ЛАБОРАТОРНИЙ ПРАКТИКУМ З ОПТИКИ 6 страница

Таблиця №1

№	Довжина трубки l, мм	Відлік без трубки 7	Відлік з трубкою 7	Кут обертання	Концентрація

 

Питання для самоконтролю

1. Яким способом можна одержати поляризоване світло?

2. Що називають площиною поляризації?

3. У чому полягає принцип дії напівтіньового поляриметра?

4. Які речовини називають оптично активними? Чому при проходженні у них світла здійснюється обертання його площини поляризації?

5. Яке світло називають циркулярно поляризованим?

Література: [1, 3-24, 26, 31-33, 37]

Лабораторна робота №21

 

ВИЗНАЧЕННЯ СТАЛОЇ ВЕРДЕ

 

Мета лабораторної роботи: дослідити явище обертання площини поляризації світла оптично неактивною речовиною, що знаходиться в поздовжньому постійному магнітному полі, визначити сталу Верде.

 

Основні теоретичні відомості

 

У 1845 році М. Фарадей встановив, що деякі природно оптично неактивні речовини після їх поміщення в сильне постійне магнітне поле обертають площину поляризації у тому випадку, коли світло поширюється вздовж магнітного поля, тобто під дією магнітного поля вони стають оптично активними. Якщо між схрещеними поляризатором і аналізатором помістити прозору оптично неактивну речовину, то світло, за відсутності магнітного поля, через таку систему не пройде. Якщо ж цю речовину помістити в постійне зовнішнє магнітне поле, яке характеризується певним значенням індукції (напруженості ), то світло буде проходити через дану систему. Поворотом аналізатора на кут j світло можна загасити. Це означає, що світлова хвиля на виході з речовини теж є лінійно поляризованою, але площина коливань вектора повернута на кут j по відношенню до його напрямку в падаючій хвилі.

М. Верде експериментально встановив, що кут повороту площини поляризації світла в постійному магнітному полі, пропорційний довжині шляху (товщині шару речовини), який проходить світло у речовині і індукції (напруженості) магнітного поля. Для магнетиків кут j визначається за формулою , а для немагнітної речовини згідно з законом Верде

. (1)

 

Тут d – товщина шару речовини, B – індукція, H – напруженість магнітного поля, r – стала Верде.

Встановлено, що ефект Фарадея має місце для речовин, які перебувають у будь-яких агрегатних станах. При зміні напрямку поширення світла (але не напрямку поля) напрямок обертання площини поляризації не змінюється. Оптично активні у магнітному полі речовини, в яких обертання площини поляризації при спостереженні в напрямку вектора () здійснюється за годинниковою стрілкою (вправо), тобто у ту ж сторону, в яку навиті витки електромагніта, умовно називають правообертаючими, або «додатним». Існують і так звані лівообертаючі, або «від’ємні» оптично активні у магнітному полі речовини. Вони обертають площину поляризації вліво, проти годинникової стрілки.

Явище магнітного обертання площини поляризації тісно пов’язане з ефектом Зеємана, яке полягає в розщепленні спектральних ліній атомів у магнітному полі. Причиною цього явища є зміна власних частот коливань валентних електронів, яке здійснюється у площині, перпендикулярній до напрямку вектора індукції (вектора напруженості ) зовнішнього магнітного поля. Ці коливання можна розкласти на рух по лівому і правому колу. При увімкненні магнітного поля під дією сили Лоренца частоти обертання електронів по лівому і правому колу зміщуються в різні сторони відносно первинного значення власної частоти обертання. У результаті при спостереженні вздовж поля кожна спектральна лінія поглинання розщеплюється на дві лінії, симетрично розташовані по обидві сторони від первинної лінії. Одна з них буде лінією поглинання для циркулярно поляризованої хвилі з правим напрямком обертання, а друга – для циркулярно поляризованої хвилі з лівим напрямком обертання. Через те, що показник заломлення залежить від близькості частоти хвилі до власних частот обертання електронів речовини, то під дією магнітного поля змінюється і показник заломлення n, причому по-різному для хвиль однієї частоти, які поляризовані по правому і лівому колу. Це приводить до обертання площини поляризації. У відповідності з цим кут повороту площини поляризації:

. (2)

У результаті проведення теоретичного розгляду А. Беккерелем була одержана формула, яка дозволяє за відомою залежністю обчислити сталу Верде r:

, (3)

де е - заряд електрона за абсолютною величиною, m – маса електрона, а c – швидкість світла у вакуумі.

