Что называется интегральной чувствительностью фотоэлемента спектральной чувствительностью
Фотосопротивления, в отличие от газонаполненных фотоэлементов, не имеют тока насыщения. Для них величина фототока пропорциональна приложенному напряжению. Так как электроны, освобожденные светом. Находятся в свободном состоянии, то они обладают инерционностью.
Основные свойства фотосопротивления – световая и спектральная характеристики, а также его удельная интегральная чувствительность.
Под световой характеристикой фотосопротивления понимают зависимость величины его сопротивления от величины падающего светового потока, т.е. 
. Спектральной характеристикой фотосопротивления называют зависимость его сопротивления от длины волны (частоты) падающего света 
. Аналогичными характеристиками обладает и полупроводниковый фотоэлемент. Удельной интегральной чувствительностью 
фотосопротивления называется физическая величина, численно равная отношению величины фототока 
, даваемого сопротивлением, к величине падающего на него светового потока 
при напряжении 
, приложенного к сопротивлению, равному единице.
(1)
где – сила фототока в цепи, – величина светового потока, – приложенное в цепи напряжение.
, (2)
для получим
(3)
где 
– расстояние от источника света до фотоэлемента, 
– сила света источника, 
– рабочая площадь светочувствительного слоя фотоэлемента.
Основной характеристикой полупроводникового фотоэлемента, наряду с вышеперечисленными, является также его интегральная чувствительность.
Под интегральной чувствительностью полупроводникового фотоэлемента понимают отношение силы фототока к величине падающего светового потока, т.е.
(4)
где 
– фототок, вызванный данным элементом, 
– темновой ток, т.е. ток, показываемый микроамперметром при включенном источнике света.
Учитывая формулу (2) для 
имеем:
(5)
где – расстояние от источника света до фотоэлемента;
– площадь светочувствительного слоя фотоэлемента;
– сила света источника.
В работе исследуются основные свойства и характеристики фотосопротивления типа ФСК-1 и ФСК-2, а также полупроводникового фотоэлемента. Установка для проведения исследований состоит из оптического рельса, на котором размещены осветитель типа ОИ-24 с ирисовой диафрагмой и исследуемые фотоэлементы. Величина фотосопротивления измеряется с помощью вольтметра типа ВК7-10А. Внешний вид передней стенки прибора показан на рисунке 3.
Вольтметр ВК7-10А – электронно-цифровой прибор, служащий для измерения постоянного и переменного напряжения и сопротивления. Прибор имеет переключатель 1 пределов измеряемых величин: напряжение на постоянном и переменном токах – 10, 100, 1000В и сопротивлений 1кОм, 10, 100кОм и 1Мом; переключатель вида напряжений и измеряемых величин 2, сетевой выключатель 3, переключатель режимов работы 4. Измеряемые величины подключаются специальным разъемом к гнезду 5. Гнезда 6 служат для калибровки прибора на соответствующих пределах измерения. Отчет измеряемой величины производится с помощью электронного табло 7. При этом слева от табло высвечивается вид измеряемого напряжения, справа – вид измеряемой величины напряжения, сопротивления.
Сила фототока полупроводникового фотоэлемента измеряется с помощью микроамперметра стрелочного типа с пределом измерения 220мкА.
Фотосопротивление ФСК состоит из стеклянной пластинки, на которую нанесен слой полупроводника. На два противоположные края этого слоя наложены электроды, с помощью которых фотосопротивление включается в электрическую цепь. Для защиты от повреждений фотосопротивление помещают в чехол из пластмассы. Если фотосопротивление не освещено, то величина его сопротивления очень велика (темновое сопротивление).
Полупроводниковый фотоэлемент состоит из контакта двух разнородных полупроводников 
и 
-типа, нанесенных на стеклянную подложку. В месте контакта образуется тонкий запорный слой. При освещении места контакта начинается перемещение электронов из полупроводника -типа в полупроводник -типа. Дырки же не могут преодолеть контактную разность потенциалов и остаются в -полупроводнике. В результате возникает фото-э.д.с. Присоединение к потребителю полупроводникового фотоэлемента осуществляется с помощь. Электродов, наложенных на и -слои. Для защиты же повреждений все устройство помещено в пластмассовый корпус.
Спектральный состав излучения изменяется с помощью светофильтров.
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Интегральная чувствительность фотоэлемента
Лабораторная работа № 12.
Изучение явления фотоэффекта.
I. Цель работы.
Изучение законов фотоэффекта. Определение интегральной чувствительности фотоэлементов, проверка закона Столетова.
III. Вопросы ответы на которые необходимо знать для получения допуска к работе:
1. Внешний фотоэффект. Законы фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна. Устройство фотоэлемента, использующего внешний фотоэффект.
2. Внутренний фотоэффект: фотопроводимость и фотогальванический эффект.
3. Чувствительность фотоэлемента. Возможность экспериментального определения интегральной чувствительности.
4. Основные фотометрические величины и единицы их измерения.
Введение в теорию.
Квантовая природа света отчетливее всего проявляется в явлении фотоэффекта.
