ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Для экспериментального исследования соотношения неопределенности Гейзенберга собирается установка, схема которой приведена на рис. 3. Установка состоит из лазера 1, излучающего в видимом диапазоне спектра (наиболее доступным является гелий-неоновый лазер, длина волны которого l= 632,8 нм), регулируемой щели 2, установленной на подвижном рейтере и экрана 3. Все элементы экспериментальной установки размещаются на оптической скамье.

Для фотонов известной энергии осуществить экспериментальную проверку соотношения неопределенности Гейзенберга DxDpx ³ h/4p

1. Включить лазер, предварительно предупредив преподавателя.

2. Получить с помощью щели дифракционную картину на экране. Для достижения оптимальных условий измерений полностью закройте с помощью микровинта щель и снимите отсчет по его шкале. Точность нулевого отсчета ширины щели имеет принципиальное значение для выполнения всей работы. Поэтому необходимо тщательно определить момент полного закрытия щели, многократно (минимум 5 раз) открывая и закрывая щель и наблюдая появление и исчезновение дифракционной картины на экране.

3. Медленно вращая микровинт открыть щель, снять отсчет по микровинту ширины щели d затем измерить ширину центрального максимума дифракционной картины 2* l.

5. Выполнить пункты 2-4 три раза, для различных L и результаты занести в таблицу.

6. Вычислить энергию Е = hc/l кванта света, излучаемого лазером, полагая, что длина волны излучения известна.

7. Вычислите sin j, используя теорему Пифагора.

9. Сравнить полученные произведения DxDpx с величиной постоянной Планка. Для всех без исключения измеренных значений Dx и Dpx должно быть выполнено соотношение DxDpx³ h/4p.

1. В чем заключается и проявляется корпускулярно-волновой дуализм света.

2. Объясните дифракционную картину, возникающую при дифракции света на щели с точки зрения волновой и корпускулярной теории.

3. Какие физические величины и как могут быть оценены с использованием соотношения неопределенности?

4. Почему принцип неопределенности считается фундаментальным принципом квантовой механики?

5. Почему движение микрочастиц нельзя описать с помощью понятия траектории?

Лазеры - это источники когерентного излучения, в основе действия которых лежит явление усиления света с помощью вынужденного излучения. Лазеры генерируют свет в оптическом диапазоне: в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях.

Из квантовой механики известно, что атомы любого вещества могут находиться лишь в квантовых состояниях с дискретным значением энергии Е1, Е2, Е3,…. Рассмотрим для простоты какие-либо два из них. Если атом находится в основном состоянии 1 (минимальная энергия), то под действием внешнего излучения он может перейти в возбужденное состояние 2 (рис.1а). Если разность энергии Е2-Е1 равна энергии фотона внешнего излучения, то произойдет поглощение внешнего излучения. Вероятность подобных переходов тем выше, чем больше плотность потока внешнего излучения. Через некоторый промежуток времени атом из возбужденного состояния может перейти снова в основное без каких-либо внешних воздействий (рис.1б.). При этом он испускает фотон с энергией hv = Е2-Е1. Процесс испускания возбужденным атомом фотона без внешних воздействий называется спонтанным (или самопроизвольным) излучением. Спонтанное излучение некогерентно, так как спонтанные переходы различных атомов взаимно никак не связаны.

Если на атом, находящийся в возбужденном состоянии, действует внешнее излучение с резонансной частотой, удовлетворяющей условию hv = Е2-Е1, то произойдет вынужденный переход атома в основное состояние 1 с излучением фотона той же энергии hv = Е2 – Е1 (рис.1в.), т.е. при таком переходе происходит излучение фотона, дополнительного к тому фотону, под действием которого произошло излучение. Возникающее в результате таких переходов излучение называется вынужденным излучением.

