Лабораторные работы по квантовой оптике

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ 4-ГО СЕМЕСТРА: КВАНТОВАЯ ОПТИКА

ЛР 101

Бр1.

1т. Равновесное тепловое излучение. Закон Кирхгофа.

2т. Абсолютно черное тело. Формула Релея - Джинса для распределения интенсивности излучения по частоте и длине волны. Её пределы применимости.

3т. Абсолютно черное тело. Степень черноты реального излучающего тела. Серое тело.

1з. Число фотонов монохроматического света, падающих нормально на зеркальную поверхность за время t = 5с равно N=10¹⁹ . Сила светового давления на эту поверхность равна F = 3нН. Определить длину волны  света.

2з. Энергия е падающего фотона равна энергии покоя электрона. Определить долю энергии падающего фотона, которую сохранит рассеянный фотон, и долю этой энергии, полученную электроном отдачи, если угол рассеяния в равен: 60°.

3з. Определить максимальную скорость фотоэлектронов, вылетающих из металла при облучении фотонами с энергией 1,53 МэВ.

Бр6.

1т. Объяснить схему эксперимента этой лабораторной работы и расчетную формулу.

2т. Абсолютно черное тело. Закон Стефана-Больцмана.

3т. Абсолютно черное тело. Закон смещения Вина.

1з. Мощность солнечного излучения равна 3,910²⁶Вт. Считая Солнце абсолютно черным телом, определить, какая длина волны _m соответствует максимуму спектральной плотности энергетической светимости Солнца. Радиус Солнца принять равным 6,9510⁸м.

2з. Энергия е падающего фотона равна энергии покоя электрона. Определить долю энергии падающего фотона, которую сохранит рассеянный фотон, и долю этой энергии, полученную электроном отдачи, если угол рассеяния равен: 90°°

3з. Максимальная скорость фотоэлектронов, вылетающих из металла при облучении его фотонами, равна 291 Мм/с. Определить энергию фотонов.

Бр8..

1т Абсолютно черное тело. Закон теплового излучения Планка,

2т. Закон теплового излучения Планка. Его связь с законом Стефана - Больцмана.

3т. Закон теплового излучения Планка, Его связь с законом смещения Вина.

1з. Длина волны, на которую приходится максимум энергии в спектре излучения абсолютно чёрного тела равна _m = 60 мкм. Определить, во сколько раз отличается спектральная энергетическая светимость этого тела на длине волны  = 0.4 мкм от максимальной.

2з. Энергия е падающего фотона равна энергии покоя элек­трона. Определить долю w-i энергии падающего фотона, которую сохранит рассеянный фотон, и долю этой энергии, полученную электроном отдачи, если угол рассеяния в равен: 180°

3з. Определить максимальную скорость фотоэлектронов, вылетающих из металла под действием излучения с длиной волны 0,3 нм.

Бр.2

1т. Гипотеза Планка о тепловом излучении. Что такое фотон с точки зрения Планка?

2т. Третий закон теплового излучения (связь максимальной интенсивности излучения с температурой абсолютно черного тела).

3т. Закон теплового излучения Планка. Его связь с законом смещения Вина.

1з. Максимальная скорость фотоэлектрона, вырванного из поверхности серебра (работа выхода А = 4,7эВ), равна в первом случае v_max = 1,510⁶ м/с, а во втором – 2,510⁸ м/с. Определить длину волны фотона в этих двух случаях.

2з. Длина волны фотона равна комптоновской длине электрона. Определить энергию и импульс фотона.

3з. Для прекращения фотоэффекта, вызванного облучением ультрафиолетовым светом платиновой пластинки, нужно приложить задерживающую разность потенциалов 3,7 В. Если платиновую пластинку заменить другой пластинкой, то задерживающую разность потенциалов придется увеличить до 6 В. Определить работу А выхода электронов с поверхности этой пластинки.

Бр7.

1т. Оптическая пирометрия.

2т. Яркостная и энергетическая температуры.

3т. Закон теплового излучения Планка. Его связь законом Стефана - Больцмана.

1з. При фотоэффекте максимальная скорость фотоэлектрона равна v = 0,5 Мм/с. Найти длину волны падающих фотонов, если красная граница фотоэффекта ₀ = 651 нм.

2з. Фотон (λ= 1 пм) рассеялся на свободном электроне под углом в = 90°. Какую долю своей энергии фотон передал электрону?