Внешний фотоэффект наблюдается в металлах. При освещении металла фотоны поглощаются электронами проводимости, при этом увеличивается энергия электронов. Если энергия отдельного электрона превышает работу выхода из металла, то электрон покидает металл. Энергетический баланс этого взаимодействия устанавливается уравнением Эйнштейна:
Даже при монохроматическом освещении энергия электронов, вылетающих из фотокатода, оказывается неодинаковой. Электроны в веществе обладают разными энергиями, располагаясь по уровням разрешенных зон. Под работой выхода А понимают энергию, необходимую для удаления электрона с самых верхних заполненных уровней. Энергия, которую надо затратить, чтобы удалить электрон с нижерасположенных уровней, превосходит А, и кинетическая энергия таких электронов оказывается меньше. Кроме того, электроны могут терять часть своей энергии на пути к поверхности фотокатода. Уравнение Эйнштейна определяет поэтому кинетическую энергию не всех, а только наиболее быстрых электронов.
Опытным путем были установленыследующие законы фотоэффекта.
1. Число фотоэлектронов, вырываемых с поверхности металла за единицу времени, пропорционально световому потоку, падающему на металл, при неизменном спектральном составе.
2. Максимальная начальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно зависит от частоты падающего света и не зависит от его интенсивности.
 |
Установка для изучения фотоэффекта представляет собой вакуумный фотоэлемент, на электроды которого подается напряжение, меняющееся с помощью потенциометра (рис. 2).
Снимая вольт-амперную характеристику, т.е. зависимость фототока от напряжения на аноде при постоянном световом потоке, получают кривые Столетова (рис.3).
 |
Рис. 3
Как видно из графика, при увеличении анодного напряжения сила тока i вначале увеличивается, так как при этом все большее число вылетевших из катода электронов достигает анода. При некотором напряжении на аноде все фотоэлектроны попадают на анод, и при дальнейшем увеличении напряжения сила тока не изменяется. Величина этого тока служит мерой фотоэффекта и называется током насыщения. Установленный на опыте закон пропорциональности тока насыщения световому потоку
носит название закона Столетова. Величина g=iнас/Ф является чувствительностью фотоэлемента.
Различают интегральную и спектральную чувствительность фотоэлемента.
Интегральная чувствительность характеризует способность фотоэлемента реагировать на воздействие светового потока сложного излучения.
Спектральная чувствительность определяет силу фототока при воздействии монохроматического светового потока.
Чувствительность вакуумных фотоэлементов достигает 100 мкА/лм.
Внешний фотоэффект находит также применение в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ), которые используются для измерения световых потоков малой интенсивности и в электронно-оптических преобразователях (ЭОП), с помощью которых можно усилить яркость рентгеновского изображения или преобразовать инфракрасное излучение в видимое.
 |
Пользуясь уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта можно экспериментально определить важнейшую квантовую постоянную Планка h. Для этого в большинстве случаев используют метод задерживающего потенциала, суть которого состоит в следующем: к электродам вакуумного фотоэлемента подводится обратное (запирающее) напряжение, как это показано на рис. 4.
Рис. 4
При напряжении UЗ=0, электроны, покинувшие катод фотоэлемента под действием фотонов монохроматического света с частотой n, достигают анода, образуя электрический ток, называемый фототоком. Величина фототока регистрируется измерительным прибором. При увеличении задерживающего потенциала часть электронов, энергия которых невелика, не достигает анода, ток фотоэлемента уменьшается. При некоторой величине задерживающего потенциала даже самые быстрые электроны не будут достигать анода и ток в цепи будет равен нулю.
В этой точке
и, следовательно, hn=eUЗ+A, или UЗ=(hn-A)/e, т.е. величина задерживающего потенциала UЗ зависит линейно от частоты света n.
 |
В качестве источника света в установке используется лампа накаливания 1 (рис. 8), которая может перемещаться в непрозрачном пенале 2, имеющем гнездо для фотоэлемента 3 и выключатель лампы 4. Расстояние между нитью накала лампы и фотоэлементом R измеряется линейкой 5.
Рис. 8
1. 
Не включая лампу, измерить люксметром фоновую освещенность Eф, поместив датчик люксметра в гнездо для фотоэлемента.
2. Включить лампу и измерить люксметром освещенность E в гнезде фотоэлемента при четырех расстояниях R от источника света (20, 30, 40, 50 см).
3. Определить силу света источника для каждого случая по формуле
Результаты измерений и вычислений занести в таблицу:
| R(м) | Еф(лк) | Еф(лк) | I(кд) | Ф(лм) |
| 0,2 | ||||
| 0,3 | ||||
| 0,4 | ||||
| 0,5 |
4.
 |
Собрать электрическую схему (рис. 10), вставив в гнездо вакуумный фотоэлемент.
Рис. 10
Источником постоянного тока служит блок питания Б-5-47. Сила фототока измеряется микроамперметром.
ВНИМАНИЕ! Микроамперметр является очень чувствительным прибором, поэтому во избежание поломки прибора его не следует сдвигать с места.
Цена деления прибора указана на его панели.
Разность потенциалов между анодом и катодом фотоэлемента устанавливается переключением напряжения на блоке питания Б-5-47.