Таким образом, результатом вынужденного перехода атома являются два фотона – первичный, который вызвал излучение, и вторичный –испущенный атомом, причем, существенно, что вторичный фотон является точной копией первичного, т.е. они не различимы. Вынужденное излучение, как было показано Эйнштейном и Дираком, тождественно вынуждающему излучению: оно имеет такую же частоту, поляризацию и направление распространения, т.е. вынужденное и вынуждающее излучения когерентны. Если испущенные фотоны встречают на своем пути (а они движутся в одном направлении) другие возбужденные атомы, то они вызывают новые вынужденные (индуцированные) переходы, и число фотонов нарастает лавинообразно.

Однако, наряду с процессом вынужденного излучения идет процесс поглощения. Для усиления падающего излучения необходимо, чтобы в среде атомов, находящихся в возбужденном состоянии, было больше, чем их число в основном состоянии. Такие состояния называются состояниями с инверсией населенностей уровней, а среда в таком состоянии – активной средой. Осуществить инверсную населенность в системе, имеющей два энергетических уровня (рис.1) невозможно. Необходимо иметь по крайней мере трехуровневую систему (рис.3). Процесс перевода среды в состояние с инверсией населенностей уровней называется накачкой. Накачку можно осуществить оптическими, электрическими, химическими и другими способами.

Любой лазер имеет три основных компонента: 1.активную среду; 2.Оптический резонатор, который используется для выделения направления лазерной генерации. 3. Систему накачки (рис. 2.).

1 - активный элемент; 2 - О - зеркала резонатор; 3 - Система накачки.

В простейшем случае резонатором служит пара обращенных друг к другу параллельно зеркал на общей оптической оси, между которыми находится активная среда (кристалл или кювета с газом). Обычно одно из зеркал полностью отражающее, а второе- частично прозрачно. Фотоны, которые излучаются под углом к оптической оси, выходят через боковую поверхность, а движущееся вдоль оси, многократно отражаются от зеркальных торцов, вызывая вынужденное излучение встречающихся на пути атомов. Этот процесс протекает лавинообразно. Многократно усиленный поток фотонов выходит через частично прозрачное зеркало, создавая направленный поток излучения большой яркости. Таким образом, оптический резонатор формирует направленный (вдоль оси) фотонный поток, обладающий высокими когерентными свойствами.

В данной работе используется газовый лазер, рабочей средой которого является смесь атомов гелия и неона.

Как и любой другой, газовый лазер состоит из трех основных частей:

1. Активной среды, в которой создаются фотоны и 2. Оптического резонатора.

Активная среда, помещена в разрядную трубку 1 (рис.2) представляет собой смесь гелия под давлением 1 мм рт.ст. и неона под давлением 0,1 мм рт.ст. Оптический резонатор представляет собой два соосных зеркала, перпендикулярных к продольной оси лазера. Накачка в лазере осуществляется за счет электрического тлеющего разряда. Вывод излучения производится через частично прозрачное плоское зеркало(см рис.2).

Разряд возбуждает атомы гелия, переводя их на метастабильный уровень 2s (рис. 3). Вероятность спонтанного перехода с метастабильного уровня 2s на основной уровень весьма мала. Поэтому метастабильные атомы гелия теряют свою энергию возбуждения в основном при столкновениях с другими частицами, передавая последним свою энергию, т.е. гелий играет роль буферного газа.. Передача энергии возбуждения от атома He атомам Ne приводит к тому, что атомы Ne переходят на уровни 5s и 4s. Вследствие этого возникает инверсная населенность уровней 5s и 4s атома Ne и создаются условия для вынужденного излучения. Взаимодействие атомов Ne, находящихся на уровнях 4s и 5s, с фотонами определенных энергий приводит к переходам 5s ® 3p или 4s ® 3p дающих лазерное излучение, причем переход 5s ® 3p дает видимое излучение (l=0,63mкм), а переход 4s ® 3p – инфракрасное (l = 3,39mкм). (уровни атома Ne 5s, 4s, и 3p обладают системой подуровней, что показано на рис. 3 рядом горизонтальных линий).

Фотоны, возникающие в активной среде в результате вынужденного излучения, после отражений от зеркал (оно может быть многократным) снова индуцируют излучение, что приводит к увеличению общего числа фотонов, летящих в направлении продольной оси лазера, т.е. к усилению светового пучка).

