Томский государственный университет
Институт дистанционного образования

Заочная

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ШКОЛА




Квантовые явления, физика атома и атомного ядра


Перечень опытов

  1. Дисперсные спектры призм.
  2. Призма прямого видения Амичи.
  3. Цветовой диск Ньютона.
  4. Спектр излучения стекла.
  5. Спектр поглощения неодима (Nd).
  6. Первый закон внешнего фотоэффекта.
  7. Второй закон внешнего фотоэффекта.
  8. Четвертый закон внешнего фотоэффекта.
  9. Счетчик Гейгера.
  10. Камера Вильсона.

Видеофильм "Квантовые явления, физика атома и атомного ядра"

Описание опытов

Опыт 1. Дисперсионные спектры призм

Оборудование: дуговая лампа белого света, диафрагма-щель, оптическая скамья, набор призм.

Дисперсией света называется зависимость показателя преломления среды от частоты (или длины волны) падающего света. Ньютон пропустил белый свет сквозь призму и получил на выходе многоцветный спектр.

Оптическая скамья формирует на экране наблюдения резкое изображение щели-диафрагмы, освещаемой дуговой лампой белого света. В сформированный дуговой поток помещают призмы из различного материала и наблюдают дисперсионные спектры призм.

"Водяная призма" (n = 1,33) с преломляющим углом 60° отклоняет узкий спектр на угол 20° от первоначального направления светового пучка.

Призмы из легкого стекла-крона (n = 1,5) с преломляющим углом 60° разлагают белый свет в спектр, который отклоняют примерно на 30° от первоначального направления. При этом ширина спектра от стеклянной призмы примерно в 1,5 раза больше спектра от "водяной призмы".

Призма с преломляющим углом в 60°, выполненная из тяжелого стекла - флинта (n = 1,75), отклоняет спектр почти на 45° от первоначального направления светового пучка, а ширина спектра увеличивается примерно в пять раз.

Призма из кварцевого стекла (n = 1,46) отклоняет спектр примерно так же, как и призма из кроны, но ее спектр имеет более широкую сине-фиолетовую часть спектра.

Опыт 2. Призма прямого видения Амичи

Оборудование: дуговая лампа белого света, диафрагма-щель, оптическая скамья, призма Амичи.

Призмы нашли широкое применение в спектральных оптических приборах. Но у них есть недостаток - спектры призм отклонены от первоначального направления светового пучка. Чтобы получить спектр в прямом направлении, делают сложные призмы из разных материалов. Наиболее простой призмой прямого видения является призма Амичи. Она набрана из трех призм: двух из стекла-крон и одной из стекла-флинт. Углы призм строго рассчитаны. Такая призма дает спектр в прямом направлении для длины световой волны 550 нм, а красную и синюю области спектра неравномерно растягивает влево и вправо от этой длины волны.

Оптическая скамья формирует на экране резкое изображение диафрагмы-щели, освещенной белым светом от дуговой лампы. Помещаем в световой пучок призму Амичи и получаем в прямом направлении яркий и широкий оптический спектр.

Опыт 3. Цветовой диск Ньютона

Оборудование: кодоскоп, цветовой диск Ньютона.

Цветовой диск Ньютона представляет собой стеклянный (как в нашем случае) диск, разбитый на секторы, которые окрашены в различные цвета (от красного до синего) спектра. Спроектируем диск на экран. Наши глаза воспринимают это многоцветие в реальном виде.

Будем вращать диск вокруг его оси. По мере увеличения скорости вращения замечаем, что границы между секторами размываются, цвета становятся смешанными и блеклыми. И при какой-то скорости вращения диска наши глаза воспринимают проходящий сквозь него свет белым, то есть перестают различать цвета.

Как это объяснить?

