Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,969

НОВАЦИИ В МОДЕЛИРОВАНИИ ФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ КВАНТОВОЙ ОПТИКИ

Коваленко В.В. 1 Невский С.А. 1
1 ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет»
В работе рассматриваются состояние, проблемы и вопросы развития современного естественно – научного образования. На основе постоянно совершенствующихся направлений проведения физического эксперимента предложены актуализированные методы изучения квантовых явлений – фотоэлектрического эффекта – с количественной интерпретацией результатов тестирующего лабораторного эксперимента, адаптированные для студентов младших курсов. Несмотря на сложившиеся традиции изучения внешнего фотоэлектрического эффекта, обычно связанного с облучением квантами света поверхности металлов, в результате апробации новых лабораторных установок были получены результаты, хорошо согласуемые с известными литературными данными, при использовании полупроводникового фотоэлемента типа на основе сурьмяно-цезиевого катода (Cs3Sb). Представлены графические зависимости в координатах «фототок-напряжение» (вольт-амперная характеристика) для различных цветовых светофильтров, соответствующих разным значениям длин волн, по которым определены численные значения запирающего напряжения и фототока насыщения. По данным вольт-амперных характеристик построены графические зависимости в координатах «модуль задерживающего напряжения-частота света» и измерено численное значение постоянной Планка, а также по данным зависимости «фототок-длина волны света» получено численное значение красной границы фотоэффекта. На основе применения современных методов статистической обработки экспериментальных данных получены численные значения фундаментальных физических констант, весьма хорошо согласующихся с известными литературными данными.
фотоэлектрический эффект
квантовая оптика
фотон
1. Савельев И.В. Курс общей физики. – СПб.: Лань, 2007. – Т.5. – 327 с.
2. Иродов И.Е. Квантовая физика. – М.: Физматлит, 2002. – 271 с.
3. Барсукова К.А. Лабораторный практикум по физике: Учебное пособие для студентов вузов / К.А. Барсукова, Ю.И. Уханов. – М.: Высшая школа, 1988. – 350 с.

Физика – наука, составляющая фундамент естественнонаучного образования и теоретического мышления будущих специалистов. Известный физик – академик Л.А. Арцимович довольно лаконично и образно определил знание физической науки для человечества, подчеркивая ее мировоззренческий и политехнический характер: «Современная физика – это своего рода двуликий Янус. С одной стороны – это наука с горящим взором, которая стремится проникнуть вглубь великих законов материального мира. С другой стороны – это фундамент новой техники, мастерская смелых технических идей, опора и движущая сила непрерывного индустриального прогресса». Вместе с тем, колоссальный объем знаний, накопленный физикой сегодня, делает задачу обучения необычайно трудной. В этих условиях единственный путь решения – интенсификация процесса обучения на основе исключения дублирующего среднюю школу материала, приближение учебного курса физики к действительному содержанию её как науки, модернизация и структурирование программы, использование достижений современных технологий обучения. Обучение может быть признано успешным, если обучаемый активно овладел комплексом базовых стандартных физических моделей; конструктивно ими пользуется, раскрывая механизмы физических явлений и структуры физических объектов; владеет культурой физического мышления.

Глубокий и прочный фундамент из естественных дисциплин, таких как физика, способность к самообучению, развитие навыков исследовательской деятельности позволяют будущим выпускникам постоянно пополнять багаж знаний и умений в течение всего периода творческого совершенствования. При изучении различных физических величин, явлений и процессов (объектов) приходится создавать упрощенные модели этих объектов, позволяющие выполнить их количественный или качественный анализ. Стоит помнить, что фактически все существующие теории являют собой модельные представления реального окружающего мира, а сам процесс познания сводится к анализу различных моделей и сравнению полученных результатов с реальной действительностью. Отмеченные факты предполагают поиск возможностей решения различного уровня физических задач через виртуализацию реальности физического макро- и микромира в форме проведения лабораторного практикума со студентами 1 курса инженерных специальностей, профилей бакалавриата. Следует констатировать, что такая в течение многих лет складывавшаяся традиция реализации учебного процесса в системе высшего политехнического образования была и остается потенциальной и наиболее значимой, результативной компонентой естественнонаучной, общей профессиональной и специальной подготовки в области техники и технологий.