Як видно з формули (3) стала Верде залежить від довжини хвилі світла, яке проходить через речовину. Для більшості речовин стала Верде слабко залежить від температури.

Ефект Фарадея широко використовується в наукових дослідженнях. Його мала інерційність (тривалість встановлення становить менше 10^-9 с) дозволяє використовувати цей ефект для розробки пристроїв за допомогою яких можна здійснювати модуляцію світла та для створення так званого оптичного затвора.

 

Метод та експериментальна установка

 

У експериментальній установці, яка служить для дослідження магнітного обертання площини поляризації у даній лабораторній роботі, використано напівтіньовий поляриметр. Цей напівтіньовий поляриметр НП, поміщено всередину соленоїда, по якому пропускають постійний струм від випрямляча B. Перимикач К використовують для зміни напрямку струму і, значить, напрямку магнітного поля у соленоїді. Силу струму I у соленоїді вимірюють амперметром A. Силу струму у обмотці соленоїда можна змінювати за допомогою потенціометра випрямляча. Довжина соленоїда L перевищує

 

Рис.1.

 

довжину кювети з речовиною, тому в межах кювети магнітне поле можна вважати однорідним, а його напруженість визначати за формулою:

H=NI/L, (4)

де N – число витків, які має соленоїд.

 

 

Рис.2.

 

Напівтіньовий поляриметр (рис.2) складається з головки аналізатора 1 і поляризаційного пристрою 2. Головка аналізатора, у свою чергу, складається з нерухомої шкали і частин, які спільно обертаються: ноніуса, аналізатора 3 і «відлікової» лупи 4. Аналізатор виготовлений з поляроїдної плівки, яка затиснута між двома захисними скельцями, жорстко закріпленими в оправі. Поляризаційний пристрій поляриметра складається із світлофільтра, поляризатора (поляроїдної плівки, затиснутої між двома захисними скельцями) і вузької кварцової пластинки, яка розташована центрально-симетрично відносно поляризатора і тому закриває лише середню частину фотометричного поля зору. Як відомо, кварц є оптично активною речовиною, тому у тій частині світлового пучка, який проходить через кварцову пластинку площина поляризації повернута на невеликий кут по відношенню до площини поляризації крайніх пучків. Таким чином, після пластинки світловий потік буде неоднорідним у тому розумінні, що його середня і крайня частини будуть поляризовані у різних площинах (рис.3 а). У результаті цього фотометричне поле порівняння, яке видно в окулярі поляриметра, буде розділено на три частини, освітленість яких залежить від взаємного положення поляризатора і аналізатора. Обертаючи аналізатор, можна досягнути рівної освітленості усіх трьох ділянок поля зору (рис.3 б).

 

 

Рис.3.

 

Зорова труба напівтіньового поляриметра НП служить для спостереження потрійного поля. Вона складається з об’єктива і окуляра. Обертанням муфти 5 (рис.2) здійснюється установка на чіткість зображення роздільних ліній потрійного фотометричного поля порівняння, які спостерігають в окуляр. У трубці між головкою аналізатора і поляризаційним пристроєм встановлюють трубку 6, заповнену речовиною, яку досліджують. На кінцях трубки закріплені металеві наконечники. На них нагвинчуються муфти 7, які притискують покривні скельця. Між муфтами і покривними скельцями поміщені гумові прокладки, які запобігають утворенню механічних напружень у покривних скельцях.

