Установка для проверки соотношения неопределенностей для фотонов

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОВЕРКИ СООТНОШЕНИЯ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЕЙ ДЛЯ ФОТОНОВ(71) Заявитель Учреждение образования Брестский государственный университет имени А.С.Пушкина(72) Авторы Косарев Валерий Михайлович Супрунюк Анна Евтихиевна(73) Патентообладатель Учреждение образования Брестский государственный университет имени А.С.Пушкина(57) Установка для проверки соотношения неопределенностей для фотонов, содержащая лазерный источник света, узкую щель, экран, отличающаяся тем, что в качестве источника света используется полупроводниковый лазер, а узкие щели с фиксированными значениями их ширины в интервале от 10 до 100 мкм установлены в диафрагме револьверного типа.(56) 1. Александров В.Н., Бирюков С.В., Васильева И.А. и др. Лабораторный практикум по общей и экспериментальной физике Учеб. пособие для студ. высш. пед. учеб. заведений / Под ред. Е.М. Гершензона и А.Н. Мансурова. - М. Издательский центр Академия,2004. - 464 с. 2. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. Вып. . - М. Мир, 1965. - 238 с. Установка для проверки соотношения неопределенностей для фотонов предназначена для использования ее в учебном процессе высших учебных заведений в лабораторном практикуме по общей физике (раздел Квантовая физика). Существует аналог предлагаемой модели 1, с. 292. В нем в качестве источника монохроматического излучения используется гелий-неоновый лазер, а в качестве узкой щели- щель, ширина которой может изменяться плавно с помощью микровинта. Эта модель имеет существенные недостатки. Во-первых, гелий-неоновый лазер - это дорогой прибор,89722013.02.28 имеющий большие размеры (десятки сантиметров), даже при минимальных мощностях потребляющий много (десятки ватт) электроэнергии. Во-вторых, щель с плавно изменяющейся с помощью микровинта шириной - это также дорогое устройство. Задача, решаемая при создании данной полезной модели, заключается в создании установки для проверки соотношения неопределенностей для фотонов, не требующей больших материальных затрат, компактной, энергосберегающей, позволяющей проводить измерения с достаточной для учебно-лабораторного практикума точностью. Для выполнения изложенных выше требований была изготовлена установка для проверки соотношения неопределенностей для фотонов, содержащая лазерный источник света, узкую щель, экран, отличающаяся тем, что в качестве источника света используется полупроводниковый лазер, а узкие щели с фиксированными значениями их ширины в интервале от 10 до 100 мкм установлены в диафрагме револьверного типа. В нашей установке в качестве источника квазимонохроматического света используется полупроводниковый лазер в виде лазерной указки или брелока, потребляемая мощность которого составляет всего около 140 мВт. Мощность излучаемого светового пучка 5 мВт, длина волны света - 650 нм. Изготовлены узкие щели разной ширины в количестве шести штук. Калибровка ширины щелей осуществлена с точностью 1 мкм. Щели закреплены в круглую диафрагму револьверного типа, что позволяет ставить любую из них на пути лазерного пучка. Дифракционную картину на узкой щели наблюдали на экране из матового стекла на просвет. На фиг. 1, 2 и 3 показаны оптическая схема предлагаемой установки, фотография этой установки и распределение интенсивности дифрагированного на узкой щели светового пучка, наблюдаемое на экране. На фиг. 1 изображена оптическая схема предлагаемой установки для проверки соотношения неопределенностей для фотонов 1 - полупроводниковый лазер, 2 - узкая щель,на которой происходит дифракция лазерного светового пучка, 3 - экран в виде матового стекла, на котором наблюдается дифракционная картина. На фиг. 2 представлена фотография этой установки 1 - корпус полупроводникового лазера, 4 - блок питания лазера, 5 - круглая диафрагма револьверного типа, в отверстиях которой закреплены узкие щели 2, 3 - экран из матового стекла в оправе. На фиг. 3 представлено распределение интенсивности дифрагированного на узкой щели 2 лазерного светового пучка, наблюдаемое на экране 3- расстояние от узкой щели 2 до экрана 3,- полуширина главного дифракционного максимума. Соотношение неопределенностей является одним из фундаментальных принципов современной физики. Для квантовых частиц его можно сформулировать следующим образом. Неопределенность координаты частицыи неопределенность проекции ее импульса на то же направлениедолжны удовлетворять соотношению 2,(1) 2 где- постоянная Планка. Проявлением принципа неопределенностей в оптике может служить явление дифракции света. Действительно, при ограничении поперечных размеров светового пучка щелью ширинойнеопределенность координаты фотонов , из которых состоит пучок, равна ширине этой щели, т.е.. Тогда будет отличной от нуля и неопределенность проекции импульса фотонов вдоль направления, перпендикулярного щели. Т.е. в диафрагмированном излучении будут присутствовать фотоны, которые движутся не только в прежнем направлении, но и под некоторым угломк нему (фиг. 3). Проекция импульсатаких фотонов на направление, перпендикулярное направлению первоначального пучка, будет равна. Если учесть, что при дифракции основная доля излучения будет сосредоточена в диапазоне углов от - до , то неопределенность импульса будет составлять 2 где- длина волны света. С учетом малости угла , определяющего направление на первый дифракционный ми нимум в дифракционной картине,, где- полуширина главного дифракционного максимума,- расстояние от щели до экрана (см. фиг. 3). Тогда из формулы (2) получим 4 Для проверки применимости предлагаемой модели для проверки соотношения неопределенностей для фотонов, содержащей лазерный источник света 1, узкую щель 2,экран 3 (см. фиг. 1), и оценки полученной точности были проделаны следующие действия. От блока питания 4 подали напряжение питания 4,5 В на полупроводниковый лазер 1. Узкие щели 2 в количестве шести штук с фиксированными значениями их ширины в интервале от 10 до 100 мкм установлены в диафрагме револьверного типа 5 (см. фиг. 2). На пути выходящего из полупроводникового лазера 1 светового пучка ставили последовательно узкие щели 2 разной ширины , каждый раз измеряли полуширинуцентрального дифракционного максимума, наблюдаемого на матовом экране 3 (см. фиг. 3). Измеренияпоказали, что для шести щелей с разными значениямивеличина(65430 )10 9 м. Относительная погрешность измерепрактически не зависит оти всегда больше 4 ний не превышает 5 . Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4