На глазном дне (на сетчатке) расположены рецепторы (палочки и колбочки), которые воспринимают световые сигналы. Пусть вначале глаз воспринимает, например, синий цвет. При этом рецепторы находятся в соответствующем возбужденном состоянии. Выключим синий свет. Рецепторы перейдут в основное состояние за некоторый интервал времени. Они "забудут" что они видели. Если теперь включить, например, красный свет, то рецепторы его воспримут как один цвет. Если же синий и красный свет будут чередоваться за меньший интервал времени, то рецептор будет воспринимать эти цвета одновременно, не различая по отдельности. Следовательно, вращая диск Ньютона со скоростью, при которой глаз перестает различать отдельные цвета секторов, мы "заставляем" глаз суммировать все эти цвета. Таким образом, глаз видит белый свет.

Опыт 4. Спектр излучения стекла

Оборудование: дуговая лампа белого света, диафрагма-щель, оптическая скамья, призма Амичи, стеклянная палочка.

Когда нагревают различные тела до высокой температуры, они начинают излучать видимый свет (например, лампочки накаливания, пламя костра и т.д.). Это объясняется тем, что при высокой температуре атомы и молекулы переходят в возбужденное состояние, а затем через примерно 10-8 с излучают световой квант и переходят в основное состояние. Каждый атом и каждая молекула имеет свой неповторимый спектр излучения.

Сформируем на экране сплошной спектр белого света, используя призму Амичи (опыт 2). Введем в дуговой промежуток лампы стеклянную палочку. Температура дуги несколько тысяч градусов. Стекло сильно разогреется, и молекулы солей, которые добавлены в стекло при его варке, начнут высвечивать свои спектры. Излучение молекул будет добавляться к излучению дуговой лампы, и на фоне сплошного спектра мы видим яркие линии и полосы. Это и есть спектр излучения стекла, из которого сделана палочка. Желтые полосы соответствуют солям натрия, зеленые - кальция.

Опыт 5. Спектр поглощения неодима

Оборудование: дуговая лампа белого света, диафрагма-щель, оптическая скамья, призма Амичи, стекло с солями неодима.

При прохождении света сквозь холодную оптически прозрачную среду в среде происходит избирательное (резонансное) поглощение. Поглощаются те частоты колебаний света, которые соответствуют частотам оптических колебаний атомов и молекул среды. Следовательно, из среды выйдет световой поток, в спектре которого будут отсутствовать некоторые длины волн (некоторые цвета).

Создадим на экране наблюдения сплошной спектр с использованием призмы Амичи (опыт 2). Введем в световой поток стеклянную пластинку с солями неодима. На фоне сплошного спектра появилась темная полоса в желто-зеленой области. Это и есть спектр поглощения солей неодима. Эти длины волн были поглощены молекулами солей.

Опыт 6. Первый закон внешнего фотоэффекта

Оборудование: дуговая лампа белого света, электроскоп, диск из цинка, шерстяная тряпка, стеклянная палочка, ирисовая диафрагма.

"Из металла, освещаемого белым светом, выбиваются отрицательно заряженные частицы - электроны".

Цинковый диск закреплен на стержне электроскопа. Между диском и горящей дуговой лампой помещена закрытая ирисовая диафрагма. Зарядим цинковую пластину отрицательным зарядом. Для этого используем стеклянную палочку, наэлектризованную о шерстяную тряпку. Так как на наэлектризованной палочке заряд положительный, используем метод электростатической индукции.

Цинковый диск закреплен. Об этом свидетельствует отклоненная стрелка электроскопа. Откроем ирисовую диафрагму. Замечаем, что при освещении диска светом стрелка электрометра уменьшает угол своего отклонения. Это означает, что число электронов на пластине уменьшается, т.е. имеет место явление фотоэффекта.

Опыт 7. Второй закон внешнего фотоэффекта

Оборудование: дуговая лампа белого света, электроскоп, цинковый диск, шерстяная тряпка, стеклянная палочка, ирисовая диафрагма.

"Сила фототока (количество выбитых из пластины электронов) пропорциональна интенсивности светового потока". Другими словами, чем ярче падающий свет, тем больше электронов выбивается из цинкового диска.

Цинковый диск закреплен на стержне электроскопа. Между электроскопом и горящей дуговой лампой находится закрытая ирисовая диафрагма.