3з. Определить длину волны ультрафиолетового излучения, падающего на поверхность некоторого металла, при максимальной скорости фотоэлектронов, равной 10 Мм/с. Работой выхода электронов из металла пренебречь.

Бр.9.

1т. . Равновесное тепловое излучение. Закон Кирхгофа.

2т. Абсолютно черное тело. Закон Стефана-Больцмана.

3т. Абсолютно черное тело. Степень черноты реального излучающего тела. Серое тело.

1з. Работа выхода с поверхности некоторого вещества равна А = 3эВ. Энергия падающего фотона равна 7эВ. Найти задерживающий потенциал фотоэффекта .

2з. Эффект Комптона. Угол рассеяния фотона равен 90°. Угол отдачи электрона равен 30°. Определить энергию падающего фотона.

3з. Максимум спектральной плотности энергетической светимости звезды Арктур приходится на длину волны 580 нм. Принимая, что звезда излучает как абсолютно черное тело, определить температуру Т поверхности звезды.

ЛР 112

Бр.3

1т. Объяснить смысл опыта Франка и Герца.

2т. Квантование уровней энергии в атомах (качественно). Энергия возбуждения.

3т. Что такое упругие и неупругие столкновения электронов с атомами?

1з. Фотон с энергией Е рассеивается на покоящемся электроне на угол . Найти энергию электрона отдачи и угол , под которым направлено движение электрона.

2з. Фотон с энергией Е = 0,25 МэВ рассеялся на свободном электроне. Энергия Е' рассеянного фотона равна 0,2МэВ. Опреде­лить угол рассеяния в.

3з. Какая доля энергии фотона израсходована на работу вырывания фотоэлектрона, если красная граница фотоэффекта 307 нм и максимальная кинетическая энергия. фотоэлектрона равна 1 эВ?

Бр.4.

1т. Атом водорода по Бору.

2т. Постулаты Бора.

3т. Классические модели атома (Томсона, планетарная ). Их неудовлетворительность.

1з. Фотон энергии E₀ = 20 эВ поглощается атомом водорода в основном состоянии. Какова скорость v электрона атома водорода после этого?

2з. Какая доля энергии фотона при эффекте Комптона при­ходится на электрон отдачи, если фотон претерпел рассеяние на угол 180°? Энергия фотона до рассеяния равна 0,255 МэВ.

3з. Какая доля энергии фотона израсходована на работу вырывания фотоэлектрона, если красная граница фотоэффекта 307 нм и максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона равна 1 эВ?

Бр.5.

1т. А какую величину проквантовал Бор? А что такое квантование вообще?

2т. Квантование энергии в атоме водорода по Бору (вывод).

3т. Энергия ионизации атома водорода.

1з. Частота L_ линии характеристического рентгеновского излучения некоторого элемента равна  = 1,3810¹⁶ Гц. Определить что это за элемент. Постоянную экранирования для указанной линии считать равной 7.5.

2з. Определить импульс р электрона отдачи при эффекте Комптона, если фотон с энергией, равной энергии покоя электрона, был рассеян на угол 180°.

3з. Принимая коэффициент черноты угля при температуре Т = 600 К равным 0,8, определить: энергетическую светимость угля.

Бр.6.

1т. Как оценить энергию возбуждения по результатам опыта Франка и Герца?

2т. Спектральные серии атома водорода.

3т. Характеристическое рентгеновское излучение.

1з. Какое напряжение нужно приложить к рентгеновской трубке, чтобы коротковолновая граница тормозного рентгеновского излучения совпадала с длиной волны К_ - линии характеристического рентгеновского излучения натрия (z=11)?

2з. Фотон с энергией Е = 0,4 МэВ рассеялся под углом 90° на свободном электроне. Определить энергию Е' рассеянного фотона и кинетическую энергию Т электрона отдачи.

3з. Принимая коэффициент черноты угля при температуре Т = 600 К равным 0,8, определить: энергию W, излучаемую с поверхности угля с площа­дью S = 5 см² за время t = 10 мин.

Бр8.

1т. Обобщенный закон Мозли.

2т. Постулаты Бора и получение с их помощью спектральных серий атома водорода.

3т. Недостатки теории Бора (атом водорода).

1з. При каком наименьшем напряжении U на рентгеновской трубке начинают появляться линии серии К_α меди?