 

Порядок виконання роботи і обробки результатів вимірювань

 

Завдання №1. Вимірювання кутів обертання площини поляризації

 

1. Увімкніть освітлювач і здійсніть спостереження фотометричного поля порівняння. Обертанням муфти 5 досягніть чіткого зображення роздільних ліній потрійного поля. Потім визначте за шкалою і ноніусом аналізатора початкове положення аналізатора (без магнітного поля) , яке може і не співпадати з нульовим положенням шкали. Умовою правильного встановлення початкового положення аналізатора є рівномірна освітленість усіх трьох ділянок потрійного поля зору (рис.3), яка досягається шляхом обертанням диска 3.Установку і відлік треба повторити не менше ніж 5 раз і взяти за початкове положення середнє значення із одержаних результатів.

2. Увімкніть струм у соленоїді і виставте значення сили струму I рівним 0, 5А. У результаті цього рівномірність освітлення потрійного фотометричного поля порівняння порушиться. Обертанням диска 3 треба знову досягти рівномірної освітленості усіх трьох ділянок потрійного поля. Здійсніть відлік кута за шкалою і ноніусом аналізатора. Різниця кінцевого () і початкового () відліків () буде дорівнювати значенню кута, на який здійснився поворот площини поляризації світла при проходженні його у речовині при даному значенні сили струму і даному напрямку проходження струму в обмотці соленоїда, а значить при даних значенні і напрямку вектора напруженості магнітного поля.

3. Проведіть вимірювання кутів повороту площини поляризації при таких значеннях сили струму у обмотці соленоїда: 0, 75А; 1, 0А; 1, 25А; 1, 5А; 1, 75А; 2, 0А. Результати вимірювань і розрахунків занесіть у таблицю №1.

4. Змініть за допомогою перемикача К напрямок струму в обмотці соленоїда на протилежний, попередньо зменшивши його за допомогою потенціометра випрямляча до нуля. За методикою, описаною у п.2, при тих же значеннях сили струму в обмотці соленоїда визначте значення кута ^– (), який є кутом магнітного обертання площини поляризації при протилежному до попереднього напрямку вектора напруженості магнітного поля .

Таблиця №1

I, под. шкали	I, А	, град	, град	, град	, град	, град

 

Завдання №2. Визначення сталої Верде графічним методом

 

1. Побудуйте графік залежності , відкладаючи по осі абсцис від початку координат вправо значення (із знаком «+») сил струмів, при яких визначалися кути , а по осі ординат, у її додатному напрямку, значення кутів . У ліву сторону по осі абсцис від початку координат слід відкласти (зі знаком «–») значення сил струмів, при яких визначалися кути . Значення кутів (зі знаком «–») треба відкласти по осі ординат у її від’ємному напрямку. Графік, побудований за такими правилами, буде мати вигляд прямої, яка проходить через початок координат, Він буде розташований у першому і у третьому квадрантах координатної площини.

З формул (1) і (4) можна одержати формулу, яка дає можливість за залежністю визначити сталу Верде. Оскільки

,

де , то визначивши тангенс кута нахилу з графіка залежності , який дорівнює відношенню Dj до DI можна розрахувати сталу Верде за формулою

. (5)

2. Розрахуйте сталу Верде за формулою (5). При розрахунку сталої Верде треба брати: N = 3950 витків, d = 9, 7 см, L = 12, 5 см.

3. У звіті про виконану роботу треба помістити графік залежності кута повороту площини поляризації від напруженості магнітного поля та значення сталої Верде.

 

Питання для самоконтролю

1. У чому полягає явище обертання площини поляризації світла речовиною, яка знаходиться у постійному магнітному полі?

2. Який фізичний зміст сталої Верде?

3. Як залежить напрямок обертання площини поляризації при природному і магнітному обертанні від напрямку поширення світла у середовищі?

4. Який принцип дії напівтіньового поляриметра?

5. Які основні причини і закономірності магнітного обертання площини поляризації.

