Описание эксперимента

Лабораторная работа № 2
НЕДЕЛИМОСТЬ ФОТОНОВ
(КОМПЬЮТЕРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ
С ПОЛУПРОЗРАЧНЫМ ЗЕРКАЛОМ)
Цель работы: выяснить, можно ли расщепить фотон.
Описание установки и постановка задачи
Схема лабораторной установки представлена на рис. 5. Фотоны,
испускаемые источником света, проходят через щель и попадают на
полупрозрачное зеркало, расположенное под углом 45 к направлению
первоначального пучка. В случае большой интенсивности света I
полупрозрачное зеркало делит падающий на него пучок света на два пучка
равной интенсивности. Один проходит через зеркало прямо, другой
отражается от зеркала вверх (рис. 5).
Рис. 5
Пучки регистрируются фотоэлементами 1 и 2, соединенными с
измерительными приборами. Измерительными приборами служат: в случае
большой интенсивности – микроамперметры, а в случае режима одиночных
фотонов – счетчики фотонов. Перейти в режим одиночных фотонов можно,
уменьшая интенсивность света до таких значений, когда фотоны проходят
через экспериментальную установку поодиночке.
Возникает вопрос, можно ли с помощью полупрозрачного зеркала
расщепить каждый фотон с энергией h на две части, подобно тому, как
расщепляется интенсивный пучок света.
Логически возможны две ситуации. Первая формулируется так.
Если фотон представляет собой электромагнитную волну, то он должен
делиться пополам. Ведь с классической точки зрения энергия
электромагнитной волны делится пополам с помощью полупрозрачного
зеркала. При выполнении условия A  h  2A , где A – работа выхода,
фотоэлементы 1 и 2 и связанные с ними счетчики не должны срабатывать.
Если h  2A , то от одного фотона могут сработать одновременно оба
фотоэлемента.
Другой логически возможный вариант: фотон не делится
полупрозрачным зеркалом, он либо проходит через него, либо отражается от
него. Тогда будет срабатывать либо счетчик 1, либо счетчик 2. Выбор
между этими логически возможными ситуациями можно сделать лишь на
основе данных поставленного с этой целью эксперимента.
Описание эксперимента
Эксперимент с полупрозрачным зеркалом заключается в следующем.
1. Вначале необходимо отградуировать измерительный прибор, убрав
полупрозрачное зеркало. В случае интенсивных пучков измерительным
прибором служит фотоэлемент, который работает в режиме тока насыщения
(см. лабораторную работу № 1). Согласно закону Столетова, фототок
насыщения i нас пропорционален интенсивности падающего на него света I :
iнас  k e I ,
где k e – коэффициент пропорциональности, зависящий от конструкции
прибора. Выясним, чему он равен для нашего прибора. Для этого зададим
интенсивность, измерим фототок i , равный i нас и найдем отношение:
I
(2.1)
ke  .
i
Это нужно сделать для пучков разной интенсивности и найти среднее
значение  k e  .
Затем необходимо выяснить, какова чувствительность измерительного
прибора, и в каких пределах он может работать. Для этого нужно уменьшать
интенсивность в тысячу и более раз. При очень малых интенсивностях
показания измерительного прибора могут оказаться равными его
погрешности, поэтому при вычислении среднего значения коэффициента
 k e  не нужно учитывать такие измерения.
2. После проведения градуировки измерительного прибора следует
проверить, делятся ли пополам с помощью полупрозрачного зеркала
интенсивные пучки, замерить фототок микроамперметрами 1 и 2, рассчитать
интенсивности
i
(13)
I1  1 ;
ke
i
(14)
I2  2 .
ke
Сравнить между собой I1 и I 2 . Следует помнить, что существует
погрешность измерительных приборов, которая может оказать решающее
влияние на показания приборов при малой интенсивности пучков.
3. Отградуировав измерительный прибор и полупрозрачное зеркало,
необходимо переходить к выполнению основной задачи, т. е. к выяснению
того, делим или неделим фотон.