Изучение дифракции света с использованием лазерного излучения или излучения горелки ПРК – 2

Лабораторная работа № 20

Порядок выполнения работы

1. Окно нижней камеры 3 закрыть пробкой (рис. 7).

2. Открыть верхнюю камеру 6 и промыть дистиллированной водой поверхность измеряемой и осветительной призмы и насухо вытереть чистой салфеткой.

3. Стеклянной палочкой нанести на плоскость измерительной призмы 1 — 2 капли раствора NaCl и осторожно закрыть верхнюю камеру.

4. Луч света осветителя 4 направить в окно верхней камеры.

5. Перемещением рукоятки 11 с окуляром вдоль шкалы ввести в поле зрения границу светотени.

6. Установить резкость границы светотени, штрихов шкалы и перекрестья сетки вращением гайки окуляра 10.

7. Установить окрашенность границы светотени вращением рукоятки дисперсионного компенсатора 7.

8. Добиться максимальной контрастной границы светотени поворотом рычага осветителя и вращением осветителя на оси 4.

9. Границу светотени, перемещая рукоятку 14, подвести к центру перекрестья сетки. По соответствующим шкалам определить показатель преломления и концентрацию NaCl с учетом поправки на температуру (по таблице).

10. Выполнить операцию пункта 9 для других растворов NaCl. Построить график зависимости n = f(С).

11. Определить абсолютную и относительную погрешность измерений. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 1.

Таблица 1

Исследуе-мый раствор	№ Р-ра	n	D n	E=(Dn/n)100%	с, %	D с,%	E =(Dс/с)100%
	1.
	2.
NaСl	3.
	4.
	5.

Контрольные вопросы

1. В чем заключается принцип Ферма? 2. Получить, исходя из принципа Ферма, закон преломления света. 3. Сформулировать законы геометрической оптики. 4. Как связан показатель преломления среды со скоростью света в ней? 5. В чем заключается явление полного внутреннего отражения? 6. Как зависит показатель преломления раствора от его концентрации? 7. Устройство и принцип работы рефрактометра УРЛ-1. 8. Применение рефрактометра в медико-биологических исследованиях.

Приборы и принадлежности: газовый лазер, ПРК-2, две дифракционные решетки, прибор для определения длины световой волны.

Цель работы: определение длины волны излучения и спектрального состава ламповой горелки ПРК-2 с помощью дифракционной решетки и определение периода дифракционной решетки.

Дифракцией называют огибание волнами препятствий, соизмеримых с длиной волны. Под препятствием понимается как преграда, так и отверстие или щель. В результате дифракции в области геометрической тени наблюдаются освещенные участки и участки в виде темных полос или колец (в зависимости от формы препятствия).

Явление дифракции света объясняется на основе принципа Гюйгенса — Френеля, согласно которому каждая точка фронта волны является источником вторичных волн. Вторичные волны когерентны и интерферируют между собой. Можно сказать, что дифракция света есть интерференция вторичных волн. Условие возникновения максимумов интенсивности света при дифракции обосновывается зонной теорией Френеля.

Для получения дифракции применяют дифракционную решетку, представляющую собой систему параллельных штрихов, нанесенных на поверхность стеклянной пластинки специальной делительной машиной. Между штрихами имеются прозрачные промежутки — щели, сквозь которые проходят световые лучи. Параллельные щели отстоят друг от друга на определенном расстоянии d, которое называется периодом решетки или постоянной решетки (рис. 1).

При падении на дифракционную решетку плоской световой волны вторичные волны от различных щелей являются когерентными, и поэтому для нахождения результирующей освещенности в какой-либо точке экрана необходимо найти фазовые соотношения между этими волнами.

Из рисунка 1 видно, что оптическую разность хода D световых лучей от соседних щелей можно представить в виде:

,

где d — период дифракционной решетки, j — угол дифракции.

Анализ показывает, что для тех направлений, для которых выполняется условие:

, (1)

где — порядок спектра, l — длина волны в данной среде, колебания от отдельных щелей приходят в соответствующие точки экрана в одинаковой фазе и взаимно усиливают друг друга. Амплитуда колебаний А_max в этом случае определяется уравнением:

, (2)

где А_j — амплитуда колебания, посылаемого одной щелью под углом j, N — число щелей.