 

Література: [1, 3-22, 26-28, 32, 37]

Лабораторна робота №23

 

ДОСЛІДЖЕННЯ ФОТОЕЛЕКТРОННОГО ПОМНОЖУВАЧА

З ОДНОКАСКАДНИМ ПІДСИЛЕННЯМ ФОТОСТРУМУ

 

Мета лабораторної роботи: ознайомлення з будовою та принципом роботи фотоелектронного помножувача. Одержання залежностей струмів (катодного, емітерного, анодного) у цьому приладі від освітленості його фотокатода, величини емітерної та анодної напруги.

 

Основні теоретичні відомості

 

В основу підсилення фотоструму фотопомножувачем покладене явище вторинної емісії електронів. Воно полягає у тому, що електрони з достатньою енергією, падаючи на поверхню металу, викликають емісію нових електронів з тієї ж поверхні. Число вторинних електронів може у кілька разів перевищити число падаючих первинних електронів. Це приводить до суттєвого підсилення фотоструму.

Найпростішим фотопомножувачем є фотопомножувач з однокаскадним підсиленням фотоструму. Його будова (рис.1а) відрізняється від будови фотоелемента тим, що на внутрішню поверхню скляного вакуумного балончика нанесено сурм‘яно-цезієвий шар, який називається емітером.

 

Рис.1.

 

На протилежному від емітера внутрішньому боці скляного циліндра нанесено сурм‘яно-цезієвий світлочутливий шар, який з’єднаний з негативним полюсом джерела живлення. Цей електрод є катодом фотопомножувача. Між катодом і емітером розташований третій електрод, який має циліндричну форму і є або наскрізним, або сітчастим за конструкцією. Цей електрод називається анодом, або колектором. Потенціал анода фотопомножувача має бути вищим, ніж потенціал емітера.

Електрони, вибиті з поверхні фотокатода під дією світла, рухаються до аноду, але більша їх частина пролітає анод і попадає на емітер, долаючи зустрічне поле між анодом і емітером. Різниця потенціалів між емітером і анодом менша ніж різниця потенціалів між катодом і анодом. Електрони вибивають з емітера вторинні електрони, які рухаються до анода і збираються на ньому. Якщо коефіцієнт вторинної емісії α, який дорівнює відношенню числа усіх електронів, що покидають поверхню емітера, до числа падаючих на неї первинних електронів, буде більшим ніж одиниця, то сила струму у колі анода буде більша ніж сила струму у колі катода, яка спричинена безпосередньою дією освітлення.

Якраз у цьому і полягає суть використання явища вторинної емісії електронів для підсилення фотоструму. У сприятливих умовах за цим методом можна одержати підсилення первинного фотоструму у 7-8 раз на одному каскаді підсилення найпростішого фотопомножувача.

Значення коефіцієнта підсилення , де – анодний струм, а –катодний струм, залежить від властивостей емітера і від величини напруг, прикладених до електродів фотопомножувача.

 

Експериментальна установка, завдання та послідовність проведення експерименту

 

Фотопомножувач встановлений у захисний футляр. Перед вхідним вікном футляра встановлена світлозахисна трубка, яка захищає вхід у футляр фотопомножувача від випадкового розсіяного світла.

На рухомій штанзі з масштабними поділками у спеціальному тримачі закріплена маленька лампочка розжарювання, оснащена регулятором струму. Штанга може переміщуватись у світлозахисній трубці.

Електрична схема експериментальної установки, яка використовується у даній лабораторній роботі, наведена на рис.1б. Силу струму у всіх колах фотопомножувача вимірюють мікроамперметрами. Мікроамперметри, зі світловими вказівниками і межею вимірювання сили струму один мікроампер, увімкнуті по одному у коло катода і у коло анода. Вони служать для вимірювання анодного І_а і катодного І_к струмів. Для вимірювання сили струму у колі емітера І_ем, використовують нуль-гальванометр. Вибір такого типу приладу для вимірювання І_ем зумовлений тим, що в залежності від напруги, прикладеної до емітера, струм у колі емітера може змінюватись не лише за величиною, але й за напрямком. Нуль-гальванометр має мале затухання. Тому при проведенні вимірювань І_ем, треба спочатку дочекатись того моменту часу коли після закінчення кожного попереднього вимірювання, стрілка цього приладу повністю «заспокоїться» і лише після цього здійснювати наступне вимірювання.