Для изучения лазеров характерны: 1. Временная и пространственная когерентность; 2. Высокая монохроматичность (спектральная ширина лазерного излучения Dl = 0,1А); 3. Большой диапазон мощностей (от микроватт до сотен Гигаватт) и 4. Малая расходимость или направленность пучка.

Газовые лазеры могут работать как в непрерывном так и в импульсном режимах. Используемый а настоящей работе гелий- неоновый лазер типа ЛГ-52 работает в непрерывном режиме. Мощность излучения этого лазера порядка 5 мвт.

Применение лазеров в биологии и медицине основано на использовании широкого круга явлений, связанных с разнообразными проявлениями взаимодействия света с биологическими объектами. Лазерное излучение, также как и обычный свет, может отражаться, поглощаться, рассеиваться биологической средой и каждый из этих процессов несет информацию о микро- и макроструктуре этой среды, движении и форме отдельных ее составляющих. Видимый и ультрафиолетовый свет могут оказывать фотохимическое действие.

Процессы, характеризующие виды взаимодействия лазерного излучения с биологическими объектами, можно разделить на три группы: 1) процессы не возмущающие взаимодействие; 2) процессы, в которых проявляется фотохимическое действие; и 3) процессы, приводящие к фоторазрушению. На схеме 1 представлена классификация основных принципов применения лазеров в биологии и медицине, учитывающая указанные группы процессов.

Лазерная диагностика. Методы лазерной диагностики делятся на микродиагностические (на уровне атомов и молекул) и макродиагностические (на уровне клеток и органов). Микродиагностика использует все средства линейной и нелинейной лазерной спектроскопии, а макродиагностика – методы упругого и квазиупругого рассеяния, голографию.

Традиционно, спектральный анализ широко применяется в биологии для анализа, например, следовых концентраций веществ при изучении метаболизма живых организмов и в токсикологии. Нелазерные источники дают возможность детектировать сигнал от 1010 атомов, а с использованием лазера детектируются даже отдельные атомы и молекулы, а также возможно проводить атомный анализ непосредственно на реальных объектах, не прибегая к их предварительной подготовке. Одним из примеров является метод прямой резонансной фотоионизации, успешно примененный к определению следовых концентраций алюминия в крови человека.

Лазерно-флуоресцентная спектроскопия с применением сенсибилизаторов патологических тканей, например, производных гематопорфирина, оказывается очень эффективной при ранней диагностике раковых и других заболеваний. Существуют и неразрушающие методы микроспектрального анализа биообъектов, например, лазерная микрофлуориметрия отдельных живых клеток или органелл.

В основе биомедицинской макродиагностики лежит использование высокой монохроматичности и высокой пространственной когерентности лазерного излучения, которая позволяет измерять положение, скорость, малые перемещения и форму различных компонентов биологических объектов.

Одно из эффективных применений лазеров в биомедицине – это лазерная анемометрия, которая заключается в измерении малых скоростей движения биологических жидкостей, например, скорости кровотока в сосудах, подвижности бактерий и т. д. Этот метод основан на измерении доплеровского сдвига частоты излучения лазера, который возникает при обратном рассеянии света движущихся частиц микронного размера.

Основы лазерной терапии. В основе лазерной терапии лежит управление биохимическими процессами с помощью света, который возбуждает биомолекулы. Взаимодействие лазерного излучения с биологическими молекулами реализуется чаще всего на клеточных мембранах, что приводит к изменению их физикохимических свойств (поверхностного заряда, диэлектрической проницаемости, вязкости, подвижности макромолекулярных комплексов), а также их основных функций (механической, барьерной и матричной). В результате избирательного поглощения энергии активируются системы мембранной организации биомолекул. К их числу относятся прежде всего белоксинтетический аппарат клеточного ядра, дыхательная цепь, внутренние мембраны митохондрий, антиоксидантная система, комплекс микросомальных гидроксилаз. Активация этих комплексов стимулирует синтез белков и нуклеиновых кислот, гликолиз, липолиз и окислительное фосфорилирование клеток. Можно выделить три основных механизма физиотерапевтического действия лазерного излучения: 1) воздействие электромагнитным полем; 2) термическое воздействие; 3) механическое воздействие (давление света, ударные волны).