2з. Определить угол рассеяния фотона, испытавшего соударение со свободным электроном, если изменение длины волны при рассеянии равно 3,62 пм.

3з. На какую длину волны приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела при температуре t = 0°С?

Бр.10

1т. Объяснить (качественно) вольт-амперную характеристику, получаемую в опыте Франка и Герца.

2т. Как определить с помощью опыта Франка и Герца, каким веществом заполнена лампа?

3т. Откуда в лампе в опыте Франка и Герца берутся электроны?

1з. Вычислить длину волны и энергию фотона, принадлежащего К_α линии в спектре характеристического рентгеновского излучения платины.

2з. Определить максимальное изменение длины волны при комптоновском рассеянии: на свободных электронах.

3з. Будет ли наблюдаться фотоэффект, если на поверхность серебра направить ультрафиолетовое излучение с длиной волны 300 нм?

ЛР103

Бр1.

1т. Что такое внутренний фотоэффект? Имеет ли он пороговый характер?

2т. Применения внутреннего фотоэффекта.

3т. Зонная структура диэлектриков, полупроводников, металлов.

1з. Рентгеновская трубка работает под напряжением 1 MB. Определить наименьшую длину волны рентгеновского излучения.

2з. Определить максимальное изменение длины волны при комптоновском рассеянии: на свободных протонах.

3з. Вследствие изменения температуры абсолютно черного тела максимум спектральной плотности сместился с A₁=2,4 мкм на А₂ =0,8 мкм. Как и во сколько раз изменились энергетическая светимость тела и максимальная спектральная плотность энергетической светимости?

Бр.2.

1т. Зонная структура диэлектриков, полупроводников, металлов.

2т. Почему при внутреннем фотоэффекте фотоэлектроны не выходят из облучаемого образца?

3т. Что такое внешний фотоэффект?

1з. В атоме вольфрама электрон перешел с М-слоя на -L-слой. Принимая постоянную экранирования равной 5,5, определить длину волны испущенного фотона.

2з. Рентгеновское излучение длиной волны 55,8 пм рассеивается плиткой графита (Комптон-эффект). Определить длину волны света, рассеянного под углом 60° к направлению падающего пучка света.

3з. Определить относительное увеличение энергети­ческой светимости абсолютно черного тела при увеличении его температуры на 1 %.

Бр.5

1т. Красная граница внутреннего фотоэффекта.

2т. Фотоны. Энергия и импульс фотона.

3т. Опыт Лебедева (давление света).

1з. Определить энергию фотона, соответствующего линии К_α в характеристическом спектре марганца (Z = 25).

2з. Параллельный пучок монохроматического света (λ=662нм) падает на зачерненную поверхность и производит на нее давление р = 0,3 мкПа. Определить концентрацию фотонов в световом пучке.

3з. Во сколько раз надо увеличить термодинамическую температуру абсолютно черного тела, чтобы его энергетическая светимость возросла в два раза?

Бр.7.

1т. Внешний фотоэффект. Законы Столетова.

2т. Объяснить световую характеристику фотосопротивления (качественно).

3т. Закон Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

1з. Какую наименьшую разность потенциалов нужно приложить к рентгеновской трубке, антикатод которой покрыт ванадием (Z = 23), чтобы в спектре рентгеновского излучения появились все линии К-серии ванадия? Граница К-серии ванадия λ = 226 пм.

2з. Монохроматическое излучение с длиной волны 500 нм падает нормально на плоскую зеркальную поверхность и давит на нее с силой F = 10 нН. Определить число N-i фотонов, ежесекундно падающих на эту поверхность.

3з. Температура верхних слоев Солнца равна 5,3 кК. Считая Солнце черным телом, определить длину волны, которой соответствует максимальная спектральная плотность энергетической светимости Солнца.

ЛР 104

Бр3.

1т. Внешний фотоэффект. Работа выхода.

2т. Давление света.

3т. Эффект Комптона.

1з. При исследовании линейчатого рентгеновского спектра некоторого элемента было найдено, что длина волны линии К_α:равна 76 пм. Какой это элемент?

2з. Давление р монохроматического света (λ= 600 нм) на черную поверхность, расположенную перпендикулярно падающим лучам, равно 0,1 мкПа. Определить число N фотонов, падающих за время t = 1 с на поверхность площадью S = 1 см².