Так как интенсивность света I пропорциональна квадрату амплитуды А, то, возводя уравнение (2) в квадрат, получим:

. (3)

Таким образом, уравнение (1) является условием дифракционного максимума. Если

(4)

то колебания от отдельных щелей в соответствующие точки экрана приходят в противофазе и гасят друг друга — в этих точках наблюдается дифракционный минимум.

Число k дает порядок главного максимума. Максимум нулевого порядка только один, максимумов первого, второго и т.д. порядков бывает по два. Модуль sinj не может превысить единицу, поэтому, как это видно из уравнения (1), k < d/l, т.е. порядок наблюдаемых главных максимумов определяется в значительной степени периодом дифракционной решетки и значением l. Из уравнения (1) следует, что

(5)

Возможность разрешения (т.е. раздельного восприятия) двух близких спектральных линий определяется угловой дисперсией D прибора (D=dj /dl), которая при небольших значениях углов () оценивается выражением: D = k/d; и разрешающей силой R спектрального прибора (R = l/dl), которая, как показывает соответствующий анализ, пропорциональна порядку спектра k и числу щелей N, т.е. R = kN. Таким образом, разрешающая способность дифракционной решетки тем более, чем больше порядок спектра k и число штрихов N.

В данной работе источником когерентного излучения является оптический квантовый генератор (газовый гелий-неоновый лазер), принцип работы которого основан на генерации и усилении света с помощью вынужденного (индуцированного) излучения. Индуцированным называется такое излучение электромагнитных волн, которое возникает, если атом переходит из возбужденного состояния в основное под действием внешнего излучения (фотона). Такое взаимодействие фотона с возбужденным атомом происходит, если энергия фотона hu равна разности уровней энергии атома в возбужденном и основном состояниях. В этом случае после взаимодействия фотона с возбужденным атомом от атома будут распространяться уже два фотона (рис. 2) в том же направлении с одинаковой частотой и энергией, т.е. индуцированное излучение когерентно вынуждающему излучению. В обычном состоянии невозбужденных атомов в веществе значительно больше, чем возбужденных, поэтому при взаимодействии фотонов с веществом преобладает процесс поглощения, и усиления света не происходит. Для того, чтобы процесс вынужденного излучения преобладал над поглощением, надо создать такую термодинамическую неравномерность состояния вещества, при которой большая часть атомов находилась бы в возбужденном состоянии. Такое состояние называется инверсной населенностью. Интенсивность света I, прошедшего через слой вещества, зависит от толщины слоя l по закону Бугера:

где I_o — интенсивность падающего света, х — коэффициент поглощения.

При взаимодействии света с веществом в обычном состоянии I < I_o и l >0.

Интенсивность света, прошедшего через среду с инверсной населенностью атомов, увеличивается, т.е. I > I_o, что соответствует по закону Бугера отрицательному коэффициенту поглощения (х < 0). Состояние вещества с инверсной населенностью называется также состоянием с отрицательной термодинамической температурой.

Советский физик В.А.Фабрикант впервые рассмотрел возможность получения сред с отрицательной термодинамической температурой и сформулировал принцип молекулярного усиления, который был положен русскими учеными Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым и американским физиком Ч. Таунсом в основу принципа работы первых квантовых генераторов электромагнитных волн (мазеров). Генераторы, дающие излучение в оптическом диапазоне волн, называются лазерами. Элементом лазера является разрядная трубка, заполненная гелием и неоном (рис. 3).

Парциальное давление гелия — 1 мм рт. ст. Атомы неона являются излучающими (рабочими), атомы гелия — вспомогательными, создающими инверсную населенность атомов неона. При электрическом разряде в трубке атомы гелия возбуждаются и переходят в состояние 2 (рис. 4). Первый возбужденный уровень 2 гелия совпадает с энергетическим уровнем 3 атомов неона.

При соударении с атомами неона атомы гелия передают свою энергию и переводят их в возбужденное состояние 3. Таким образом, неон является той активной средой, с помощью которой получают атомы с инверсной населенностью.