Основы лазерной хирургии. Преимущества лазерной хирургии хорошо известны – это бесконтактность, дающая абсолютную стерильность; селективность, позволяющая выбором длины волны облучения разрушать патологические ткани, не затрагивая окружающие здоровые; широкий диапазон интенсивностей лазерного излучения дает возможность обеспечивать требуемое воздействие на биообъект: плавление и выпаривание при сравнительно небольшом разогреве, разрушение за счет локального интенсивного импульсного нагрева или фотохимическое разрушение. Отметим еще бескровность лазерных операций, а также широкие возможности при микрохирургии тканей и клеток благодаря высокой степени фокусировки пучка пороговому характеру фоторазрушения.

Наиболее значительные достижения лазерная хирургия имеет в офтальмологии. Это операции на стекловидном теле, фотокоагуляция сетчатки, лечение диабетической ретинопатии, приваривание отслоившейся сетчатки, пробивка отверстий для обеспечения нормального функционирования шлеммова канала при лечении глаукомы и пр.

Широкие возможности открываются у лазерной хирургии, диагностики, физиотерапии при использовании волоконных световодов, способных передавать значительные мощности. Например, применение волоконно-оптических катетеров позволяет реализовать лазерную ангиопластику - разрушение склеротических бляшек в кровеносных сосудах. Значительные перспективы в биологии имеет микрохирургия живых клеток. Локальность воздействия может быть доведена до 0,01 мкм. Широкие пределы изменения длины волны лазерного излучения и длительности импульса позволяет реализовать любой из видов фоторазрушения от теплового до фотохимического. Все это дает новые возможности в микрохирургии хромосом, митатических органелл и цитоплазмы, имеет выход в генетическую инженерию.

Все свойства поляризованного света указывают на то, что его используют для изучения анизотропии веществ. Результаты взаимодействия поляризованного света с любой анизотропной средой содержит информацию об этой анизотропии. Среди элементарных биологических объектов можно найти очень большое число примеров анизотропии. Современные методы исследования таких объектов (в частности, с помощью электронных микроскопов) показывают, что все они (нервные волокна, хлоропласты, различные элементы клетки- митохондрии, рибосомы) имеют высокоупорядоченную, сложную структуру. Эта структура много сложнее кристаллической: здесь нет простой повторяемости элементарной ячейки, но имеет место как бы иерархия структур: элементарные структуры являются субъединицами вторичных структур, а те в свою очередь- более сложных третичных и т.д. Поляризационно- оптическими методами получены ценные сведения о нуклеиновых кислотах и нуклеопротеидах. Изучение дихроизма их растворов в электрических полях дало информацию о дипольных моментах, геометрии, гибкости. С помощью дихроизма изучалась жесткость двойной спирали ДНК в зависимости от внешних условий (температуры, концентрации и др.) [4]. Оказалось, что этим способом можно замечать малые изменения структуры ДНК при ультрофиолетовом и рентгеновском облучении, при воздействии ультрозвуком. Дихроизм в потоке вирусов, протекающем через узкий капилляр, дает информацию об их внутренней структуре, в частности об упаковке протеинов и укладке цепей ДНК.

Широко применяется исследование двойного лучепреломления при искусственной ориентации сред, в частности ориентации частиц в потоке жидкости. В качестве характерного примера можно привести исследование структуры фаговых частиц, в частности упаковки ДНК в фагах.

Важно отметить, что невооруженный глаз человека способен непосредственно реагировать на поляризацию света, правда реагирует слабо, но все же реагирует.

Таким образом, приведенные примеры говорят о важности и необходимости изучения явления поляризации студентами –медиками.

Плоская электромагнитная волна является волной поперечной и представляет собой процесс распространения в пространстве взаимно перпендикулярных колебаний вектора напряженности электрического поля Е и вектора напряженности магнитного поля Н (Рис.1,а).

Плоскость, в которой колеблется световой вектор в линейно поляризованной волне, мы будем называть плоскостью колебаний. Плоскостью поляризации по историческим причинам называют плоскость, в которой колеблется вектор Н.

