6. gyakorlat Kvantumfizikai demonstrációs gyakorlat számítógépen II. A mérés célja: az elméletben megtanult kvantumfizikai jelenségek gyakorlati megismerése. 1. Tartózkodási valószínűség függvény bemutatása. ( Probability Illustrator) A tartózkodási valószínűség függvény jelentésének megismerése. A program indítása: Kattintson az Probility Illustrator ikonra! 1. Hullámfüggvény rajzolása. Kattintson és húzza az egeret a hullámfüggvény diagramba (fel). Ekkor a kurzor ceruzává válik. Az egérre kattintva megrajzolható a hullámfüggvény alakja. Miután befejezte a hullámfüggvény rajzolását a felső Diagramban és elengedte az egér gombját, a hullámfüggvény automatikusan újra rajzolódik, és az alsó valószínűség sűrűség diagramban szintén megjelenik. 2. A hullámfüggvény és a tartózkodási sűrűségfüggvény értékének meghatározása egy pontban: A hullámfüggvény megrajzolása után mozgassa a barna háromszög kurzort a kívánt helyre, a két diagramban a két kurzor együtt mozog. Mozgatás közben a képernyőn megjelenik a hullámfüggvény és a tartózkodási sűrűségfüggvény aktuális értéke. 3. A tartózkodási sűrűségfüggvény értékének meghatározása két pont között: Kattintson rá és húzza a két zöld háromszög kurzort arra a két pontra, amit vizsgálni kíván! A program meghatározza a két pont közötti tartózkodási valószínűséget, ez az érték egy szöveg dobozban jelenik meg. Mérési feladatok: Végezze el a fenti feladatokat többféle hullámfüggvény esetén! Jegyezze fel az adatokat! 6. gyakorlat 1
2. A hidrogén spektruma. ( Hydrogen Spectroscopy ) A hidrogén spektrumának és hozzátartozó energia szintek meghatározása. A program indítása: kattintson az Hydrogen Spectroscopy ikonra! 1. A hidrogén gáz valóságos spektrumának vizsgálata. A hidrogén gázcső automatikusan beugrik a képernyő bal oldalán található gázlámpa csatlakozóba. A képernyő jobb oldalán megjelenik a hidrogén gáz spektruma. Négy spektrumvonal a látható fény tartományában színesen látszik. Az ibolyántúli és az infravörös spektrumvonalak pedig szürkék. 2. Készítsen és változtasson energiaszinteket! Az Add Energy Level (energiaszint hozzáadása) gombra kattintva elhelyezhet új energiaszintet. Az új energiaszint változtatható az egérrel a szintre kattintva és függőlegesen elhúzva azt. 3. Átmenet létrehozása két energiaszint között. Kattintson a függőleges skála jobb oldalán az egyik energiaszintre, és húzza a gombot nyomva tartva az egeret egy alacsonyabb energiaszintre, csak akkor engedje el a gombot, amikor az alsó szint zöldé válik. Ekkor a próba spektrum skálán megjelenik az átmenethez tartozó spektrumvonal. 4. Használja a zoom műveletet! A képernyő jobb oldalán az alsó spektrumablak alatt van a zoom skála. Egy sárga téglalap keret a skálát, és mutatja a az ablakban látható spektrum részletet. Az egérrel a téglalap jobb vagy bal oldalára kattintva és húzva azt,újra méretezhető a skála mindkét spektrum ablakban. 5. Energiaszintek és átmenetek törlése. Válassza ki a törlendő energiaszintet vagy átmenetet, mutasson rá a kurzorral és kattintson rá! Sárga négyszög jelenik meg a kiválasztott objektum körül. A billentyűzet delete (törlés) gombjával törölhető az objektum. A Clear All gomb megnyomása valamennyi szintet és átmenetet töröl. 6. gyakorlat 2
Mérési feladatok: Készítsen el egy a hidrogén spektrumához rendelhető energia szintvonal rendszert. Mérje meg a hidrogén spektrumához tartozó energiaszinteket! 3. Lézerdióda készítése. (Diode Laser ) A szilárd testek sávszerkezetének megjelenítése, az energiasávok szélességének és egymástól való távolságának hatása az emissziós jelenségekre. A program indítása: Kattintson az Diode Laser ikonra! 1. Készítsen vezetési és vegyértéksávot, változtassa azokat! Kattintson az energia diagramban található Create Ground State Band (készítsen alap energia sávot) gombra! A vegyértéksáv megjelenik a diagramon. A baloldali oszlop a p szennyezettségű, a jobboldali az n szennyezettségű kristály darab. Ezután kattintson a Create Excited State Band (készítsen gerjesztett energia sávot) gombra! A vezetési sáv megjelenik a diagramon. Az egérrel bármelyik sávra rákattintva és elhúzva beállítható a kívánt sávszerkezet. 