5. Снять 4 вольтамперные характеристики фотоэлемента, установив источник света на четырех различных расстояниях R от него (20, 30, 40, 50 см). Для снятия каждой характеристики необходимо, увеличивая напряжение на блоке питания от 0 с шагом в 1 вольт, измерять соответствующую напряжению величину фототока i. Измерения необходимо проводить до получения фототока насыщения, который нужно зафиксировать как минимум тремя точками. Результаты измерений занести в таблицу.
| U(В) | R = 20см | R = 30см | R == 40см | R = 50см |
| i(мкА) | i(мкА) | i(мкА) | i(мкА) | |
| . |
Построить графики зависимости i=f(U) для каждого расстояния R от источника света до фотоэлемента.
6. Построить график зависимости силы тока насыщения iнас от величины светового потока Ф: iнас=f(Ф). Найти из графика g.
8. Вычислить погрешность Dg измерения чувствительности фотоэлемента g.
Задание 2. Определение интегральной чувствительности вентильного фотоэлемента.
1. Заменить в установке вакуумный фотоэлемент на вентильный.
2. Собрать схему (рис. 11).
 |
Рис. 11
3. Измерить величину фототока i при различных расстояниях R источника света от фотоэлемента (от 5 до 40 см через 5 см).
4. Результаты измерений занести в таблицу.
6. Построить график зависимости i=f(1/R 2 )
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ФОТОЭЛЕМЕНТА
Приборы и принадлежности: фотоэлемент, лампа накаливания, оптическая скамья, микроамперметр, люксметр.
Цель работы: изучение принципа действия вентильного фотоэлемента и измерение его интегральной чувствительности.
Внешний фотоэффект можно наблюдать в металлах. При освещении металла фотон поглощается электроном проводимости, при этом увеличивается кинетическая энергия электрона. Если энергия превышает работу выхода электрона, то электрон выходит из металла. Этот процесс описывается уравнением Эйнштейна:
,
где hn – энергия фотона; А – работа выхода электрона; 
– кинетическая энергия вылетевшего электрона.
Это уравнение получено в предположении, что электроны в металле движутся независимо друг от друга, и поэтому изменение энергии одного электрона при поглощении фотона не приводит к изменению энергии других электронов, т.е. фотон взаимодействует с одним электроном.
Опытным путем были установлены три закона фотоэффекта:
1. Число фотоэлектронов, вырываемых с поверхности металла за единицу времени, пропорционально световому потоку, падающему на металл, при неизменном спектральном составе.
2. Максимальная начальная кинетическая энергия фотоэлектронов определяется частотой падающего света и не зависит от его интенсивности.
3. Для каждого металла существует красная граница фотоэффекта, т.е. максимальная длина волны l0, при которой еще возможен фотоэффект.
Ее величина зависит от химической природы металла и состояния его поверхности и определяется из уравнения Эйнштейна.
Электрон сможет выйти за пределы металла, если сообщенная ему энергия не меньше работы выхода, т.е. hn ³ А. Так как 
, то 
.
Внешний фотоэффект используется в вакуумных фотоэлементах (рис.1а). Внутренняя поверхность баллона покрыта тонким слоем металла. Этот слой занимает примерно 50% всей внутренней поверхности баллона и является фотокатодом. Против него оставляют прозрачное окно, через которое на катод попадает свет. Анод имеет форму рамки и расположен так, чтобы не препятствовать попаданию света на катод. Схема включения фотоэлемента изображена на рис.1б.
 |
При освещении фотоэлемента начинается эмиссия электронов с катода и в цепи возникает ток, получивший название фототока.
На рис.2 показана вольтамперная характеристика вакуумного фотоэлемента. Как видно из графика, сначала фототок линейно увеличивается при увеличении анодного напряжения, так как при этом все большее число вылетевших с катода электронов достигает анода. При некотором напряжении на аноде все фотоэлектроны попадают на анод, и при дальнейшем увеличении напряжения сила тока не изменяется. Этот ток называется током насыщения. Сила тока насыщения линейно зависит от светового потока.
Основным параметром фотоэлемента является его чувствительность
,
где i – сила фототока насыщения; Ф – световой поток, вызвавший этот ток.
Различают интегральную и спектральную чувствительности фотоэлемента. Интегральная чувствительность характеризует способность фотоэлемента реагировать на воздействие светового потока сложного излучения. Спектральная чувствительность определяет силу фототока при воздействии монохроматического светового потока. Чувствительность вакуумных фотоэлементов достигает 100 мкА/лм.
При увеличении силы фототока иногда баллон фотоэлемента заполняют инертным газом при давлении 1–10 Па. Такие фотоэлементы называются газонаполненными. При большом анодном напряжении в этих фотоэлементах происходит ударная ионизация атомов газа эмиттировавшими с катода электронами. В результате этого в создании тока участвуют не только фотоэлектроны, но и электроны и ионы, полученные при ионизации газа. Чувствительность газонаполненных фотоэлементов достигает 150–200 мкА/лм.
Внешний фотоэффект находит применение в фотоэлектронных фотоумножителях (ФЭУ) и электронно-оптических преобразователях (ЭОП). ФЭУ применяют для измерения световых потоков малой интенсивности. С их помощью можно определить слабую биолюминесценцию. ЭОП применяют в медицине для усиления яркости рентгеновского изображения, в термографии – для преобразования инфракрасного излучения организма в видимое.