Вектор Е колеблется в направлении оси, вдоль которой совершает колебания атом или молекула, излучающая свет. В природе свет излучается множеством атомов, поэтому имеется множество отдельных волн, вектора напряженности электрического поля Е которых колеблются по всем возможным направлениям. Световой пучок, в котором различные направления вектора Е равновероятны, называется естественным, т.е. плоскость колебаний вектора Е (а, следовательно, и вектора Н) в естественном свете непрерывно меняется (Рис. 1, б).

Любой вектор можно разложить на составляющие вдоль взаимно перпендикулярных осей. Выберем плоскость перпендикулярную направлению распространения естественного света и систему координат на ней и мысленно спроектируем на оси х и у все возможные положения вектора Е, а затем просуммируем все х- компоненты и все у- компоненты. Очевидно, что для естественного света эти две суммы всегда, при любой ориентации системы координат, будут равны (рис..1,в).

Тогда луч естественного света можно изобразить следующим образом (рис.1,д)

Стрелочками изображаются колебания вектора Е, совершающиеся в плоскости рисунка, а точками – колебания вектора Е, совершающиеся перпендикулярно плоскости рисунка.

Свет, в котором колебания вектора Е подчиняются некоторой закономерности, называется поляризованным. Если колебания вектора Е происходят в одной плоскости, то волна называется плоско поляризованной или линейно поляризованной (рис.1,г).

Если же колебания вектора Е совершаются так, что его конец описывает круг или эллипс, то свет называется поляризованным по кругу или эллиптически поляризованным (рис.2).

Рассмотрим плоскую волну, компоненты вектора напряженности электрического поля Е которой изменяются по гармоническому закону

Найдем уравнение траектории, по которой движется конец вектора Е в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Для этого преобразуем уравнения (1) следующим образом:

Возводя это выражение в квадрат и складывая с

Из аналитической геометрии известно, что уравнение (2) представляет собой уравнение эллипса, оси которого ориентированы произвольно относительно координатных осей х и у. Итак, в общем случае при распространении плоской монохроматической световой волны конец вектора Е в плоскости перпендикулярной направлению распространения волны описывает эллипс.

1. Пусть разность фаз компонент вектора Е кратна числу p

Т.е. эллипс переходит в прямую, что соответствует случаю линейно поляризованного света. На рисунке 2а показаны возможные направления поляризации в плоско поляризованной волне, соответствующие d=0 и d=p.

т.е. в уравнение эллипса, приведенного к координатным осям, причем полуоси эллипса равны соответствующим амплитудам компонент.

При равенстве амплитуд А1 и А2 эллипс вырождается в окружность, т.е. конец вектора Е движется по окружности, вращаясь по часовой или против часовой стрелки. Это и есть круговая поляризованная волна.

Таким образом, две когерентные линейно поляризованные волны, плоскости колебаний которых взаимно перпендикулярны, при наложении друг на друга в общем случае дают эллиптически – поляризованную волну. При разности фаз d, кратной p, эллипс вырождается в прямую линию, и получается линейно поляризованный свет. При d кратной

и равенстве амплитуд складываемых волн эллипс превращается в окружность - получается световая волна поляризованная по кругу.

В зависимости от направления вращения вектора Е различают правую и левую эллиптическую и круговую поляризации. Если по отношению к направлению, противоположному направлению луча, вектор Е вращается по часовой стрелке, поляризация называется правой, в противном случае – левой.

Свет, в котором колебания одного направления преобладают над колебаниями других направлений, называется частично поляризованным. Такой свет можно рассматривать как смесь естественного и линейно поляризованного.

Получить поляризованный свет, т. е. отобрать из естественного света составляющие вектора Е, колеблющиеся в какой-то определенной плоскости, можно различными способами.

Поляризация при двойном лучепреломлении. Явление двойного лучепреломления наблюдается в анизотропных средах (анизотропной средой называется среда, физические свойства которой в разных направлениях различны). Анизотропной средой являются, например, кристаллы кварца и исландского шпата.