2. Készítse el a dióda sávszerkezetet! Kattintson az energia diagramban található Create Built in Voltage (készítse el a sávszerkezet energia eltolását) gombra! Ezután kattintson a a diagram jobb oldalán található valamelyik sávra és függőlegesen mozgassa lefelé a kívánt energia különbségig! Ez a művelet a két oldal különböző adalékolásának a következményét jeleníti meg, a baloldal p típusú, akceptor, a jobb oldali n típusú, donor adalékolású. A jobb oldali energia sávok az adalékolás következtében alacsonyabb energia értéken vannak. 3. Állítsa be a bemenő energia értéket! Húzza az Input Energy (bemeneti energia) csúszkát jobbra, így növeli a bemeneti energiát, vele együtt mozog a jobboldali energia sáv szerkezet. A csúszkát addig mozgassa, amíg a két oldal energia értékei azonosak nem lesznek! Ekkor elindul a dióda fény kibocsátása. 6. gyakorlat 3
Mérési feladat: Készítsen olyan diódát, amely a mérésvezető oktató által meghatározott fényt bocsát ki! Jegyezze fel a beállítási jellemzőket! színű 4. Franck-Hertz kísérlet. (Franck-Hertz Experiment) A Bohr-féle posztulátumokat alátámasztó Franck-Hertz féle kísérlet bemutatása két különböző gázzal/gőzzel töltött elektroncső felhasználásával A program indítása: Kattintson az Franck-Hertz Experiment ikonra! 1. Higanygőzzel töltött elektroncső vizsgálata. A képernyő tetején látható a működő kapcsolás, alatta baloldalon egy anódáramrácsfeszültség diagram található. A program, ha a diagram alatt lévő Plot jelű négyzetbe X teszünk, automatikusan rajzolja az anódáram-rácsfeszültség kapcsolatot. A kapcsolásban elhelyezett műszerek a mért mennyiség aktuális értékét jelzik. A képernyő jobboldalán a töltő gáz kiválasztása lehetséges. Választhat neon (neon) és mercury (higanygőz) között, a megfelelő körbe kattintással elhelyezett ponttal. Az oldalon két csúszkát is talál, a felső a katód fűtőfeszültségét Filament Voltage állítja, az alsó a rácsfeszültséget Grid Voltage. Mérési feladatok: 1. Mérési feladat: Állítson be a higanygőz töltőgázt! Állítson be 2,5V; 5V; 10V fűtőfeszültséget! Vegye fel minden beállításhoz az anódáram-rácsfeszültség görbét a műszerek által mutatott értékek alapján! (10 mérési pontban)! A mért értékeket felhasználva próbálja megrajzolni a gáztöltés nélküli elektroncső karakterisztikáját! Korábbi tanulmányok alapján! Rajzolja be ugyanebbe a diagramba a tényleges, mért karakterisztikát! 6. gyakorlat 4
Vizsgálja meg a különbséget, adja meg a különbség okát! A görbe letörési pontjainál a csőben milyen jelenséget figyel meg? Mi az áram jelentős csökkenésének az oka? Az egyes beállított mérési pontokban figyelje meg és írja le az elektronok mozgását! A fenti mérési eredményeket felhasználva határozza meg a letörési pont előtt az anódáram és fűtőfeszültség kapcsolatát! 2. Mérési feladat: Állítsa be a neon töltőgázt! Végezze el az 1.-es pontban leírt mérési feladatokat! Végezze el a mérés kiértékelését a fentiek szerint! Magyarázza meg a két mérés eredményeiben látható különbséget! 5. A Zeeman hatás kimutatása. (Zeeman Spectroscopy) A mágneses kvantumszámok bevezetését indokló Zeeman-hatás kísérleti bemutatása. A program indítása: kattintson az Zeeman Spectroscopy ikonra! 1. Energia szintek készítése és változtatása, A 6p energia szintet az Add Energy Level 6p, a 7s energia szintet az Add Energy Level 7s gomb megnyomásával végezheti el. A két szintvonal megjelenése után az átugrás automatikusan megjelenik. 2. A spektrum megtekintése és beállítása. A vizsgáló berendezés egy higanygőz lámpát, egy változtatható elektromágnest, egy optikai lencsét, egy zöld sávszűrőt és egy Fabry-Perot etalont tartalmaz. A lámpa és a spektroszkóp között zöld sávszűrő található, tehát a vizsgálat csak zöld fény kibocsátásakor végezhető, ezért az energia- szintvonalakat, úgy kell beállítani, hogy az átugráshoz tartozó emittált fény zöld legyen! Az energiavonalra álláskor a kurzor párhuzamos vonalakká alakul, ekkor rákattintással és húzással függőlegesen mozgatható. Az alsó spektrum skálán látható a változás. A felső skála zöld 6. gyakorlat 5