Внутренний фотоэффект наблюдается в полупроводниках. Энергия фотонов передается электронам полупроводников. Если эта энергия hn больше ширины DW запрещенной зоны, то электрон переходит в чистом полупроводнике из валентной зоны в зону проводимости. В примесных полупроводниках поглощение фотона ведет к переходу электрона с донорных уровней в зону проводимости или из валентной зоны на акцепторные уровни. Таким образом, при освещении полупроводников увеличивается их проводимость. На этом явлении основано действие фоторезисторов.
Фоторезисторы изготавливают на основе сульфида кадмия, сернистого свинца и др. Светочувствительные элементы помещают в пластмассовый или металлический корпус. Фоторезисторы имеют значительно большую чувствительность, чем фотоэлементы с внешним фотоэффектом. Значение чувствительности их может достигать величины порядка 1 А/лм. Однако с повышением чувствительности возрастает инерционность фоторезистора, что ограничивает возможности их использования при работе с переменными световыми потоками высокой частоты. Фоторезисторы применяются в фоторелейных устройствах, а также в фотометрической аппаратуре для измерения световых характеристик.
Особый практический интерес представляет вентильный фотоэффект (фотогальванический фотоэффект), возникающий при освещении контакта полупроводников с р- и n-проводимостью. Сущность этого явления заключается в следующем: при контакте полупроводников р- и n-типа создается контактная разность потенциалов, которая препятствует дальнейшему переходу основных носителей через контакт: дырок – в n-область и электронов – в р-область (см. работу № 12). При освещении р-n-перехода и прилегающих к нему областей в полупроводниках наблюдается внутренний фотоэффект, т.е. образуется электронно-дырочные пары. Под действием электрического поля р-n-перехода образовавшиеся заряды разделяются: неосновные носители проникают через переход, а основные задерживаются в своей области, в результате чего накапливаются заряды и на р-n-переходе создается добавочная разность потенциалов (фотоэлектродвижущая сила).
Фотоэлектродвижущая сила, возникающая при освещении контакта монохроматическим потоком света, пропорциональна его интенсивности, так как она определяется числом образующихся электронно-дырочных пар, т.е. количеством фотонов.
Преимущество вентильного фотоэлемента заключается в том, что для его работы не требуется источник питания, так как в них самих под действием света генерируется электродвижущая сила. Если замкнуть цепь, содержащую фотоэлемент, то в ней возникнет ток.
Интегральная чувствительность вентильных фотоэлементов значительно превышает чувствительность вакуумных фотоэлементов. Она может достигать несколько тысяч микроампер на люмен. Вентильные фотоэлементы изготавливают на основе селена, германия, кремния, сернистого серебра и др. Кремниевые и некоторые другие типы фотоэлементов используются для солнечных батарей, применяемых на космических кораблях для питания бортовой аппаратуры. Вентильные фотоэлементы применяются также в фотометрии для измерения светового потока и освещенности, что используется в санитарно-гигиенической практике.
Освещенность складывается из освещенности Е0, создаваемой источником света, и фоновой освещенности ЕФ:
Интегральная чувствительность фотоэлемента находится по формуле
. (1)
Из закона фотометрии известно, что
где S – площадь освещаемой поверхности.
Освещенность, создаваемая точечным источником света, равна
, (3)
где I – сила света источника; R – расстояние от источника света до фотоэлемента. Подставив (2) и (3) в формулу (1), получим формулу для определения интегральной чувствительности фотоэлемента:
. (4)
Описание установки
 |
Селеновый фотоэлемент (рис.3) представляет собой слой 2 селена, нанесенный на полированную железную пластинку 1. При прогревании селен переводится в кристаллическую модификацию, обладающую дырочной проводимостью. Сверху напыляется тонкая пленка 3 серебра. В результате диффузии атомов серебра внутрь селена образуется слой селена с примесью, обладающей электронной проводимостью. Таким образом создается контакт между чистым селеном и селеном с примесью, т.е. возникает р-n-переход. При освещении фотоэлемента свет легко проходит через тонкую пленку серебра. Фотоны поглощаются электронами, и возникает фотоэлектродвижущая сила. Если соединить проводником железную пластинку с пленкой серебра, то гальванометр 4, включенный в цепь, покажет силу тока, текущего от железа к верхнему электроду.
Для определения чувствительности фотоэлемента собирают установку, изображенную на рис.4. На оптической скамье 3 установлены источник света 1 и фотоэлемент 2. В качестве источника света используют лампу накаливания с прямолинейной нитью накала. Фотоэлемент в футляре устанавливается на держателе, который может перемещаться вдоль оптической скамьи. На оптической скамье укреплена линейка для измерения расстояния между лампой и фотоэлементом. Сила тока, возникающая в фотоэлементе, определяется по микроамперметру 4. Освещенность Е на различных расстояниях от источника света определяется люксметром.