Спонтанный (самопроизвольный) переход отдельных атомов неона с энергетического уровня 3 на уровень 2 приводит к появлению в трубке фотонов. Взаимодействие этих фотонов с возбужденными атомами неона приводит к появлению индуцированного когерентного излучения. В результате перехода электронов с 3 уровня на 2 в трубке возникает увеличивающийся поток фотонов с энергией hn. Для разгрузки уровня 2 подбирают такой размер газоразрядной трубки, чтобы при соударении с ее стенками атом неона отдавал энергию и переходил в стационарное состояние (уровень 1). На концах трубки расположены плоскопараллельные зеркала (зеркальный резонатор), одно из них полупрозрачное (рис. 3). Фотоны, возникающие при вынужденном излучении, в зависимости от направления их движения либо вылетают через боковые поверхности трубки, либо, многократно отражаясь от зеркал, сами вызывают вынужденные переходы. Таким образом, пучок, ортогональный зеркалам, будет иметь наибольшее развитие и выходит наружу через полупрозрачное зеркало. Так работает газовый лазер непрерывного действия.

Индуцированное излучение газового лазера является высококогерентным, исключительно монохроматическим, плоскопараллельным, остронаправленным и обладает большой мощностью. На этих свойствах основано применение лазеров. В настоящее время лазеры широко используются в различных областях медицины. В офтальмологии лучами лазера “приваривают” отслоенную сетчатку к лежащей под ней сосудистой оболочке, лечат некоторые начальные формы внутриглазных опухолей без удаления глазного яблока.

Луч лазера позволяет абсолютно стерильным “световым скальпелем” рассекать ткани и производить операции без кровотечений. Объясняется это тем, что при рассечении лучом лазера мелкие и средние сосуды спаиваются и лишь крупные сосуды перевязываются.

Разрушительное действие лазерного луча используется для лечения пигментных пятен, бородавок и опухолей.

Применение волоконной оптики позволило использовать лазерное излучение для получения голограмм некоторых внутренних органов, а также для внутренней коагуляции.

С помощью дифракционной решетки можно изучать спектральный состав излучателей, широко используемых в медицинской практике, например аргоно-ртутно-кварцевые горелки типа ПРК-2. В настоящее время наибольшее распространение получили лампы с горелками: ПРК-2, ПРК-4, ПРК-7. Лампы с горелками ПРК в основном применяются в источниках интегрального потока ультрафиолетовых лучей, обладающих бактерицидным действием.

Известно, что Солнце является естественным источником света и излучает в мировое пространство огромное количество лучистой энергии. Инфракрасные лучи и видимая часть солнечного спектра является носителем тепловой энергии. Ультрафиолетовые лучи, обладая особой биологической активностью, преимущественно оказывают химическое воздействие. Они способны убивать микробы, а также содействовать синтезу витамина Д в организме. Биологическое воздействие ультрафиолетового излучения также неодинаково. Принято различать три области: область А — с длинами волн от 0,4 до 0,315 мкм, которая оказывает укрепляющее воздействие на организм и используется как антирахитное средство и для лечения волчанки; область В — 0,315 — 0,28 мкм, оказывающей эритемное воздействие и под воздействием лучей этой области происходит образование пигментов; область С — 0,28 — 0,2 мкм, которая обладает сильным бактерицидным действием.

Атмосфера Земли по-разному поглощает электромагнитные волны различной длины, излучаемые Солнцем. Сильнее всего поглощаются ультрафиолетовые лучи и значительно меньше — инфракрасные, поэтому доля излучения у поверхности Земли и в области верхней граница атмосферы для соответствующих излучений будет различна.

Малый удельный вес в составе солнечного излучения биологически активных ультрафиолетовых лучей и зависимость гелиотерапии от погодных условий привели к использованию искусственных источников излучения — ртутно — кварцевых ламп, которые могут быть как низкого, так и высокого давления. В медицине используются и те, и другие. Первые дают ультрафиолетовые лучи в диапазоне от 0,39 до 0,27 мкм (области А и В), максимум энергии приходится на l = 0,365 мкм. Вторые дают ультрафиолет в диапазоне волн от 0,27 до 0,18 мкм (область С), максимум энергии приходится на излучение с l = 0,254 мкм.

В медицинской практике находят применение и специальные аргонно — ртутно — кварцевые лампы, используемые для местного и внутреннего облучения. Ультрафиолетовые лучи с длиной волны от 0,30 до 0,18 мкм применяют при стерилизации воды, медленно текущей слоем толщиной не более 20 мм; для обезвреживания вируса гриппа, стафилококковых инфекций, при лечении неврита, радикулита и других болезней.

Дата добавления: 2014-01-04