд. л. 3,8.Тираж 100 экз. Заказ __Оригинал-макет подготовленВ Издательском центреУльяновского государственного университетаОтпечатано в Издательском центреУльяновского государственного университета432000, г. Ульяновск, ул. Л. Толстого, 42 © Наседкина Ю.Ф., Костишко Б.М., 2017© Ульяновский государственный университет, 2017СодержаниеЛабораторная работа 1. Эффект Комптона 4Лабораторная работа 2. Опыт Франка и Герца 10Лабораторная работа 3. Фотоэффект 18Лабораторная работа 4. Изучение спектра атома водорода и определение постоянной Ридберга 29Лабораторная работа 5. Изучение законов теплового излучения 35Лабораторная работа 6. Определение работы выхода электронов из металла 42Литература 50 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1ЭФФЕКТ КОМПТОНАЦЕЛИ РАБОТЫ: Знакомство с моделями электромагнитного излучения и их использованием при анализе процесса рассеяния рентгеновского излучения на веществе. Экспериментальное подтверждение закономерностей эффекта Комптона. Экспериментальное определение комптоновской длины волны электрона. КРАТКАЯ ТЕОРИЯКогда волны отражаются или претерпевают дифракцию на препятствиях, их длина волны и частота остаются неизменными. Это следует из классической теории Джозефа Джона Томсона, в соответствии с которой под действием периодического электрического поля световой волны электроны вещества колеблются с частотой поля и, вследствие этого, излучают вторичные (рассеянные) волны той же частоты. Поэтому в 1922 г. немалое удивление вызвал опыт Комптона, показавший, что у рентгеновских лучей, рассеянных атомами, наряду с первоначальной частотой  обнаруживается новая частота ω'=-ω. Такое рассеяние со сдвигом частоты (или длины волны ) называется эффектом Комптона. Более строго под эффектом Комптона понимается явление, сопровождающее рассеяние электромагнитного излучения на свободных (слабосвязанных) электронах атома, приводящее к изменению его частоты и длины волны. Поскольку величина   (или ) весьма мала, эффект Комптона экспериментально наблюдается только для коротковолновых излучений – рентгеновских (10-8 >λ> 10−12 м) или гамма-лучей (λ<10-11 м), для которых относительное изменение частоты оказывается существенным. Результаты этого опыта можно объяснить, только предположив, что электромагнитное излучение проявляет корпускулярные свойства и представляет собой поток частиц – фотонов. Фотоны обладают импульсом, и их взаимодействие с электронами вещества происходит подобно сталкивающимся шарам по законам абсолютно упругого соударения.Эффект Комптона - упругое рассеяние монохроматического электромагнитного излучения на свободных электронах, сопровождающееся увеличением длины волны. За проведенные эксперименты и истолкование их результатов в 1927 г. американский физик Артур Комптон был удостоен Нобелевской премии.Формула Комптона, определяющая изменение длины волны рассеянного излучения, имеет вид:

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАБОТЫ ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНОВ ИЗ МЕТАЛЛА

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ



Подводимая к катоду мощность расходуется в вакуумной лампе в основном на тепловое излучение. Для вольфрама была экспериментально определена зависимость температуры катода от расходуемой на его нагрев джоулевой мощности, приходящейся на единицу площади поверхности катода. На графике (рис. 6.8), который прилагается к работе, приведены результаты этих измерений. По этому графику, зная мощность, подводимую к катоду, можно определить его температуру.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА


  1. ИП – источник питания.

  2. Кассета ФПЭ – 06.

  3. PV – вольтметр.

  4. РА – амперметр.

Электрическая схема для поведения опыта представлена на рис. 6.6 и 6.7. В качестве диода в работе используется радиолампа с вольфрамовым катодом прямого накала.

Амперметр и вольтметр в цепи накала служат для определения мощности, расходуемой на нагрев катода, что необходимо для определения температуры.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ


  1. Подключить кассету ФПЭ – 06 соединительным кабелем к источнику питания (ИП на рис. 6.6). Амперметр на панели источника питания служит для контроля тока накала iн, максимальное значение которого не должно превышать 2,2 А. Плавная регулировка напряжения накала осуществляется ручкой, расположенной под амперметром.



Рис. 6.6.

Напряжение накала Uн измеряется вольтметром (PV), который подключается к тем клеммам на источнике питания, где указано напряжение 2,5 - 4,5 В.

