Әдістемелік нұсқаулық

Энергетикалық деңгей бойымен атомдардың үйлестірілуі

Атомдар жүйесінің энергетикалық спектрден екі энергетикалық деңгейді W₁, W₂ таңдап аламыз. W₁ < W₂ Жүйедегі негізгі энергиясы бар атомдар саның энергетикалық деңгейдің W қонысы N деп аталады. Осыдан W₁ және W₂ энергия деңгейіне N₁ және N₂ қоныстары сәйкес келеді. Қоныстардың атомдар жүйесінде теңдерілген жағдайда болатын энергетикалық деңгей бойынша үйлестірілуі математикалық түрде Больцман функциясымен беріледі, оның графигі 1-і суретте көрсетілген.

Табиғатта барлық жүйелер потенциалды энергия минимуммен сипатталатын орнықты тепе-теңдік жағдайға ұмтылатыны белгілі. Атомдар жүйесі үшін бұл дегеніміз олардың көп бөлігі энергиясы аз жағдайда W₁ болады,

N₁/N₂ = e ^{(-W2 - W1)/kt} = exp^{(-W2 - W1)/kt}

Т – абсолютты температура, Т>0 - әрқашан кез келген температурада, шама exp^{(-W2 - W1)/kt}>0, б.а.

N₁/N₂ <1 және N₂1

Сондықтан жылумен қоздырылған кезде энергетикалық жоғары жағдайлар кез келген төменгі жағдайдан аз қонысталған.

Жүйемен энергияның жұтылуы атомдардың төменгі энергетикалық деңгейге ауысуымен көрсетіледі (2 сур.) Атомның қоздырылған жағдайда орташа өмір сүру уақыты 10^-8 с.

Осы уақыт ішінде атом төменгі энергетикалық жағдайға аяқ астынан өтіп, h=W₂-W₁ жарық кванттың шығарады. (3 сур). Осы ауысулар кезінде атом басқа атомдармен келіспей, тәуелсіз сәуле шығарады, сондықтан сәулелендірілген фотондардың тәуелсіз фазалармен поляризациялары болады және берілген атомдар жүйесінің кез келген бағытта ұмтылып шығады. Осы фотондарға сәйкес толқындар шашылған, когерентті емес, энергия тығыздығы аз болады. Лазерден басқа барлық жарық көздерінің Больцманның энергия бойынша атомдарды үйлестіретін сәулелендіру жүйесі бар. Жасаңды жолымен атомдар жүйесін термикалық тепе-теңдіксіз жағдайға қонысталу деңгейі анти-Больцмандық болатын келтіруге болады, б.а. N₂>N₁. Мұндай тепе-теңдік жағдайға қонысталудың инверсиясы деп аталады. Математикалық түрде бұл дегеніміз, exp^{(-W2 - W1)/kt}>1. W₂>W₁ болғанда ол тек температураның теріс шамасында мүмкін. Сондықтан, кейбір деңгейлер арасында қонысталу инверсиясы болған ортаны «теріс» температуралы орта д.а. Нақты жүйеде Т<0 болу мүмкін емес. Бірақ та, кейбір жүйелерде сәуле шығару ауысулары аз мүмкіндікпен беріледі немесе мүлдем тиім салынған атомдардың қодзырылған жағдайы бар. Мұндай жағдайда атомда өмір сүру уақыты 10^-3 с дейін жетеді атомдардың осы жағдайын метотұрақты деп атайды.

Бұл жағдайдан үгіттелген жағдайға ауысуы мүмкін, егерде қоздырылған жағдайдағы W₂ атомның қасынан энергиясы 1 және 2 деңгейлерін энергиясымен резонансты болаттың фотон өтетін болса, W₂-W₁=h бұл фотон энергиясы W₂ болаттың қыздырылған атомды итереді де, ол W₁ жағдайға түседі. Осы кезден ол ауысуға келтірілген фотонына толығымен парапар фотон шығарады. Оның жиілігі, фазасы, поляризациясы бірдей болады және сол бағытта ұмтылады. Бұл үрдіс 4-суретте диаграмма ретінде көрсетілген, мұнда фотондар ирек сызықпен көрсетілген. 1 және 2 фотондарға сәйкес толқындар когерентті және бір-бірін күшейтіп бір бағытта үйлестіріледі. Сәуле шығару энергиясын тығыздығы өте жоғары болады , өйткені шығару энергиясы өте кіші ауданға келеді.