Наэлектризуем при помощи стеклянной палочки цинковый диск так, чтобы на нем был отрицательный заряд.

Открываем в ирисовой диафрагме небольшое отверстие и наблюдаем медленное уменьшение угла отклонения стрелки электроскопа - фотоэффект есть, но он протекает с малым значением фототока.

Открываем ирисовую диафрагму на предельную величину отверстия. Угол отклонения стрелки электроскопа резко (быстро) падает до нуля. Большая интенсивность светового потока - большой фототок.

Опыт 8. Четвертый закон внешнего фотоэффекта

Оборудование: дуговая лампа белого света, электроскоп, цинковая пластина, шерстяная тряпка, стеклянная палочка, ирисовая диафрагма, плоская стеклянная палочка.

"Каждый металл имеет свою красную границу фотоэффекта", то есть имеется некоторое значение частоты vкр света, для частот ниже которой фотоэффект не проявляется.

Известно, что красная граница фотоэффекта для цинка лежит в области ультрафиолетовых частот. Известно, что простое (например, оконное) стекло ультрафиолетовые лучи не пропускает (поглощает). Проведем следующий опыт.

Перед горящей дуговой лампой последовательно разместим закрытую ирисовую диафрагму, стеклянную плоскую пластину и электроскоп с цинковым диском на его стержне. Наэлектризуем электроскоп отрицательным зарядом от стеклянной палочки. Фотоэффект немедленно проявляется. Вывод: красная граница фотоэффекта для цинка лежит в области ультрафиолетовых частот.

Опыт 9. Счетчик Гейгера

Оборудование: счетчик Гейгера, источник высокого напряжения, осциллограф, источник ионизирующих частиц.

Счетчик Гейгера представляет собой стеклянный баллон, внутренняя поверхность которого покрыта металлическим проводящим слоем, и тонкую нить, натянутую вдоль оси баллона. Баллон наполнен инертным газом с добавками паров спирта под небольшим, примерно 0,1 атм, давлением и запаян. Нить является анодом, металлизированная поверхность трубки - катодом для источника. Счетчик Гейгера включается в электронную R и C цепочку, напряжение с которой подается на осциллограф. На экране осциллографа наблюдается горизонтальная линия временной развертки электронного луча.

При попадании в счетчик ионизирующей частицы происходит ударная ионизация газа. Газовая среда пробивается. На резисторе R резко возрастает напряжение, которое регистрируется осциллографом в виде вертикального импульса на экране.

Приближаем источник ионизирующих частиц к счетчику и наблюдаем увеличение числа импульсов, то есть увеличение потока ионизирующих частиц. Число импульсов пропорционально числу ионизированных частиц.

Опыт 10. Камера Вильсона

Оборудование: камера Вильсона, источник высокого напряжения, этиловый спирт, резиновая груша, соединительный шланг, кодоскоп.

Камера Вильсона представляет собой цилиндр с прозрачными торцами. Внутрь цилиндра введен источник ионизированных частиц. Для удаления ионов газа, которые образуются в результате столкновений с ионизирующими частицами, стеклянные окна покрыты изнутри токопроводящей пленкой, на которую подается высокое напряжение от высоковольтного источника.

Действие камеры основано на конденсации пересыщенных паров этилового спирта на ионах, которые образуются при столкновении молекул газа с ионизирующими частицами.

Для создания пересыщенных паров спирта внутри камеры поступаем так: набираем немного спирта в грушу и ополаскиваем ее изнутри. Затем спирт сливаем, а грушу при помощи резиновой трубки соединяем с камерой Вильсона.

Камеру помещаем на кодоскоп и проецируем на экран. Несколько раз медленно сжимаем и отпускаем грушу, создавая в камере состояние пересыщенных паров спирта. Затем сильно сжимаем грушу и после некоторой задержки резко отпускаем. На экране видны треки частиц в виде туманных следов конденсированных молекул спирта.

© 2006-2009 Томский государственный университет Томский государственный университет  Институт дистанционного образования  Национальный фонд подготовки кадров