Порядок выполнения работы
1. Определение интегральной чувствительности фотоэлемента (селенового):
а) не включая лампу, измерьте люксметром фоновую освещенность ЕФ, располагая датчик люксметра параллельно поверхности фотоэлемента в непосредственной близости от нее;
б) расположите лампу на скамье так, чтобы нить накала была перпендикулярна поверхности фотоэлемента (при этом источник света можно приближенно считать точечным);
в) включите лампу и измерьте люксметром освещенность Е на трех разных расстояниях R от источника света;
д) результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 1;
е) откройте крышку футляра фотоэлемента;
ж) измерьте силу фототока i, изменяя расстояние R между фотоэлементом и лампой от 0,1 до 1,0 м через каждые 0,1 м;
з) вычислите интегральную чувствительность k фотоэлемента для каждого случая по формуле (4) и найдите 
среднее;
и) результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 2;
к) постройте график зависимости 
;
л) вычислите погрешность Dk определения чувствительности фотоэлемента с доверительной вероятностью a = 0,95.
Таблица 1 Таблица 2
| R, м | Е, лк | I, кд |  , кд | R, м | i, мкА | k, мкА/лм | , мкА/лм |
2. Исследование зависимости силы фототока от положения нити лампы накаливания:
а) установите лампу на расстоянии 0,5 м от фотоэлемента. Измерьте силу фототока, поворачивая лампу относительно вертикальной оси на углы a от 0 о до 180 о через каждые 20 о ;
б) результаты измерений занесите в таблицу 3;
Таблица 3
в) постройте в полярной системе координат график зависимости силы фототока от угла поворота нити лампы i = f(a).
Контрольные вопросы
1. В чем заключается явление внутреннего и внешнего фотоэффекта?
2. Сформулируйте законы фотоэффекта.
3. Запишите уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.
4. Опишите устройство и принцип действия вакуумного фотоэлемента.
5. Опишите устройство и принцип действия селенового фотоэлемента.
6. Что называется интегральной чувствительностью фотоэлемента?
7. Как определяется интегральная чувствительность фотоэлемента в данной работе?
Литература
1. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. – М.: Высшая школа, 1999. – §§27.8; 27.9.
2. Ливенцев Н.М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1974. – §§147; 148; 149.
3. Лаврова И.В. Курс физики. – М.: Просвещение, 1981. – §§35; 90.
4. Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1997. – §§202; 203; 204.
Лабораторная работа № 19
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ САХАРА В РАСТВОРЕ ПОЛЯРИМЕТРОМ
Приборы и принадлежности: поляриметр, кюветы с растворами сахара.
Цель работы: изучение принципа работы поляриметра, определение удельного вращения растворов сахара, определение концентрации сахара в растворе.
Свет – это электромагнитные волны. Химическое и биологическое действие света в основном связано с электрической составляющей поля электромагнитной волны. Поэтому вектор напряженности 
электрического поля называется световым.
Естественный свет представляет собой совокупность волн, излучаемых множеством атомов и молекул источника света. Колебания световых векторов происходит во всевозможных направлениях, и поэтому плоскости их колебаний постоянно изменяют свое положение в пространстве.
Если же направления колебаний светового вектора упорядочены каким-либо образом, то свет называется поляризованным. При некоторых условиях можно получить свет, в котором плоскость колебаний вектора занимает постоянное положение в пространстве. Такой свет называется плоскополяризованным. Плоскость, в которой происходят колебания вектора , называется плоскостью поляризации.
Глаз не отличает естественный свет от поляризованного, но имеется целый ряд явлений, свойственных только поляризованному свету, благодаря которому он и обнаруживается. Поляризованный свет можно получить из естественного с помощью поляризатора (призма Николя, поляроид и др.). Он пропускает колебания, параллельные только одной (главной) плоскости, и полностью задерживает колебания, перпендикулярные этой плоскости.
Чтобы исследовать, является ли свет после прохождения поляризатора действительно плоскополяризованным, на пути лучей ставят второй поляризатор, который называют анализатором, указывая этим, что он используется не для получения, а для анализа поляризованного света.
Пусть колебания вектора поляризованной световой волны совершаются в плоскости, составляющей угол j с главной плоскостью анализатора. Амплитуду Е этих колебаний можно разложить на две взаимно перпендикулярные составляющие: Е1 – совпадающую с главной плоскостью анализатора и Е2 – перпендикулярную ей (рис.1):
, 
. (1)
Первая составляющая колебаний проходит через анализатор, вторая будет задержана им. Интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды; следовательно, интенсивность света, прошедшего через анализатор, пропорциональна 
(закон Малюса):
, (2)
где I0 – интенсивность поляризованного света, падающего на анализатор; j – угол между плоскостью поляризации падающего света и плоскостью анализатора.
Если плоскость анализатора и поляризатора параллельны, j = 0, p, т.е. cos j = ±1, то экран, помещенный за анализатором, будет максимально освещен. Если 
, т.е. cos j = 0 (поляризатор и анализатор скрещены), то экран будет темным. При прохождении поляризованного света через некоторые вещества наблюдается вращение плоскости поляризации. Такие вещества называются оптически активными. К их числу относят кристаллические тела (кварц, киноварь и дp.), чистые жидкости (скипидар, никотин и др.) и растворы некоторых веществ (водные растворы сахара, винной кислоты и дp.).
В растворах угол a поворота плоскости поляризации пропорционален пути l луча в растворе и концентрации С раствора:
, (3)
где [a0] – удельное вращение. Оно обратно пропорционально квадрату длины волны, зависит от природы вещества и температуры и численно равно увеличенному в 100 раз углу поворота плоскости поляризации слоем раствора толщиной 10 см при концентрации вещества 1 г на 100 см 3 раствора, температуре 20 о С и длине волны света l = 589 нм.
Удельное вращение сахара равно
66,5 (град.×см 3 )/(г×дм) = 0,665 (град.×м 2 )/(кг).
При пропускании поляризованного света через раствор оптически активного вещества плоскости поляризации волн различной длины будут поворачиваться на разные углы. В зависимости от положения анализатора через него проходят лучи различной окраски. Это называется вращательной дисперсией.
Если между поляризатором и анализатором, плоскости поляризации которых взаимно перпендикулярны, поместить кювету с раствором оптически активного вещества, то поле зрения просветляется. Чтобы снова получить полностью затемненное поле зрения, необходимо анализатор повернуть на угол a поворота плоскости поляризации света при прохождении через кювету с раствором. Зная удельное вращение данного вещества и длину кюветы, можно определить концентрацию раствора:
, (4)
Метод, применяемый при качественном и количественном анализе различных веществ с помощью поляриметра, называется поляриметрией. Он широко используется в биологии и медицине (например, для определения оптической активности сывороточных белков с целью диагностики рака), в клинической практике (например, для количественного определения содержания сахара в моче). Поляриметр, применяемый для этой цели, называется сахариметром.
Описание установки
В работе используется поляриметр, внешний вид которого изображен на рис.2. Оптическая схема прибора приведена на рис.3.
Источником света в поляриметре является лампа накаливания Л. Свет от лампы падает на фильтр Ф и объектив О. Полученный монохроматический свет проходит через поляризатор П, кювету Т с раствором и анализатор А. В качестве поляризатора и анализатора в приборе используются поляроиды. После анализатора свет проходит через объектив Об и окуляр Ок зрительной трубы поляриметра, которая служит для визуального наблюдения поля зрения.
Вследствие адаптации глаза визуально трудно оценивать абсолютную освещенность. В то же время легко сравнивать освещенность различных частей поля зрения. Для разделения поля зрения на части в поляриметре непосредственно за поляризатором расположена тонкая кварцевая пластинка К, через которую проходит средняя часть пучка поляризованного света, вышедшего из поляризатора.
В результате введения кварцевой пластинки поле зрения поляриметра оказывается разделенным на три части. При работе с поляриметром следует уравнивать части поля зрения при меньшей яркости.
 |
Если установить анализатор на равную освещенность всех частей поля зрения, а затем поместить между поляризатором и анализатором трубку с раствором сахара, то равенство яркостей средней и крайней частей поля зрения нарушится. Это происходит вследствие того, что во всех частях поля зрения плоскость колебания светового вектора повернется на один и тот же угол a. Для восстановления равенства освещенностей необходимо повернуть анализатор на этот же угол a, равный углу поворота плоскости поляризации света при прохождении им раствора сахара.
 |
Порядок выполнения работы
1. Определение удельного вращения сахара:
а) включите осветитель 1 поляриметра в сеть (см. рис.2);
б) перемещая муфту окуляра зрительной трубы 2, установите окуляр на ясное видение разделяющих линий тройного поля зрения;
в) вращая фрикцион 3, добейтесь равномерного затемнения трех частей поля зрения. При этом шторка 4 на соединительной трубке прибора должна быть закрыта;
г) снимите отсчет n0 по левому нониусу прибора. Измерение повторите три раза и найдите 
среднее;
д) поместите трубку с раствором сахара известной концентрации С в поляриметр;
е) вращая фрикцион, снова добейтесь равномерного затемнения трех частей поля зрения. Снимите отсчет n;
ж) измерение повторите три раза и найдите 
среднее;
з) определите угол вращения плоскости поляризации:
;
и) определите удельное вращение раствора сахара:
;
к) результаты измерений и вычислений занесите в таблицу:
| Вещество | n0 | С, % | n / | n // | n /// |  | a, град. | [a0], град.×м 2 /кг |
| Сахар |
2. Определение концентрации раствора сахара:
а) поместить в поляриметр трубку с раствором сахара неизвестной концентрации и, повторив операции пунктов е – з задания 1, определите угол вращения плоскости поляризации для этого раствора;
б) вычислите концентрацию Сх неизвестного раствора сахара:
;
в) данные измерений и вычислений занесите в таблицу:
| n / | n // | n /// | n | a, град. | [a0], град.×м 2 /кг | Cx, % |
Контрольные вопросы
1. Что такое естественный и поляризованный свет?
2. Укажите способы получения поляризованного света.
3. Изобразите ход лучей в призме николя.
4. Сформулируйте закон Малюса.
5. Какие вещества называются оптически активными?
6. Изобразите оптическую схему поляриметра. Объясните назначение основных элементов поляриметра и принцип его действия.
7. С какой целью применяются поляриметры в биологии и медицине, химии?
Литература
1. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. – М.: Высшая школа, 1999. – §§25.1–25.5.
2. Ливенцев Н.М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1978. – §§129–132.
3. Лаврова И.В. Курс физики. – М.: Просвещение, 1981. – §§75–78.
4. Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1997. – §§190–196.
Лабораторная работа № 20
ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА
Цель работы: изучение принципа действия газового лазера, определение длины волны излучения лазера с помощью дифракционной решетки, измерение размеров эритроцитов.
Приборы и принадлежности: газовый лазер, дифракционная решетка, линейка, оптическая скамья, экран, гистологический препарат эритроцитов крови кролика.
Для источников света, традиционных в оптической области спектра, характерна некогерентность излучения, а именно излучение источника в целом слагается из некогерентных между собой потоков, испускаемых микроскопическими элементами источника: атомами, молекулами, ионами, свободными электронами. Примерами некогерентного излучения могут служить свечение газового разряда, тепловое излучение искусственных и естественных источников и т.д.
В начале 60-х годов были созданы источники света совсем иного типа.
 |
Атомы могут находиться лишь в квантовых состояниях с дискретными значениями энергии Е1, Е2, Е3 … Ради простоты рассмотрим только два из этих состояний (1 и 2) с энергиями Е1 и Е2. Если атом находится в основном состоянии 1, то при поглощении внешнего излучения может осуществиться вынужденный переход в возбужденное состояние 2 (рис.1а). Находясь в возбужденном состоянии 2, атом может через некоторый промежуток времени спонтанно, без каких-либо внешних воздействий, перейти в состояние с низшей энергией (в нашем случае в основное), отдавая избыточную энергию в виде электромагнитного излучения, испуская фотон с энергией hn = E2 – E1. Процесс испускания фотона возбужденным атомом без каких-либо внешних воздействий называется спонтанным (или самопроизвольным) излучением (рис.1б). Чем больше вероятность спонтанных переходов, тем меньше среднее время жизни атома в возбужденном состоянии. Так как спонтанные переходы взаимно не связаны, то спонтанное излучение некогерентно.
В 1916 г. А. Эйнштейн постулировал, что помимо поглощения и спонтанного излучения должен существовать третий, качественно иной тип взаимодействия. Если на атом, находящийся в возбужденном состоянии 2, действует внешнее излучение с частотой, удовлетворяющей условию hn = E2 – E1, возникает вынужденный (индуцированный) переход в основное состояние 1 с излучением фотона той же энергии hn = E2 – E1 (рис.1в). При подобном переходе происходит излучение атомом фотона дополнительно к тому фотону, под действием которого произошел переход. Возникающее в результате таких переходов излучение называется вынужденным (индуцированным) излучением. Вынужденное излучение (вторичные фотоны) тождественно вынужденному излучению (первичным фотонам); оно имеет такие же частоту, фазу, поляризацию и направление распространения, как и вынуждающее излучение. Следовательно, вынужденное излучение строго когерентно с вынуждающим излучением, т.е. испущенный фотон не отличим от фотона, падающего на атом. Испущенные фотоны, двигаясь в одном направлении и встречая другие возбужденные атомы, стимулируют дальнейшие индуцированные переходы, и число фотонов растет лавинообразно. Однако наряду с вынужденным излучением возможен и конкурирующий процесс – поглощение. Поэтому для усиления падающего излучения необходимо, чтобы число актов вынужденного излучения фотонов, которое пропорционально заселенности возбужденных состояний, превышало число актов поглощения фотонов, пропорциональное заселенности основных состояний. В системе атомов, находящихся в термодинамическом равновесии, поглощение падающего излучения будет преобладать над вынужденным, т.е. падающее излучение при прохождении через вещество будет ослабляться.
Чтобы среда усиливала падающее на нее излучение, необходимо создать неравновесное состояние системы, при котором число атомов в возбужденных состояниях было бы больше, чем их число в основном состоянии. Такое состояние называется состоянием с инверсией населенностей. Процесс создания неравновесного состояния вещества (перевод системы в состояние с инверсией населенностей) называется накачкой. Накачку можно осуществить оптическим, электрическим и другими способами.
Понятие отрицательной термодинамической температуры характеризует термодинамическую неравновесность такого состояния вещества, при котором большая часть атомов находится в возбужденном состоянии.
Советский физик В.А. Фабрикант впервые рассмотрел возможности получения сред с отрицательной температурой и, изучая распространение света в таких средах, сформулировал принцип молекулярного усиления. Из этого принципа следует, что интенсивность света возрастает по мере его распространения в среде с отрицательной температурой.
Принцип молекулярного усиления был положен советскими учеными Н.Г. Басовым и A.M. Прохоровым и американским физиком Ч. Таунсом в основу устройства первых квантовых генераторов электромагнитных волн. Генераторы, дающие излучение в оптическом диапазоне длин волн, получили название ЛАЗЕРов.
Рассмотрим устройство и принцип действия газового гелий-неонового лазера. Основным его элементом является разрядная трубка, заполненная смесью газов – гелия и неона. Парциальное давление гелия 1мм рт. ст., неона – 0,1 мм рт. ст. Атомы неона являются излучающими (рабочими), атомы гелия – вспомогательными, необходимыми для создания инверсии населенностей атомов неона.
На рис.2 изображены энергетические уровни атомов неона и гелия. При электрическом разряде в трубке возбуждаются атомы гелия и переходят в состояние 2. Первый возбужденный уровень гелия (2) совпадает с энергетическим уровнем 3 атомов неона. Поэтому, соударяясь с атомами неона, атомы гелия передают им свою энергию и переводятих в возбужденное состояние 3. Таким образом, в трубке создается активная среда, состоящая из атомов неона с инверсией населенностей.
Спонтанный переход отдельных атомов неона с энергетического уровня 3 на уровень 2 вызывает появление фотонов. При дальнейшем взаимодействии этих фотонов с возбужденными атомами неона возникает индуцированное когерентное излучение последних и в трубке возникает увеличивающийся поток фотонов с энергией hv.
Для увеличения мощности излучения трубку помещают в зеркальный резонатор. Отражаясь от зеркал, поток фотонов многократно проходит вдоль оси трубки, при этом в процесс индуцированного излучения включается все большее число атомов неона, и интенсивность генерируемого излучения возрастает.
Лазер будет работать в режиме генерации, если потери энергии световой волны при каждом отражении от зеркал резонатора меньше, чем прирост энергии в результате индуцированного излучения при прохождении ее вдоль трубки через активную среду. В связи с этим очень важным является качество зеркал резонатора. Резонатор состоит из плоского 5 и вогнутого 6 зеркал с многослойными диэлектрическими покрытиями (рис.3). Коэффициент отражения этих зеркал очень высок – от 98% до 99%. Коэффициент пропускания света одним зеркалом составляет около 0,1%, а другим около 2%. Применение зеркального резонатора позволяет получить мощный и узкий пучок света.
Вследствие того, что энергетические уровни 2 и 3 атома неона обладают сложной структурой, лазер может излучать до 30 различных длин волн в инфракрасном и видимом диапазонах. Зеркала резонатора делают многослойными для того, чтобы создать вследствие интерференции необходимый коэффициент отражения для одной длины волны.
Резонансная трубка 1 (рис.3) с торцов закрыта плоскопараллельными стеклянными пластинками 4, установленными под углом Брюстера к оси трубки. Такое положение пластинок обеспечивает прохождение через них поляризованного излучения неона без потерь на отражение и приводит к плоской поляризации излучения лазера. Для создания в трубке электрического разряда в нее введены два электрода: анод 2 и катод 3.
Индуцированное излучение газового генератора является высококогерентным, исключительно монохроматическим, плоско поляризованным, остронаправленным. На этих свойствах основано широкое применение лазерного излучения в современных физических, химических и биологических исследованиях, имеющих фундаментальный характер. Ярким примером могут служить исследования в области нелинейной оптики. Лазерное излучение, обладающее достаточно высокой мощностью, может обратимо изменять физические характеристики вещества, что приводит к различным нелинейно-оптическим явлениям.
Лазер дает возможность осуществлять сильную концентрацию световой мощности в пределах весьма узких частотных интервалов: при этом возможна также плавная перестройка частоты. Поэтому лазеры широко применяются для получения и исследования оптических спектров веществ. Лазерная спектроскопия отличается исключительно высокой степенью точности (высоким разрешением). Лазеры позволяют также осуществлять избирательное возбуждение тех или иных состояний атомов и молекул, избирательный разрыв определенных химических связей. В результате оказывается возможным инициирование конкретных химических реакций, управление развитием этих реакций, исследование их кинетики.
Пикосекундные лазерные импульсы дали начало исследованиям целого ряда быстропротекающих процессов в веществе и, в частности, в биологических структурах. Отметим, например, фундаментальные исследования процессов фотосинтеза. Эти процессы весьма сложны и к тому же протекают крайне быстро – в пикосекундной временной шкале. Использование сверхкоротких световых импульсов дает уникальную возможность проследить за развитием подобных процессов и даже моделировать отдельныеих звенья.
В настоящее время лазеры широко используются в различных областях медицины. Впервые с лечебной целью лазер был применен в офтальмологии. Эксперименты на животных показали, что воздействие лучей лазера небольшой энергии (сотые и десятые доли джоуля) вызывает слипчивое воспаление между внутренними оболочками глаза с последующим образованием мощного соединительного рубца. Офтальмологи используют лазер, прежде всего, для лечения отслойки сетчатки. Луч лазера позволяет «приварить» отслоенную сетчатку к лежащей под ней сосудистой оболочке. Лучи лазера с успехом применяют и для лечения некоторых начальных форм внутриглазных опухолей без удаления глазного яблока.
Исключительный интерес представляет возможность использования лазера в хирургии. Луч лазера позволяет абсолютно стерильным «световым скальпелем» рассекать ткани и проводить операции почти без кровотечений. Объясняется это тем, что при рассечении лучом лазера мелкие и средние сосуды спаиваются, и лишь крупные сосуды необходимо перевязывать. Использование лазера позволило производить хирургические операции на паренхиматозных органах. Разрушительное действие лазерного луча используется для лечения пигментных пятен, бородавок и опухолей.
Применение гибких световодов позволило использовать лазерное излучение для голограмм некоторых внутренних органов, а также для внутренней коагуляции.
Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).
Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.
Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.