Осы ауысулардан басқа қатты денелерде релаксационды ауысулар болуы мүмкін. Ол сәуле шығарумен жетектелмейді, артық энергиясы кристаллдық торға беріледі. Осы кезде түйіндердегі атомдардың тербелуін күшейтеді, осының салдарынан бүкіл кристалл қыздырылады.
Сәуле шығарудың затпен ара қатынасы. Лазерді алу шарты.
Егер атомдар жүйесіне h энергия фотоны түссе W₂-W₁=h (W₂ > W₁) ол кез келген атомдар санының N₂ үгітілген ауысуын келтіреді. Ауысу мүмкіндігі сәйкес энергетикалық деңгейін қонысталуына пропорциональды болады. Бұл дегеніміз атомдарды энергия бойынша бір қалыпты үйлестіретін орта (N₁>N₂) негізінен оған түсетін сәуле шығаруларды жұтады. Мұндай орта оптикалық пәрменді емес деп аталады, оның жұтылу коэффициенті оң болады. Қонысталу инверсиясы жүргізілгн ортада (N₁2) сәуле шығаруды күшейтетін үгітілегн ауысулар мүмкіндігі көп болады.

Қонысталу инверсиясы бар орта оптикалық пәрменді болып табылады, оның жұтылу коэффициенті теріс. Оптикалық кванттық генератор-лазерді алу үшін ортаның қонысталу инверсиясын келтіру керек екені анық. Таңдап алынған 2-і деңгей арасындағы инверсияны алу үрдісі қатты денелі және газды ортада лазерді алудың қажетті шарттарын 1-і болып табылады және толтыру деп аталады. Қатты денелерде лазерлерде толтыру оптикалық былай анықталады атомдар кристалдар электромагниттік толқындармен сәулелендіру әсерімен қоздырылады. Газды лазерлерді толтыру атомдар газды разрядпен қоздырылумен қамтамыс етіледі. Лазерді алудың 2-і қажет шарты болып ортадағы метотұрақты жағдайдың болуымен табылады. Деңгейдің орташа өмір сүру уақыты алдында айтылғандай, шамамен ~10^-8с болады. Бұл уақытта толтыруды жүргізу мүмкін емес, өйткені деңгей өздігінең бұзылып өзегереді. Егер де лазерді алу үшін таңдап алынған екі деңгейдің жоғарғысы метотұрақты болса, (~10^-3с) төменгісімен салыстырғанда оны инверсиялы қоныстандырып үлгеруге болады. Және де жүйе тепе-теңдук қалыпқа келгенше сонының оны күшейтетін үгітілген сәуле шығаруды шақыруға болады, былай анқталады лазерлі әсерді аламыз.

Күшйиу шарты мен үгітілегн сәуле шығару генерациясы лазерді алудың 3-і қажетті шарты болып оптикалық резонатордың болуы табылады.

Оптикалық резонатор дегеніміз көп қабатты диэлектрикалық беттері бар параллель айналар жүйесі. Оптикалық резонатор кері оң байланысың және жиілігі бойынша сәуле шығаруды таңдауды қамтамасыз етеді. Айналар арасында қашықтық айнаға келетін және шығатын толқындар арасында интерференция шарты орындалатындай етіп 2dn=k алынады, бұл айна арқылы шығатын электромагниттік толқынның күрт күшеюіне әкеледі. Атап өтілген шарттар барлық лазерлер үшін жалпы болып табылады. Лазерлерді ажыратады: 1) жұмыс ортасымен; 2) толтыру тәсілімен; 3) резонатор құрылысымен; 4) жұмыс тәртібімен.

Берілген зертханалық жұмыста газды гели-неонды лазерін сипаттамасы зерттеледі және жұмыс принципі қарастырылады. Оның ерекшіліктері болып өткір бағытталуы, жоғары монохроматтығы ауадағы когеренттігі және сәуле шығару жиілігінің тұрақтылығы табылады.
Не-Ne лазердің жұмыс принципі және қондырғысы
Лазердің қондырғысы 5-суретте көрсетілген. Лазердің негізгі құрылымы болып ұзын кварцтық табылады. Оның ұштарры Брюстер  бұрышы бойынша құбырдың оптикалық осіне қатысты кесілген. Ол сәуле шығарудың поляризация бойынша таңдауын қаматамасыз етеді.

Ұзын құбыр өзінің осі юойынша жылжитын фотондарды шығарады үгітілген сәуле шығарудың әсерінен пайда болған және оське қарай кез келген бұрышта ұшатын фотондар құбырдың қабырғаларымен жұтылады. Сондықтан шығатын шоғыр өткір бағытталған, қимадағы энергия тығыздығы жоғары және бұрыштық таралуы аз болып келеді.

1 және 6 жартылай мөлдір айналар, тегіс және сфералық. Сәулелендіру теріс айна арқылы шығады, 2-гели қоспасымен (100 Па) толтырылған кварцтық құбыр. Құбыр ұштарынан кварцтық жалпақ тіліктер Брюстер бұрышымен жабыстырылған. 4,5,3 – генератормен 7 байланыстырылған сыртқы электродтар. Оптикалық резонатор болып толқынның белгілі бір ұзындығы үшін кері қайтару коэффициенті жоғары болатын көп қабатты диэлектриктары бар тегіс және сфералық айналар табылады.

Лазердің жұмыс ортасы болып 10:1 немесе 15:1 қатынасында алынған гелий және неон газдарының қосындысы табылады. Сәулелендіретін зат болып неон табылады. Жоғары жиілікте генератордың көмегімен құбырда тұтылған газдың разряд орнатылады.

Газдардың энергетикалық деңгейлерінің ықшамсыз басы 6-і суретте көрсетілген. Разрядты пайда болған электрондар гелий мен неон атомдардың соғылып оларды қоздырылған жағдайға ауыстырылады. Неонның 3s-2p немесе 2s-2p деңгейлерінің арасында қонысталу инверсиясын тудыру үшін бұл қоздыру механизмі жеткіліксіз.

Қоныстандыру инверсиясын тудырудағы негізгі жұмысты гелий атқарады. 2s және 2³s гелийдің жағдайлары метотұрақты, олардың сәуле шығаратын ауысуларға тиым салынған.

Гелий атомдары осы жағдайда өмір сүрген кезде қоздырылмаған неон атомдар мен соғылып үлгереді. 2⁺s гелий және 3s ион (2³sHe, 2sNe) энергия мәндері бойынша деңгейлері жақын болғандықтан, мұндай серпімсіз соқтығысуда гелий атомдарынан неон атомдарына энергияның резонансты ауысуы іске асады. Қоспадағы гелий атомдарының саны жеткілікті көп болса, бұл механизм неонның 3s және 2p деңгейлерінің арасына орналасу инверсиясы пайда болуына әсер етеді. Сонымен қатар 2p деңгейі толық босатылу үшін түтікше диаметрі аз болу қажет. Бірақ өте аз диаметр неон санын шектеп, генерация қуатын азайтады.

Сур.6 (неон гелийдің энергетикалық деңгейлері гелийдің 2s, 2³s метастабильді күйлері неонның 3s, 2s метастабильді күйлеріне энергия мәндері бойынша жақын)

Газоразрядты түтікшенің оптимальді диаметрі 7 мм, ал газ қысымының неонның –10 Па, гелийдің 100 Па. Осылайша, гелий және неонның порциальды қысымдарын арнайы таңдау нәтижесінде газоразрядты түтікшенің диаметрін дұрыс таңдаса неонның таңдап алынған деңгейлерінің арасындағы тұрақты орналасу инверсиясы пайда болып, лазер тұрақты жұмыс жасайды. Индукциялық сәулеленуді әкелетін фотондар ақауы ортада 3s  2p спонтанды ауысулар арқылы пайда болады. Бұл фотондар әр түрлі бағытта қозғалады, бірақ түтікше осі бойымен қозғалатындары оптикалық резонатор айналарынан шағылады да ортаға қайтып келіп, ось бойындағы генерацияны ыздырады, ал қалғандары түтікше қабырғаларымен жұтылады. Көптеген күйлер арқылы (3s, 2s, 2p) газды гелий-неонды лазер спектрдің көрінетін және инфрақызыл облыстарын да толқынның 30 ұзындықтарында жұмыс істей алады.

Айналардың көп қабатты диэлектрикалық беттері берілген толқын ұзындығы үшін қажетті шағылу коэффициентін тудырып, қажетті жиілікте генерацияны қоздыруға мүмкіндік береді. Сәулеленетін лазер толқын толқын ұзындығы 6328 А (632,8 нм) көрінетін диапазонда жұмыс істейді. Жұмыста қарастырылатын лазердің негізгі сипаттамалары: лазерлік сәулеленудің бұрыштық ауытқуы лазердің шығу қуаты (жарық ағыны) – уақыт бірлігінде шығатын энергия, уақыт бірлігінде лазер шығаратын фотондар саны, жарық ағынының разрядты ток шамасынан тәуелділігі. Разряд тогы лазер жұмысынң негізгі сипаттамасы болып табылады. Ол өскенде электрондар концентрациясы артады, неонның 3s,2s энергетикалық деңгейлері екпінді толтырылады, лазердің шығу қуаты өседі. Бірақ разрядтағы өте үлкен болса, 2p деңгейі де екпінді толтыру салдарынан орналасу инверсиясының азаюына және сәулелену қуатының төмендеуіне әкеледі.

1. 
   Жүктеменің ток регуляторын ток минимумына қою. (сағат тіліне қарсы бұрау). «Сеть» ызлеблерін қосу. 5 минутте құралды қыздыру, жүктеменің ток регуляторын орташа күйге қойып «поджиг» кнопкасын басу.
   
2. 
   Лазерлі шоқтың «» ауытқуын минутпен анықтау. Ол үшін шоқтың шығуында және шығудан L=4÷6м қашықтықта d₁,d₂ шоқтарының диаметрін анықтау «»-ны радианнан минутқа айналдыру.
   
3. 
   L=4÷6м қашықтықта жарықтануды өлшеу жолы мен лазердің жарық ағынын анықтау. Жарықталынуды өлшейтін прибор-люксметр деп аталады. Люксметрдің жарық сезгіштік пластинкасына жарық ағыны түседі де, егер пластинка толық жарықталынса, прибор прибор жарықтанудың ақиқат мәнін көрсетеді. Егер жарық ағыны пластинканынң бүкіл бөлгіне жарықтындармаса, онда люксметр көрсеткіші пласктинка ауданы S_ жарықтанған ауданнан неше есе үлкен сонша есе ақиқат жарықталынудан аз болады. Люксметрді дұрыс пайдалану үшін қатты қағаздан лазерлі шоқтың S_лаз тесік қиып алу керек және бұл қағазбен люксметр пластинкасын жабу керек. Бұл жағдайда лазер мен күн жарығы беретін жарықтану бірдей жағдайда анықталады. Жарық ағынын анықтайтын формула:
   

мұндағы E_лаз – люксметр көрсетулер бойынша лазер шоғындағы жарықтану; E_фон – люксметр көрсетулері бойынша күн жарығымен жарықтану.

Егер қиылып алынған аудан S_отв – лазер шоғының S_лаз – ауданына тең болса, онда:

Ф=(E_лаз-E_фон) S_

Люксметрмен өлшеу дәлдігін жоғарылату үшін құрал шкаласының шегін жарықтанудың алынатын шамасы шкаланың екінші жартысына келетіндей етіп таңдау қажет.

4. 
   Лазердің уақыт бірлігінде шығаратын фотондар санын есептеу:
   

мұндағы h - 1 фотонның энергиясы,  - лазер сәуленунің толқын ұзындығы,  - 6328 А-632,8 нм; с-жарық жылдамдығы, с-3*10⁸м/с.

Қарастырылып отырған толқын ұзындықтары үшін жарық бірліктерін энергетикалыққа (Вт) ауыстыру формуласы.
Бақылау сұрақтар

1. 
   Жұмыстың мақсатны алу.
   
2. 
   Энергетикалық деңгейлердің және сәулелену ауысулардың сәулелену сипаттамасын, атомның метастабильді күйлерінің анықтамасын беру.
   
3. 
   Лазерді қатты денеде немесе газда алу шарттарын тұжырымдау.
   
4. 
   Гелий-неонды лазердің құрылысын және жұмыс істеу принципін анықтау.
   
5. 
   Өткізілген өлшеулер әдістемесін сипаттау.
   

Зертханалық жұмыс «Вакуумды фотоэлементтің зерттелуі»

Жұмыстың мақсаты: Вакуумды фотоэлементтің жарықтық және вольт-амперлік сипаттамасының түсірілуі.
Қысқаша теория

Түскен жарық ықпалынан заттан электрондардың бөлініп шығу құбылысын фотоэлектрлік эффект деп атаймыз. Фотоэффект құбылысын 1888 ж. орыс физигі А.Г.Столетов(1839-1896) тереңірек зерттеді.Мұндай құбылыстар сыртқы фотоэлектрлік құбылыстар деп аталады.Сыртқы фотоэффект құбылысы үшін Столетов мынадай үш заң тағайындады:

1.Фотоэлектрондардың алғашқы максимал жылдамдығы фотокатодқа түскен жарықтың интенсивтігіне тәуелді болмай, тек жарықтың тербеліс жиілігіне байланысты анықталады.

2.Бірлік уақыт ішінде катодтан бөлініп шыққан фотоэлектрондар саны түскен жарық интенсивтігіне пропорционал болады(өйткені қанығу тогі жарық ағыны қуатына пропорционал).

3.Кез келген заттың әлі де болса фотоэффект құбылысын қоздыра алатын жарық жиілігін υ фотоэффектінің қызыл шекарасы деп атайды.

Сонымен фотоэлектрондардың кинетикалық энергиясы жарықтың тербелістер жиілігіне тәуелді болады, өйткені катодқа түскен жарықтың тербеліс жиілігі көп болса, электрондардың жылдамдығы да соғұрлым көп болады.

Енді фотоэлектрлік құбылыстың сыртқы фотоэффектіден басқа да түрлері бар, енді соларды қарастырайық.

Ішкі фотоэффект мазмұнын былайша түсіндіруге болады: кристалдарға немесе жартылай өткізгіштерге жарық сәулелері түскенде жарық жұтылады да, олардың құрамындағы кейбір электрондар сыртқа ұшып шықпағанымен, босанып,толы зоналардан өткізгіштік зоналарға ауысып қозғалады. Осының нәтижесінде жартылай өткізгіштердің электрлік кедергісі кемиді де, электр өткізгіштігі артады. Олай болса, жарық әсерінен кедергісі кемитін жартылай өткізгіштер фотокедергілер деп аталады.

Вентильдік фотоэффектіде сыртқы фотоэффект сияқты жарықтың әсерінен заттың бетінен фотоэлектрондар бөлінеді, бірақ олар сыртқа ұшып шықпай, тек тежеуіш қабат деп аталатын өте жұқа қабаттан бір беткей ғана өтеді де, сол қабаттың үстіне орнатылған металл пластинаны зарядтайды, сөйтіп фотоэлектрондар тежеуіш қабаттан кері қарай өте алмайды. Ал жарық түскенде жартылай өткізгіш пен металл пластина аралығында электр өрісі болмайды.

Эйнштейннің пікірінше әрбір фотоэлектрондар тек бір фотон энергиясын жұта алады.Сөйтіп жұтылған фотон энергиясы (hυ) фотоэлектронды металл бетінен бөліп шығаратын шығу жұмысына (А_ш) және оның кинетикалық энергиясына айналады. Олай болса, Эйнштейн теңдеуі мына түрде жазылады:

hυ=A_ш+mv/2.

Егер жарықтың жиілігі υ белгілі бір минимал υ_смәнінен артық болса ғана, кез келген зат үшін фотоэффект байқалады. Фотоэлектронды металдан, оған кинетикалық энергия берместен бұрын шығарып алу үшін, А_ш шығу жұмысы істелуі керек. Олай болса жарық квантының энергиясы бұл жұмыстан артық болуға тиіс:

Ћυ_с>А_ш.

Сөйтіп шектік жиілік υ_с-фотоэффектінің қызыл шекарасы деп аталады. Оны мына өрнек арқылы жазамыз:

υ_с=А_ш/h.

Шығу жұмысы (А_ш) заттың тегіне тәуелді. Сондықтан түрлі заттар үшін фотоэффектінің шектік жиілігі (υ_с) түрліше болады.

Электрлікте жарық сигналын түрлендіретін сәуле шығаратын қабылдағыш фотоэлемент деп аталады. Сыртқы фотоэффект вакуумды фотоэлементтің әрекет жасау принципінің негізіне қойылған. Вакуумды фотоэлемент фотокод қызметін атқаратын фотоэлектрлік сезгіш қабат 2 және анод қызметін атқаратын электрондар коллекторы 3 ішкі қабырғасына

қойылған шыны баллоннан 1 тұрады. Баллонда

10мм сын.бағ. қысымы кезінде вакуум

пайда болады. Егер фотоэлементкке ке кернеуді

қоссақ, онда фотокодтың жарықталуы кезінде

тізбекте ток пайда болады. Сыртқы фотоэффектілі

фотоэлементтердің негізгі сипаттамасы мыналар

болады:

1. Интегралды S=∂I/∂Ф және спектралды S=∂I/∂Ф сезімталдылық.

( ∂Ι – жарық ағынының ∂Φ өлшеміне өзгеру арқасында болатын фотоағынның өзгерілуі, ∂Ф –толқын ұзындығы λ монохроматты ағынның өзгерісі.

2. Жарықтық сипаттама –фототоктың жарық ағынына тәуелділігі (фотоэлементтегі кернеу тұрақты болған кезде).

3. Вольт-амперлік сипаттама—фототоктың фотоэлементтегі кернеуге тәуелділігі (тұрақты жарық ағыны кезінде).

Вакуумды фотоэлементтің маңызды артықшылығы- ол оның жоғарғы тұрақтылығы және жарық ағынының фототокпен сызықты байланысы.Бірақ олардың сезімталдылығы үлкен емес (жарық ағынының 1лм-ге 20-100 мкА шегінде). Фотоэлементтерді техникалық қолданудың көптеген жағдайында ең алдымен фотоэлементтердің өзіндегі әлсіз фототоктарды күшейтуде қажеттілік туады. Төмен қысымда (10 мм сын.бағ.) фотоэлемент қандай да бір инертті газбен толтырылады. Катодтың әсерінен болған фотоэлектрондар электр өрісінен үдемелі қозғала отырып, газ молекулаларын иондау арқасында ток күшейеді, бұдан жаңа электрондар пайда болады.Газға толтырылған фотоэлементтердің сезімталдылығы бірнеше есе жоғары, бірақ олар үлкен инерттілікке және сызықты емес вольт-амперлік сипаттамаға ие болады. Қосымша электрондардан екінші ретті электронды эмиссия көмегімен алынған бастапқы фототоктың басқа күшею әдісі фотоэлектронды көбейтінділер (ФЭК) деп аталатын құрылғы негізінде жатыр. Осындай 10-15 электрод болуы мүмкін. Мұндай жүйенің күшейткіш коэффициенті 10 –10–ға жетеді, ал ФЭК-нің интегралды сезімталдылығы 1 люменде 1000-даған амперге жетеді. Бұл азды жарық тіркеуге мүмкіндік береді. Біркаскадты және көпкаскадты фотокөбейткіштер қазіргі кезде кең қолданылады.

Жұмыстың орындалу тәртібі:

Вольт-амперлік сипаттаманы алу үшін:

1.Жарықтатқышты фотоэлементтен үлкен емес қашықтықта орналастыру.

2.Анодты кернеуді ақырындап үлкейте отырып, вольтметрдің және микроамперметрдің көрсеткіштерін таблицаға еңгізу.

3.Жарық көзін үлкен қашықтыққа орын ауыстырып, өлшеулерді қайталау.

4.Вольт-амперлік сипаттаманы құру.
Жарықтық сипаттаманы алу үшін:
1.Екі жарық ағыны үшін қанықты облыстан тұрақты анодтың кернеуін құру.

2.Фотоэлемент пен жарықтатқыштың ара қашықтығын (5-6 есе) өзгерте отырып, люксметрмен фотоэлемент терезесінің Е жарықталуын өлшеу. Бұл ара қашықтықтар үшін микроамперметрдің көрсеткішін таблицаға жазу.

3.Әрбір қашықтық үшін жарық ағынын Ф=Е*S формуласы бойынша есептеу, мұндағы S фотоэлемент терезесінің ауданы.

4.Жарық ағынының барлық элементтері үшін j=I/Ф жарық сипаттамасын есептеп, х=f(Ф) графигін құру.

жүктеу 0,77 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: