Спосіб дослідження властивостей світла

Винахід відноситься до способів дослідження фізичних явищ в учбовому процесі, зокрема до дослідження квантово-механічних властивостей світла. Відомий спосіб дослідження хвильових властивостей світла, в якому пучок лазерного випромінювання роблять розбіжним за допомогою розсівної лінзи, подають його на об'єкт дифракції і на екрані спостерігають дифракційну картину [1]. Однак цей спосіб не призначений для дослідження квантово-механічних властивостей світла, оскільки не дозволяє впевнитися в імовірнісному характері поведінки фотонів, наприклад в незастосовності до окремо взятого фотона, який рухається в дуже малому просторі, поняття траєкторії. Технічний результат, який досягається при використанні пропонованого способу, полягає в забезпеченні демонстрації квантово-механічних властивостей світла. Вказаний технічний результат досягається тим, що в способі дослідження властивостей світла, який полягає у спостереженні на екрані і розрахунок дифракційної картини, зумовленої падінням перпендикулярно на круглий дифракційний отвір лазерного випромінювання, згідно з винаходом, змінюють діаметр дифракційного отвору до появи в центрі дифракційної картини світлої плями, яку виділяють екранною діафрагмою, після чого зменшують інтенсивність лазерного випромінювання до потоку окремих фотонів, в чому переконуються за допомогою фотоелектронного помножувача з лічильником фотонів, потім збільшують діаметр дифракційного отвору до зникнення показів лічильника фотонів. Авторам невідоме використання аналогічних ознак, які б застосовувалися в учбовому процесі та дозволяли демонструвати квантово-механічні властивості світла. До цього часу квантовомеханічні властивості світла випливають лише з теоретичних положень і не демонструються експериментальне в учбовому процесі. Вперше пропонуються продемонструвати їх в лабораторному експерименті. На фіг.1 приведений приклад реалізації способу; на фіг.2 - схема проходження сферичної хвилі від джерела через круглий отвір. Пристрій у вигляді світлонепроникного ящика 1, який містить встановлені на оптичній лаві (не показана) гелій-неоновий лазер 2, ослаблювач 3, збірну лінзу 4 для формування точкового джерела світла в області екранної діафрагми 5, круглий регульований дифракційний отвір 6, розсівну лінзу 7, регульовану діафрагму 8, екран 9, фотоелектронний помножувач (ФП) 10 з лічильником фотонів 11. Пропонований спосіб дослідження властивостей світла реалізуються наступним чином. Створений лазером 2 світловий потік збирають за допомогою лінзи 4 на дуже малому круглому отворі 5, який відіграє роль точкового джерела Зміною діаметра діфракційного отвору 6 добиваються, щоби в центрі дифракційної картини, яка складається почергово з світлих та темних кілець з центрами в точці знаходився дифракційний максимум. Це означає, що в ди фракційному отворі вкладається непарне число зон Френеля. Відомо, що дифракція, як і інтерференція, є проявом хвильової природи світла. Вирішальну роль в утвердженні і в подальшому розвитку, який дозволяє зокрема пояснити дифракцію світла та дати методи кількісного розрахунку відіграв принцип Гюйгенса - Френеля (Детлеф А.А., Яворский Б,М. Курс физики. М.: Высш. шк.., 1989. С.361 - 366). Оснований на ньому метод зон Френеля дозволяє порівняно просто розрахувати інтенсивність світла для різних випадків дифрації. Так, в результаті падіння сферичної хвилі на круглий отвір в непрозорому екрані (див. фіг.2) спостерігається дифракційна картина на екрані Згідно з принципом Гюйгенса - Френеля дифракційні хвилі можна розглядати як суперпозицію вторинних хвиль, які виходять з кожного елемента площі на екрані. Для цього будують на відкритій частині фронту хвилі зони Френеля відповідній точці зони Френеля, інтерференційна картина поблизу точки екрану повинна мати вигляд почергово темних і світлих кілець з центрами в точці Освітленість центра дифракційної картини, яка вирізується дифракційним отвором з поверхні хвильового фронту, залежить від числа зон Френеля. Число таких зон пов'язано з радіусом отвору, відстаннями від центра отвору до джерела світла та до точки спостереження а також з довжиною хвилі світла Співвідношення для радіуса зовнішньої границі m - ної зони Френеля має вигляд: де - радіус хвильової поверхні. Якщо в отворі вкладається непарне число зон, то в точці спостерігається інтерференційний максимум, а при парному числі зон - мінімум. З віддаленням від інтенсивність максимумів світла зменшується. Якщо діаметр отвору великий, то картини на екрані не буде світло в цьому випадку поширюється практично так само як і при відсутності непрозорого екрану з отвором, тобто прямолінійно. Таким чином в пропонованому способі, використовуючи співвідношення (1), переконуються, що число зон Френеля де тобто в дифракційному отворі вкладається непарне число зон Френеля. Не змінюючи віддалі між компонентами установки, діафрагмою 8 виділяють центральний світлий максимум і, забираючи екран 9, відкривають ФП 10. Зменшують світловий потік введенням послаблювача до потоку окремих фотонів і реєструють їх з допомогою ФП. Далі, збільшивши діаметр дифракційного отвору до зон Френеля, переконуються, що ФП перестає реєструвати фотони. Використання запропонованого способу дослідження властивостей світла забезпечує порівняно з існуючими способами експериментальну перевірку та підтвердження теоретичних положень квантовомеханічних принципів. Це можливо завдяки зменшенню інтенсивності світла до одержання дискретного пучка фотонів та реєстрації окремих фотонів з допомогою ФП. Змінюючи діаметр зон Френеля від до переконуються, що збільшення отвору приводить до зменшення кількості світла, що потрапляє в ФП. Звідси випливає, що поняття траєкторії для квантів світла незастосовне.