Вольтметр на панели источника питания измеряет анодное напряжение Ua, регулировка которого осуществляется ручкой на панели источника питания, расположенной непосредственной под вольтметром.

Для измерения анодного тока Ia используется амперметр (РА на рис. 6.7), который подключается к кассете ФПЭ - 06 к клеммам РА. Он должен работать в режиме миллиамперметра, измеряя ток до 20 mА.


Рис. 6.7. Электрическая схема установки

  1. Установить напряжение накала 3,7 В и, увеличивая анодное напряжение от 10 до 100 В через каждые 10 В, записать значения анодного тока в табл. 6.1.

Таблица 6.1  


Uн = ...
Ua, В
Ia, мА



Iн = ...







       

Рис. 6.8. Калибровочный график

  1. Проверить измерения (пункт 2) для 4 – 5 любых значений напряжения накала в интервале от 3,7 до 4,3 В.

  2. Для каждого значения тока накала построить вольт– амперную характеристику и точку перегиба полученной кривой считать точкой насыщения.

  3. Для всех значений напряжения накала рассчитать мощность, выделяемую на катоде, по формуле Р = IнUн, а также мощность, приходящуюся на единицу площади поверхности катода. Для данной лампы площадь поверхности катода принять Sn = 3,5210-2 см2.

  4. По графику (рис. 6.8) зависимости температуры катода от P/Sн определить температуру катода для каждого значения мощности нагрева.

  5. Рассчитать плотность анодного тока насыщения (рис. 6.4) по формуле принять S = 1110-6 м2.

  6. Все полученные данные занести в табл. 6.2.

Таблица 6.2


№ п/п
Iнас, мА
Iн, А
Uн, В
P/Sn, Вт/см2
T, К
1/T, K-1
jнас, мА/м2
jнас/T2
lg(jнас/T2)


































  1. Построить график зависимости lg(jнас/T2) от 1/T, откладывая по оси абсцисс 1/T, а по оси ординат – lg(jнас/T2).

  2. Определить тангенс угла наклона полученной прямой к оси абсцисс и рассчитать работу выхода по формуле (6.6).

  3. Рассчитать погрешность измерений по правилу графической обработки результатов измерений.

  4. Сравнить полученное значение работы выхода с табличным значением для вольфрама.


Вопросы и задания для самоконтроля

  1. Что называется работой выхода электрона?

  2. Какова природа сил, удерживающих электрон в металле?

  3. Нарисуйте и объясните вольт-амперные характеристики вакуумного диода.

  4. Что такое ток насыщения и как он зависит от температуры?

  5. Объясните физическую природу закона трех вторых.


ЛИТЕРАТУРА

Основная


  1. Л.К. Мартинсон, Е.В. Смирнов. Квантовая физика/изд. МГТУ им. Баумана. 2004.- 498 с.

  2. И.Е. Иродов. Квантовая физика. Основные законы. 2007. - 195 с.

  3. В.М. Анисимов, О.Н. Третьякова. Основы квантовой физики. Практический курс. М.: изд-во МАИ. 2007.- 163 с.

  4. И.В. Савельев . Курс общей физики т.3.. - М.: Наука. 1987.

  5. И.В. Савельев. Сборник вопросов и задач по общей физике - М.: Наука. 1988.

  6. А.А Соловьев, Б.М. Костишко. Электричество и магнетизм. Методические указания к лабораторному практикуму по физике.//Ульяновск: УлГУ, 2007.-189 с.

  7. http://mexalib.com/view/18285


Дополнительная
8. http://padaread.com/?book=35534&pg=496

9. http://nsportal.com.ua/book/3952

10. Детлаф А.А., Яворский Б.М., Милковская Л.Б. Курс физики т.3.- М.: Высшая школа, 1973.

11. Кременцова Ю.Н, Третьякова О.Н. Спектры атомов и молекул: Учебное пособие. - М.: Изд-во МАИ , 1993.

12. Кристи Р., Питти А. Строение вещества: введение в современную физику - М.: Наука, 1969.

13. http://mexalib.com/view/18281

14. http://mexalib.com/view/5486

15. Чертов А.Г., Воробьев А.А. Задачник по физике. -М: Высшая школа, 1981.

Смотрите также файлы