В случае анизотропной среды показатель преломления различен для различных направлений поляризации света, поэтому при освещении кристалла исландского шпата узким пучком света в нем возникают два луча, один из этих лучей удовлетворяет обычному закону преломления и лежит в одной плоскости с падающем лучом и нормалью. Этот луч называют обыкновенным (о). Для другого луча, называемого необыкновенным (e), закон Снелля не выполняется (см. рис.3). Необыкновенный луч не лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью к преломляющей поверхности. В любом кристалле имеется направление, в котором отсутствует двойное лучепреломление, т.е. ne=n0. Это направление называется оптической осью кристалла. Прямая О1О2 (рис.3) является оптической осью кристалла исландского шпата (прямая, соединяющая противоположные телесные тупые углы). Всякое направление в кристалле, параллельное О1О2 также является оптической осью этого кристалла. Сечение MO1NO2 — главное сечение кристалла, или главная плоскость, которая проходит через оптическую ось и нормаль n, проведенную в точку В падения луча АВ.

Ход лучей (обыкновенного и необыкновенного) можно изобразить в плоскости главного сечения (рис.4). Колебания вектора Е в луче BD совершаются в плоскости главного сечения кристалла (луч отмечен черточками), а в луче ВС — в плоскости, перпендикулярной главному сечению (луч отмечен точками). Для необыкновенного луча показатель преломления кристалла nе зависит от направления луча в кристалле, тогда как n0- показатель преломления обыкновенного луча остается постоянным при любом угле падения световой волны на кристалл. В частности, для исландского шпата (для света с длиной волны l=589,3нм) n0=1,658, а ne изменяется в границах 1,486

1,658. В данном случае ne

n0. Такие кристаллы называют отрицательными. Вместе с тем существует класс веществ (например, кристаллический кварц), для которых ne

n0. Такие кристаллы называются положительными.

Чтобы использовать такие поляризованные лучи, их надо отделить один от другого. Это осуществляется в призме Николя. Для изготовления призмы Николя естественный кристалл исландского шпата распиливается по линии AR (рис. 5) и обе половины склеиваются «канадским бальзамом». Если на николь падает естественный свет, то в призме он раздваивается. Обыкновенный луч, дойдя до слоя канадского бальзама ar, испытывает полное внутреннее отражение от канадского бальзама (рис. 5), так как для обыкновенного луча канадский бальзам оптически менее плотен, чем исландский шпат. Таким образом, обыкновенный луч отводится в сторону и поглощается в оправе призмы Николя. Необыкновенный луч 2 свободно проходит через слой канадского бальзама и выходит из призмы полностью поляризованным.

Устройства, при помощи которых получают поляризованный свет, называют поляризаторами. Если на пути поляризованного света поместить второй николь, то интенсивность вышедшего света будет зависеть от взаимной ориентации обеих призм. Если их главные плоскости параллельны, то интенсивность прошедшего через обе призмы света наибольшая. Если же эти направления перпендикулярны друг другу, то через вторую призму свет не пройдет. Первый николь играет роль поляризатора, второй – анализатора. Совокупность поляризатора и анализатора представляет собой типичную поляризационную установку, позволяющую исследовать различные поляризационные явления в разных средах, помещая их между поляризатором и анализатором.

Кроме двойного лучепреломления, для поляризации света применяются искусственные пленки — поляроиды; отражение света от диэлектриков; преломление света в стопе стеклянных пластинок и т.д.

ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА.

Цель работы: определение направления колебаний вектора Е в поляризованном свете, изучение поляризованного света при помощи анализаторов, проверка закона Малюса.

Приборы и принадлежности: источник света, фотоэлемент, призма Николя, поляризаторы, стопа Столетова, черное зеркало, экран.

Методы экспериментального превращения естественного света в поляризованный и изменения типа поляризации основаны на оптических явлениях, в процессе которых свет поляризуется или меняет свою поляризацию. В частности, поляризация света меняется при отражении и преломлении на границе изотропных диэлектриков; при двойном лучепреломление кристаллов; дихроизме Рассмотрим суть этих явлений и возможность их применения для поляризации света.

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: