Способ исследования свойств света Советский патент 1993 года по МПК G09B23/22 

Изобретение относится к способам исследования физических явлений в учебном процессе, в частности к исследованию квантово-механических свойств света.

Цель изобретения - обеспечение демонстрации квантово-механических свойств света.

На фиг. 1 представлен пример реализации способа. Устройство представляет собой светонепроницаемый ящик 1, содержащий установленные на оптической скамье (на чертеже не показана) гелий-неоновый лазер 2, ослабитель 3, собирающую линзу 4 для формирования точечного источника света в области экранной диафрагмы 5, круглое регулируемое дифракционное отверстие 6, экран с диафрагмируемым отверстием 7, фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) 8 со счетчиком фотонов 9.

На фиг. 2 представлена схема прохождения сферической волны от источника S через круглое отверстие ВС, где R - радиус, волновой поверхности, L - расстояние от дифракционного отверстия до экрана, гт - радиус внешней границы т-й зоны Френеля, Я - длина волны света.

Предлагаемый способ исследования свойств света реализуется следующим образом. Созданный лазером 2 световой поток собирают с помощью линзы 4 на очень малом круглом отверстии 5, играющим роль точечного источника S. Изменением диаметра дифракционного отверстия 6 добиваются, чтобы в центре дифракционной картины, состоящей из чередующихся светлых и темных колец с центрами в точке М, находился дифракционный максимум. Это

означает, что в дифракционном отверстии укладывается нечетное число зон Френеля.

Известно, что дифракция, как и интерференция, является проявлением волновой природы света. Решающая роль в утверждении ее и в дальнейшем развитии, позволяющем в частности объяснить дифракцию света и дать методы ее количественного расчета сыграл принципТюйгесэ-Френеля. Основанный на нем метод зон Френеля позволяет сравнительно просто рассчитать интенсивность света для различных случаев дифракции.

Так в результате падения сферической волны на круглое отверстие ВС в непрозрачном экране (см.фиг. 2) наблюдается дифракционная картина на экране Э, находящаяся от него на расстоянии L. Согласно принципу Гюйгенса-Френеля дифракционные волны можно представить как суперпозицию вторичных волн, исходящих из каждого элемента площади на экране. Для этого строят на открытой части ВС фронта волны зоны Френеля соответствующие точке М.

Интерференционная картина вблизи точки М экрана Э должна иметь вид чередующихся, темных и светлых колец с центрами в точке М.

Освещенность центра дифракционной картины зависит от числа зон Френеля, вырезаемой дифракционным отверстием из поверхности волнового фронта. Число таких зон связано с радиусом отверстия, расстоянием центра отверстия от источника света и точки наблюдения, а также длиной волны используемого света. Соотношение для радиуса внешней границы m-й зоны Френеля имеет вид

Гт

- (iM

1/2

Если в отверстии ВС укладывается нечетное число зон в точке М наблюдается интерференционный максимум, а при четном числе зон-минимум. По мере удаления от М интенсивность максимумов света убывает. Если диаметр отверстия велик, картины на экране не будет, свет в этом случае распространяется практически также, как и в отсутствии непрозрачного экрана с отверстием, т.е. прямолинейно.

Таким образом, в предлагаемом способе, используя соотношение (1) убеждаемся, что число зон Френнеля , где п 0, 1. 2..., т.е. в дифракционном отверстии

5 укладывается нечетное число зон Френеля. Не изменяя расстояния между компонентами установки выделяют диафрагмируемым отверстием в экране 7 центральный светлый максимум. Уменьшая световой по10 ток путем введения ослабителя до потока отдельных фотонов и регистрирует их ФЭУ. Далее, увеличив диаметр дифракционного отверстия до m 3 + 2п + 1 зон Френеля убеждаются, что ФЭУ перестает ре15 гистрировать фотоны. Использование предлагаемого способа исследования свойств света обеспечивает по сравнению с существующими способами экспериментальную проверку и подтверждение теоретических

20 положений квантово-механических принципов. Это возможно благодаря уменьшению интенсивности света до получения дискретного пучка фотонов и регистрации отдельных фотонов ФЭУ. Изме няя диаметр от 3 2п

25 зон Френеля до 3 + 2п + 1 убеждаются, что увеличение отверстия приводит к уменьшению количества света попадающего в детектор. Отсюда следует, что понятие траектории для квантов света

30 неприменимо,

кФормула изобретения.

Способ исследования свойств света,

35 включающий наблюдение на экране и расчет дифракционной картины, обусловленной падением перпендикулярно на круглое дифракционное отверстие лазерного излу- чения.отл и чающийся тем, что, с целью

40 расширения диапазона решаемых задач путем обеспечения демонстрации квантово- механических свойств света, изменяют диаметр дифракционного отверстия до появления в центре дифракционной картины

45 светлого пятна, которое выделяют экранной диафрагмой, после чего уменьшают интенсивность лазерного излучения до потока отдельных фотонов, в чем убеждаются с помощью фотоэлектронного умножителя со

50 счётчиком фотонов, затем увеличивают диаметр дифракционного отверстия до исчезновения показаний счетчика фотонов.

AS

Ъ А Т б

/ // /

/7V

Изобретение относится к способам исследования физических явлений в учебном процессе, в частности к исследованию квантово-механических свойств света. Сущность изобретения: с целью обеспечения демонстрации квантово-механических свойств .--.. ;.. 2 ..-...... света предлагается в способе исследования свойств света, заключающемся в наблюдении на экране и расчете дифракционной картины, обусловленной падением на круглое дифракционное отверстие лазерного излучения, согласно изобретению изменяют диаметр дифракционного отверстия до появления в центре дифракционной картины светлого пятна, которое выделяют экранной диафрагмой, после чего уменьшают интенсивность лазерного излучения до потока отдельных фотонов, в чем убеждаются с помощью фотоэлектрического умножителя со счетчиком фотонов, затем увеличивают диаметр дифракционного отверстия до исчезновения показаний счетчика фотонов, благодаря чему убеждаются в неприменимости понятия траектории для квантов света. 2 ил.