Лабораторная работа №24 Интерферометры. Определение поляризуемости молекул воздуха с помощью интерферометра Жамена



Скачать 69.55 Kb.
Дата25.07.2014
Размер69.55 Kb.
ТипЛабораторная работа
Лабораторная работа № 24
Интерферометры. Определение поляризуемости молекул воздуха с помощью интерферометра Жамена.
Цель работы: ознакомиться с оптическими схемами интерферометров Майкельсона, Фабри - Перо и Жамена. Рассчитать поляризуемость молекул воздуха.
Приборы и принадлежности: источник света, интерферометр Жамена, манометр, зрительная труба.
Литература:

  1. Ландсберг, Григорий Самуилович. Оптика [Текст] : учебное пособие / Г. С. Ландсберг, 2010. - 848 с.

  2. Савельев, Игорь Владимирович. Курс общей физики. В 5 кн. [Текст] : Учеб.пособ.для втузов. Кн. 4. Волны. Оптика / И.В. Савельев, 1998. - 256 c.

  3. Годжаев, Нифтали Мехарли оглы. Оптика [Текст] : Учеб.пособие для вузов / Н.М. Годжаев; Ред. Л.В. Тарасов, 1977. - 432 c.

  4. Сивухин, Дмитрий Васильевич. Общий курс физики. Оптика [Текст] : учеб. пособие / Д. В. Сивухин, 1980. - 751 с.

  5. Матвеев, Алексей Николаевич. Оптика [Текст] : Учеб.пособие для физ спец.вузов / А.Н. Матвеев, 1985. - 351 cил


Теоретическая часть I

Волновые свойства света наиболее отчетливо обнаруживают себя в интерференции и дифракции. Эти явления характерны для волн любой природы и сравнительно легко наблюдаются на опыте для волн на поверхности воды или звуковых волн.



Под интерференцией света понимают обычно широкий круг явлений, в которых при наложении пучков света результирующая интенсивность не равна сумме интенсивностей отдельных пучков: в одних местах она больше- «max», в других – меньше («min»), т.е. возникают чередующиеся светлые и темные участки – интерференционные полосы. Свет, испускаемый обычными, не лазерными, источниками, не бывает строго монохроматическим. Поэтому для наблюдения интерференции свет от одного источника необходимо разделить на два пучка и затем наложить друг на друга.

Существующие экспериментальные методы получения когерентных пучков из одного светового пучка можно разделить на два класса.



В методе деления волнового фронта, например, пучок пропускается через два близко расположенных отверстия в непрозрачном экране. Такой метод пригоден лишь при достаточно малых размерах источника. В методе деления амплитуды пучок делится на одной или нескольких поверхностях, частично отражающих или пропускающих свет. Этот метод может применяться и при протяженных источниках. Он обеспечивает большую интенсивность и лежит в основе действия разнообразных интерферометров. В зависимости от числа интерферирующих пучков различают двулучевые и многолучевые интерферометры. Они имеют важное научное и практическое применение.

Упражнение №1. Изучение оптических схем интерферометров.

  1. Интерферометр Майкельсона.


В данном типе интерферометров используется двулучевая интерференция (1890 – 1895г.г.). Оптическая схема имеет два плоских зеркала Z1 и Z2, которые укреплены на массивном основании строго перпендикулярно друг другу.

Одно из зеркал Z2 – может передвигаться, оставаясь параллельным первоначальному положению. При этом разность хода между лучами 1 и 2 будет соответственно , а при равенстве плеч . Чтобы создать эквивалентные условия распространения световых пучков вводится дополнительно полупрозрачная пластина Р2. Интерферометр Майкельсона сыграл важную роль при определении скорости света в зависимости от скорости перемещения источника света, что явилось основой специальной теории относительности. С его помощью установлен, в частности эталон длины – метр: 1м = 1650763,73 λKr, где λ (кг) = 605,780211нм (оранжевая линия в спектре криптона). Прибор оказался пригоден также для так называемой фурье – спектроскопии, которая в настоящее время находит применение в инфракрасном спектральном диапазоне от 20мкм до 1мм. В обычной спектроскопии неизвестный спектр источника разлагают с помощью призмы или дифракционной решетки на спектральные элементы (линии), а затем измеряют их интенсивность. В противоположность этому, в фурье – спектроскопии измеряют с помощью интерферометра Фурье – образ неизвестного спектра без разложения на спектральные линии. Сам спектр затем определяют математически с помощью обратного преобразования Фурье измеренных значений.



2. Интерферометр Фабри – Перо.
Важное значение многолучевой интерференции состоит в том, что в зоне «max» интенсивность интерференционной полосы увеличивается в n2 (n – число лучей) раз. Светлые линии становятся узкими и резкими, разделенными широкими темными («min») полосами. Рассмотрим интерференцию при мног
ократном отражении света от двух параллельных зеркальных поверхностей. На этом принципе действует интерферометр Фабри – Перо с коэффициентами отражения зеркал R=0,96 ≈ 0,95 и расстоянием «d» между ними. Линиями равных интенсивностей соответствует одно и тоже значение угла θ, поэтому в фокальной плоскости линзы интерференционные полосы имеют вид колец с центром на оси линзы. Расчеты показывают, что контрастность полос определяется только коэффициентом отражения зеркал : .
Особенностью ИФП является то, что ширина исследуемой структуры ∆λ падающего излучения не должна превышать расстояние между двумя соседними максимумами интерференционной картины, иначе произойдет наложение структур из двух соседних порядков интерференции. Поэтому необходимо обеспечить выполнение условия, связывающего ширину исследуемой структуры и допустимое расстояние между зеркалами интерферометра:

Значение ∆λ обычно называется областью свободной дисперсии ИФП. К реальному прибору прилагается комплект распорных колец со строго фиксированной толщиной «d», что позволяет настраивать интерферометр на определенный диапазон измеряемых длин спектральных линий. По предложению академика А.М.Прохорова ИФП используется в качестве резонатора высокой добротности для оптического диапазона лазеров. Этот интерферометр – прибор высокого спектрального разрешения. Он находит широкое применение в метрологии, в атомной физике, в астрономических исследованиях и т.д..


  1. Интерферометр Жамена.

Главной частью интерферометра, изобретенного в прошлом веке Ж.Жаменом, являются две одинаковые толстые плоскопараллельные пластинки Р1 и Р2 посеребренные с одной стороны. Обычно эти пластинки располагаются так, чтобы между плоскостями был небольшой угол. Ход лучей в интерферометре изображен на рисунке:

Свет от источника фокусируется конденсором через фильтр и, слегка расходящимся пучком падает на пластинку Р1.

Интерференционные явления возникают только при суперпозиции лучей 1 и 2; остальные лучи ухудшают четкость картины.

Поскольку лучи 1 и 2 параллельны между собой, их интерференцию можно наблюдать с помощью зрительной трубы.

В промежутке между пластинами Р1 и Р2 расположены 2 кюветы К1 и К2 закрытые плоскопараллельными пластинками. Юстировка прибора осуществляется с помощью бумажного экрана и регулировочных винтов прибора.

Интерференционные полосы наблюдают в зрительную трубу. С помощью груши в кюветах можно создать избыточное давление ∆Р или аналогичное разрежение, регистрируемое манометром. Если в одной кювете давление Р0 и показатель n0 =1,0003, то во второй, вследствие изменения давления показателя преломления, окажется равным nх, и разность хода в приборе изменится на величину: , где . Вся интерференционная картина при этом сместится на «m» полос (т.к. ), где «m» может быть и дробным числом.
Теоретическая часть II
В настоящей работе интерферометр Жамена применяется для исследования зависимости между давлением и показателем преломления воздуха. Как известно, показатель преломления газа связан с его плотностью простым соотношением :

(1)

где N –число молекул в единице объема, L – поляризуемость молекулы.

С другой стороны:

(2)

где k – постоянная Больцмана ().

Из (1) и (2) следует

(3)

Из (2) немедленно следует, что при постоянной температуре измерение показателя преломления n и изменение давления ∆Р связаны друг с другом простой зависимостью:



(4)

Величина n измеряется с помощью интерферометра, ∆Р – с помощью манометра, цена деления которого 1 деления ≈ 0,25мм.вод. столба. Одновременное измерение этих величин (и температуры) позволяет определить. что воздух является смесью нескольких газов; поэтому под поляризуемостью молекул воздуха нужно понимать некоторую среднюю величину, определяемую соотношением:



(5)

и - поляризуемость и концентрация молекул различных газов, входящих в состав воздуха.
Экспериментальная часть


  1. В качестве источника света в установке используется лампа накаливания, рассчитанная на напряжение . Это напряжение обеспечивает понижающий трансформатор. Красный светофильтр выделяет излучение с длинной волны λ ≈ 650нм.

  2. С помощью бумажного экрана необходимо проследить путь каждого луча до зрительной трубы и получить с помощью установочных винтов интерференционную картину из горизонтальных полос.

  3. Определить исходное положение интерференционной картины по черному указателю в окуляре.

  4. Для 5-6 значений избыточного давления ∆Р, достигаемых сжатием резиновой груши, произвести расчет преломления воздуха nx по очевидной формуле:

(6)

где m – порядок интерференции или числа полос, на которое происходит смещение интерференционной картины при каждом новом значении давления Р, отсчитываемом по показателям манометра.



  1. По графику зависимости от ∆Р при данной температуре (Т) вычислить среднюю поляризуемость α молекул воздуха.


Контрольные вопросы.


  1. Каковы оптические схемы интерферометров Майкельсона и Фабри –Перо?

  2. Какой метод получения интерференции реализуется в интерферометре Жамена?

  3. Что понимают под «поляризуемостью молекул»?

  4. Линии равной толщины или равного наклона реализуются в интерферометре Жамена?

  5. С какой целью используют интерферометры?

  6. Какой из рассмотренных выше интерферометров используется в оптических квантовых генераторах?

Похожие:

Лабораторная работа №24 Интерферометры. Определение поляризуемости молекул воздуха с помощью интерферометра Жамена iconЛабораторная работа №5 определение коэффициента внутреннего трения воздуха и длины свободного пробега молекул
Экспериментальное определение коэффициентов внутрен-него трения и диффузии воздуха, длины свободного пробе-га и эффективного диаметра...
Лабораторная работа №24 Интерферометры. Определение поляризуемости молекул воздуха с помощью интерферометра Жамена iconПрограмма вступительного экзамена в магистратуру по спец. Дисциплинам на программу 510406/18 молекулярная биофизика
Поляризуемость молекул. Анизотропия поляризуемости. Связь тензора поляризуемости с симметрией молекулы. Приведение тензора поляризуемости...
Лабораторная работа №24 Интерферометры. Определение поляризуемости молекул воздуха с помощью интерферометра Жамена iconЛабораторные работы
Определение диэлектрической проницаемости неполярного диэлектрика и поляризуемости его молекул
Лабораторная работа №24 Интерферометры. Определение поляризуемости молекул воздуха с помощью интерферометра Жамена iconЛабораторная работа №8/2 определение отношения удельных теплоемкостей воздуха
Цель данной работы является экспериментальное определение отношения удельных теплоемкостей воздуха при постоянном давлении и постоянном...
Лабораторная работа №24 Интерферометры. Определение поляризуемости молекул воздуха с помощью интерферометра Жамена iconЛабораторная работа №3 определение подвижности носителей тока с помощью фотовольтаического эффекта
Целью работы является определение подвижности носи-телей тока в полупроводнике с помощью фотовольтаичес-кого эффекта
Лабораторная работа №24 Интерферометры. Определение поляризуемости молекул воздуха с помощью интерферометра Жамена iconЛабораторная работа №41 Определение показателя преломления жидкостей с помощью рефрактометра
Цель работы: определение показателя преломления жидкостей методом полного внутреннего отражения с помощью рефрактометра ирф-454Б;...
Лабораторная работа №24 Интерферометры. Определение поляризуемости молекул воздуха с помощью интерферометра Жамена iconЛабораторная работа 08 определение момента инерции тела с помощью маятника максвелла москва 2005 г
Цель работы: Экспериментальное определение момента инерции тела с помощью маятника Максвелла
Лабораторная работа №24 Интерферометры. Определение поляризуемости молекул воздуха с помощью интерферометра Жамена iconЛабораторная работа №29 определение отношения удельных теплоемкостей воздуха методом адиабатического расширения
Удельной теплоемкостью называется количество тепловой энергии, необходимое для нагревания единицы массы вещества на 1К
Лабораторная работа №24 Интерферометры. Определение поляризуемости молекул воздуха с помощью интерферометра Жамена iconЛабораторная работа 08 Изучение дифракции рентгеновских лучей на кристаллах Москва 2005 г. 1 лабораторная работа 08
Цель работы: определение расстояний между атомными плоскостями в кристалле по имеющейся рентгенограмме
Лабораторная работа №24 Интерферометры. Определение поляризуемости молекул воздуха с помощью интерферометра Жамена icon«Обычные» squid и интерферометры на волнах материи… А. И. Головашкин, Л. Н. Жерихина, Г. Н. Измайлов
Рассматривается альтернативный режим функционирования интерферометра как единой макроквантовой системы. Демонстрируется возможность...
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org