Не секрет тот факт, что в течение многих лет обновление лабораторной базы не носило перманентного характера; она катастрофически устарела и сегодня требует серьезной модернизации. Сказанное позволяет конкретизировать направления развития технического сопровождения студенческого лабораторного практикума:

• модернизация и использование действующего лабораторного оборудования и отдельных комплексов и установок;

• широкое внедрение информатизации (IT-технологий) через использование как виртуальных, так и совмещенных с реальными установками лабораторные комплексы.

Анализ рынка (если можно этот термин применять для рассматриваемой в статье проблемы) продаж лабораторного оборудования выявил успешно работающие в этой сфере компании и организации (НПО и РНПО) «Роснаучприбор», НПО Учебной техники «ТулаНаучПрибор», «Владис», немецкая фирма «PHYWE» и др. Развитие второго, выше обозначенного, направления предполагает применение широкого спектра типовых комплектов учебного оборудования, технических средств обучения таких как Excel, Mathcad, Matlab и др.

Цель исследования: изучение явления внешнего фотоэлектрического эффекта при проведении лабораторного эксперимента в аспекте новых методов.

Большой педагогический опыт сотрудников кафедры Сибирского государственного индустриального университета, отмечающей в 2010 году 80-летие со дня образования, вносит весомую лепту в это направление. Авторами настоящей публикации в последнее время разработаны в духе современных взглядов методические пособия по использованию в практической работе методов исследования физических явлений, процессов и законов, измерения фундаментальных физических величин и обработке данных эксперимента раздела физики «Квантовая оптика». Рассмотрим основные результаты тестирующих измерений величин и оценки их эквивалентности табличным значениям, выполненные при изучении явлений внешнего фотоэлектрического эффекта и поглощательной способности вольфрама.

Материалы и методы исследования

Установка (рис. 1), разработанная НПО «ТулаНаучПрибор» и внедрённая в учебный процесс на кафедре физики СибГИУ для изучения явления внешнего фотоэффекта представлена в виде блока облучения (1), содержащего светодиоды, фотоприемник (2) с фотоэлементом СЦВ-3 на основе сурьмяно-цезиевого (Cs3Sb) катода; блок измерения (3) со специально настроенной чувствительной схемой усиления слабых фототоков; два универсальных мультиметра с цифровым отображением результатов измерений напряжения на фотоэлементе на индикаторном устройстве.

В качестве источника монохроматического излучения применяется светоизлучающий модуль (1), содержащий 5 узкополосных источников (светодиодов с узкой спектральной характеристикой с наличием ярко выраженного максимума при определенной длине волны света. Параметры длин волн варьируются в интервале λ=(420-660) нм и отображаются на жидкокристаллическом дисплее корпуса установки. Основное отличие ранее апробированных установок состоит в том, что вся измерительно-преобразующая система работает в автоматическом режиме и помещена в компактный металлический кожух с целью нивелирования доминирующего влияния внешних энергетических воздействий (полей разной природы). Такая установка является более универсальной с точки зрения реализации одновременной фиксации, регистрации результатов измерений и применения дублирующих независимых методов оценки постоянной Планка, работы выхода электронов из материала фотокатода и красной границы фотоэффекта.

koval1.tif

Рис. 1. Схема экспериментальной установки для изучения явления внешнего
фотоэлектрического эффекта

Результаты исследования
и их обсуждение

Реальные временные трудозатраты по проведению лабораторного эксперимента составляют 6 академических часов, в течение которых студенту предлагается решить несколько задач:

• качественное изучение фотоэффекта;

• построение составляющих – прямой и обратной ветвей – вольтамперной характеристики для различных частот (длин волн) падающего полихроматического излучения;

• построение зависимостей «задерживающая разность потенциалов – линейная частота» и «фототок-длина волны»;

• определение значения постоянной Планка и ее сравнение с известным табличным значением;

• определение красной границы фотоэффекта и работы выхода электронов из металла катода и сравнение их с известными значениями.

Практическая реализация поставленных задач с использованием предлагаемой методики является во многом новаторской в работе со студентами и с точки зрения современности, и технологичности используемого оборудования, и с точки зрения методик количественного описания наблюдаемых результатов.

Известные типовые зависимости «напряжение – сила тока», вольт-амперные характеристики (ВАХ) изображаются графически в виде монотонных плавных кривых, состоящих из двух ветвей – прямой, лежащей в положительной полуплоскости декартовой системы координат, и обратной – в отрицательной полуплоскости (рис. 2, 3) [1, 2]. Такая форма ВАХ соответствует двум режимам измерений – при прямом и обратном подключении электродов фотоэлемента. Поэтому построение интегральной зависимости ВАХ в работе не предполагается. Получение реальной обратной ветви для четырех различных длин волн приводит к возможности нахождения задерживающей разности потенциалов (рис. 4), при которой фотоэффект прекращается. При этом увеличение напряжения на катоде сопровождается уменьшением тока, который при достижении нуля изменяет направление и растет по модулю с постепенным выходом кривой на насыщение. Такой интересный факт объясняется действием механизма эмиссии электронов с анода под действием рассеянного в фотоэлементе света. Можно говорить о работе двух подключенных антипараллельно основного и побочного фотоэлементов, индуцирующих фотоэлектрический ток, представляющий собой «суперпозицию» антинаправленных токов. Таким образом, значение модуля задерживающей разности потенциалов (Uз) будет определяться не в точках, где Iфото=0 (традиционный подход), а там, где кривая переходит в участок со слабым наклоном (рис.5) для отдельных значений длин полихроматической волны, что устанавливается в реальном эксперименте.

koval2.tif

Рис. 2. Вольт-амперные характеристики фотоэлемента при различных значениях
светового потока

koval3.tif

Рис. 3. Вольт-амперные характеристики фотоэлемента при различных значениях частоты падающего излучения

koval4.tif

Рис.4. Изображение обратной ветви ВАХ

koval5.wmf

Рис. 5. Фрагмент графической зависимости
«напряжение на фотоэлементе – сила фототока (обратной ветви ВАХ),
полученной при тестировании установки по изучению явления внешнего фотоэффекта

Для полноценной интерпретации явления фотоэлектрического эффекта, особенно, в случаях его исследования в условиях облучения фотоэлемента электромагнитными волнами различной частоты (длины волны) и различной интенсивности светового потока, необходимо получать отдельную зависимость «сила фототока – напряжение» – прямую ветвь ВАХ (рис. 6). Именно раздельное рассмотрение и анализ вида кривых распределения способствует понять, когда, в какой момент фототок, достигая насыщения (выхода на стабильные значения), сигнализирует о достижении и прекращении процесса вырывания фотоэлектронов с поверхности катода в независимости от значений интенсивности падающего излучения.

Сложившаяся за многие годы вузовская практика изучения явлений квантовой физики, таких как внешний фотоэффект, предполагает идентификацию количественных параметров, входящих в уравнение А. Эйнштейна (1) и следствия из него (2): постоянная М.Планка, работа выхода электронов из металла, граничная частота – красная граница фотоэффекта, задерживающая разность потенциалов [1, 2].

koval6.wmf

Рис. 6. Прямая ветвь ВАХ – зависимости «сила фототока – напряжение», полученная в реальном лабораторном эксперименте при изучении явления внешнего фотоэффекта

Следует отметить, что описанный выше современный формат выполнения лабораторного эксперимента в этом смысле является классическим [3], но одновременно предоставляющим широкие возможности более глубокого осмысления получаемых результатов как на качественном, так и количественном уровнях, на основе сопоставления данных независимых экспериментов. Предлагаемые методы складываются из процессов построения зависимости «задерживающая разность потенциалов – частота света» и кривой спектральной чувствительности материала фотокатода «фототок – длина волны света».

Полученные графические данные
(рис. 7 и 8), проведенные на их основе тестирующие оценки параметров фотоэффекта, полученные при первичном анализе результатов эксперимента, дают их значения с достаточно высокой точностью относительно известных табличных данных.

kov1.wmf

koval7.tiff

Рис. 7. Зависимость задерживающей разности потенциалов от частоты света

Для более точных оценок значений работы выхода электронов, минимальной частоты (максимальной длины волны) света, падающего на фотокатод фотоэлемента, постоянной М.Планка методика предполагает применение метода наименьших квадратов для прямопропорциональной зависимости (рис. 7) [3].

koval8.tiff

Рис. 8. Кривая спектральной чувствительности – зависимость фототока
от напряжения на фотоэлементе

Так, значение постоянной М. Планка оценивается в соответствии с уравнением А. Эйнштейна (3) из соотношения (4):

kov2.wmf (3)

kov3.wmf (4)

где Uз – задерживающая разность потенциалов, h – постоянная М. Планка, e – элементарный электрический заряд (заряд электрона), ω – циклическая частота света, Авых. – работа выхода электронов из материала фотокатода.

Работа выхода электронов оценивается по зависимости (5):

kov4.wmf (5)

Таким образом, комплекс современных методик моделирования квантово-оптических явлений и интерпретации количественных данных лабораторного эксперимента по их изучению позволяет получать достоверные результаты фундаментальных закономерностей и характеристик квантового фотоэлектрического эффекта.

Заключение

XXI столетие сегодня открывает перед всеми жителями нашей планеты необъятные возможности, серьёзные перспективы для более глубокого понимания сущности окружающего нас мироздания. Несомненно, именно физическая наука, являющаяся беспрекословным фундаментом в его изучении и сформулированная великим русским мыслителем, талантливым учёным М.В.Ломоносовым как наука о природе, позволяет наиболее полно ощутить всю её гармонию. Э.Резерфорд недвусмысленно разделил все науки на Земле «на физику и коллекционирование марок», тем самым подтверждая величественность и красоту физики. Без постороннего пафоса следует понимать, что педагогическое сообщество должно отдавать себе отчёт в том, что, несмотря на все общественно-политические и финансово-экономические перипетии, неестественным путем иногда дискредитирующие фундаментальность, традиции, незыблемые устои и принципы естественнонаучного познания мира, оно превращается тем самым в невольных апологетов физической науки, порой забывающих о своём профессиональном предназначении – обучении и воспитании специалиста, человека, гражданина. Преподаватели бывают разными, методики обучения разнообразными, качественными и некачественными, но всегда важно помнить, что каждый новый этап в профессиональной деятельности педагога, учёного предполагает его совершенствование, развитие через расширение своего научного кругозора, внедрение новых технологий обучения, образования, познания окружающего мира. Поэтому обучение, с нашей точки зрения, естественным наукам (физике) с широким применением современных технологий (информационных, компьютерных) должно способствовать более интенсивному процессу интеллектуального, духовного, эстетического роста молодого человека (студента). В связи с этим изложенные тезисы в настоящей статье могут восприниматься как попытка некоторого осмысления и обобщения опыта педагогической деятельности сотрудников коллектива кафедры физики одного из крупнейших вузов политехнического профиля в части применения современных технологий физического образования одного из интереснейших разделов физики – квантовой оптики.


Библиографическая ссылка

Коваленко В.В., Невский С.А. НОВАЦИИ В МОДЕЛИРОВАНИИ ФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ КВАНТОВОЙ ОПТИКИ // Современные наукоемкие технологии. – 2013. – № 12. – С. 75-82;
URL: http://www.top-technologies.ru/ru/article/view?id=33601 (дата обращения: 21.05.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252