spektrumvonala (Fabry-Perot etalon vonala) alá állítsa a tényleges spektrumvonalat! 3. A mágneses mező változtatása. A mágneses tér indukcióját, amelyben a fényt emittáló higanygőz lámpát elhelyeztük, egy csúszka segítségével 0T és 10T között lehet állítani. A változó mágneses tér hatása a spektrum ablakokban megfigyelhető. 4. A zoom funkció használata. A spektrum ablakok alatt található a zoom/un-zoom gomb. A gombot megnyomva a -, és a + jel változik, ha a - jel látszik, akkor a spektrum kinagyított. 5. A polarizátor használata. Két polarizáló film helyezhető be a kibocsátott fény útjába, az egyik párhuzamos (Paralel to E), a másik merőleges (Perpendicular to E) az E-re. A polarizátor használata nélkül (No Polaroid) a mágneses tér hatására az eredetileg egy vonal kilenc vonallá válik szét. A párhuzamos polarizátoron való áthaladás után három vonal, a merőleges polarizátor után 6 vonal látszik. Mérési feladat: Állítson be olyan energia szinteket, ahol a higanytöltésű lámpa éppen a megfelelő zöld fényt bocsátja ki. A polarizátor használata nélkül mérje meg 2,5T, 5T, 7,5T és 10T mágneses indukciónál a szétváló spektrum vonalak energiáját és hullámhosszát! Kapcsolja be a párhuzamos polarizátort és mérje meg 2,5T, 5T, 7,5T és 10T mágneses indukciónál a szétváló spektrum vonalak energiáját és hullámhosszát! Kapcsolja be a merőleges polarizátort és mérje meg 2,5T, 5T, 7,5T és 10T mágneses indukciónál a szétváló spektrum vonalak energiáját és hullámhosszát! Magyarázza meg a jelenséget! 6. Hélium-neon lézer. (Helium-Neon Laser) A Hélium-neon lézer kísérleti bemutatása. A program indítása: Kattintson az Helium-Neon Laser ikonra! 6. gyakorlat 6
1. A hélium és a neon gerjesztett és metastabil sávjainak kialakítása. Kattintson a "Create He Excited State Band" (a hélium gerjesztett sávjának készítése) gombra, és megjelenik a baloldalon (a hélium oldalán) két energiasáv. Ezután kattintson a "Create Ne Excited State Band" (a neon gerjesztett sávjának készítése) gombra, és megjelenik a jobboldalon (a neon oldalán) két gerjesztett energiasáv. Majd kattintson a "Create Ne Metastable State Band" gombra, és megjelenik a jobboldalon (a neon oldalán) két átmeneti energiasáv. 2. Változtassa a pumpálási energiát! Növelje a pumpálási spektrumot az ablak bal alsó részén található Pumping Spectrum (pumpálási spektrum) csúszkával, addig míg a pumpálási energia nagyobb nem lesz a hélium magasabbik energiasávjánál. Ezután kattintson a Turn on Pumping Energy (a pumpáló energia bekapcsolása) gombra! Figyelje meg az energiaszint átmeneteket a hélium és neon energiaszintjei között! Először az elektronok a hélium gerjesztetlen energiaszintjéről a két látható gerjesztett szintjére ugranak fel a pumpálás hatására. Az átugrást két fekete folytonos vonal jelzi. Egy animáció mutatja a hélium és neon atom közti energia átadást, amint a két atom ütközik egymással. Az átmenetet a diagramon. sárga nyíl mutatja. A neon atom gerjesztet energia szintjéről az átmeneti sávra való átugrást szaggatott vonalas nyíl mutatja, ekkor jön létre a látható fény tartományába eső fény kibocsátás indukált emisszióval, az átugráshoz tartozó szimulált fény spektruma a Simulated Output Spectrum ablakban jelenik meg. A gerjesztetlen állapotot egy újabb átugrás során érik el az elektronok, ezt ismét folytonos nyíl jelzi. 3. Illesszen próbaspektrum vonalakat az aktuális spektrumhoz! Készítsen a 2-es pont szerint egy hélium-neon lézert! Kattintson az Edit Properties (a jellemzők szerkesztése) gombra! Ha a kurzort a neon oldalára vezeti, és az energiasávok valamelyikére viszi, a kurzor kézzé válik, és az egér bal gombját lenyomva az energiasáv függőlegesen mozgatható. Állítson be egy új sávszerkezetet és indítsa el a folyamatot újra! Figyelje meg az új sugárzási spektrumot! Mérési feladat: Készítse el az aktuális sugárzási spektrumot létrehozó energiasáv szerkezetet! Jegyezze fel a sávszerkezet jellemzőit! 6. gyakorlat 7