Перед проведенням вимірювань необхідно визначити ціну поділок мікроамперметрів, а також ціну поділки нуль-гальванометра.

Порядок увімкнення установки

 

1. Перевірте положення ручок регулювання вихідної напруги універсального джерела живлення (УИП). Вони повинні знаходитись у крайньому лівому положенні.

2. Вставте штепсельну вилку в розетку зі змінною напругою і підключіть універсальне джерело живлення (УИП) до мережі живлення.

3. Увімкніть УИП. При цьому усі його вимірювальні прилади повинні показувати нульові показники.

4. Висуньте штангу з лампочкою розжарювання у крайнє ліве положення (до упору) із світлозахисної трубки.

5. За допомогою потенціометрів (ручок «0-400 В», і «20-600 В» УИПу) установіть напругу на емітері фотопомножувача 110 В, а на його аноді 220 В. Увімкніть джерело живлення лампочки розжарювання. Пересвідчіться у тому, що показання приладів, які вимірюють силу струму у колах емітера, катода і анода, не перевищують 1-2 поділки.

 

Порядок отримання залежностей сил струменів І_а, І_к, І_ем від освітленості фотокатода фотопомножувача.

 

Вимірювання , , здійснюють при фіксованих значеннях напруги на аноді () і на емітері () фотопомножувача.

1. Перше вимірювання , , здійснюють при максимальному віддаленні лампочки розжарювання від фотопомножувача, тобто за умови, що штанга з лампочкою висунута зі світлозахисної трубки у крайнє ліве положення до упору.

2. Наступні вимірювання здійснюйте поетапно наближуючи лампочку розжарювання до фотопомножувача. Для цього треба всовувати штангу з лампочкою у світлозахисну трубку на відстань, яка дорівнює відстані між двома масштабними мітками на штанзі, і визначати за струмовимірювальними приладами значення струмів , , .

Вважаючи лампочку точковим джерелом світла, можна визначити освітленість фотокатода, скориставшись для цього законом освітленості. Як відомо, за цим законом освітленість поверхні у випадку, коли промені падають на поверхню нормально, при сталій силі світла джерела обернено пропорційна квадрату його відстані від освітлюваної поверхні.

Нехай – освітленість фотокатоду при максимальному віддаленні від нього лампочки, а освітленість фотокатоду при якомусь n -ному положенні лампочки, яка знаходиться від нього на відстані . Тоді:

. (1)

В експериментальній установці, яка використовується у даній лабораторній роботі, відстань від лампочки до фотокатоду може змінюватись у межах від 65 см до 10 см. При визначенні значень і треба до показників шкали відліку на штанзі освітлювального пристрою додати . При розрахунку E_n за формулою (1) освітленість фотокатоду слід взяти рівною одиниці.

3. Експериментальні дані та дані, які отримані шляхом розрахунків, занесіть у таблицю №1. За даними таблиці №1 побудуйте на одному рисунку залежності , , , використовуючи при цьому різні позначки (наприклад Δ, o, *) для кожного зі струмів.

Таблиця №1

Залежності сил струмів (анодного, катодного, емітерного) від відносної освітленості його фотокатода при U_а=220 В, U_ем = 110 В

, под	, мкА	, под.	, мкА	, под.	, мкА	, см	, відн.од.

 

Порядок отримання залежностей сил струмів у фотопомножувачі від величини анодної напруги

 

Для отримання цих залежностей треба всунути штангу з лампочкою розжарювання в світлозахисну трубку на глибину, яка відповідає 20-тій поділці шкали (). Змінюючи анодну напругу від 40 до через у залежності від крутизни характеристики почергово отримайте залежності , , при трьох різних значеннях напруги на емітері , , . Результати вимірювань занесіть у таблицю №2. За даними таблиці №2 побудуйте залежності , , при трьох вказаних значеннях напруги не емітері.

Таблиця №2