Способы получения когерентных волн.

Принцип получения.

Для получения когерентных волн необходимо взять один источник и идущую от него световую волну разделить на две части, которые затем заставить встретиться. Эти волны будут когерентны, т.к. будут принадлежать к одному и тому же моменту излучения, поэтому . .

Явления, используемые для разделения световой волны надвое.

1. Явление отражения света (бизеркала Френеля). Рис.4.

2. Явление преломления света (бипризма Френеля). Рис.5.

3. Явление дифракции света.

Это есть отклонение света от прямолинейного распространения при прохождении света через малые отверстия или вблизи непрозрачных препятствий, если их размеры (обоих) d соизмеримы с длиной волны (d~ ). То: Рис.6. – установка Юнга.

Во всех перечисленных случаях реальный источник света был точечным. В реальной жизни свет может быть протяженным – участок неба.

4. , n-показатель преломления пленки.

Возможны два случая:

- h=const, тогда . В этом случае интерференционная картина называется полоса равного наклона.

- h const. Падает параллельный пучок лучей. . -полосы равной толщины.

Установка «кольца Ньютона».

Надо рассматривать интерференционную картину в отраженном и преломленном свете.

Дифракция света.

Отклонение света от прямолинейно распространения, при прохождении света через малые отверстия или вблизи непрозрачных препятствий, если их размеры соизмеримы с длиной волны.

Принцип Гюйгенса-Френеля.

Источник точечный.

Среда однородная и изотропная, т.е. свойства среды по всем направлениям одинаковы.

Пример 1.

Луч перпендикулярен фронту волны.

Вторичные волны являются когерентными, т.к. получены путем разделения волны от одного источника на несколько волн.

По принципу Гюйгенса-Френеля:

1). Действие реального источника света заменяется действием мнимых когерентных источников, которыми каждая точка фронта волны.

2). Результат интенсивности света в любой точке дифракционной картины является результатом взаимной интерференционной вторичных волн, идущих от мнимых когерентных источников.

Вид фронта волны определяет тип волны (в данном случае волна называется сферической).

Дифракция сферических волн называется дифракцией Фринелся (не разбираем).

Пример 2.

Дифракция Фраунгофера (дифракция плоских волн)

Дифракция на щели.

АВ=а ( ) Т.к. по принципу Гюйгенса: каждая точка фронта волн (плоскости цели) является мнимым источником вторичного излучения, и таких точек - бесконечное количество, - то подсчет результата интерференции в этом случае становится статистической задачей. Чтобы задача была решаема, нужно сделать количество мнимых источников конечным. Для этой цели используется методика «зон Френеля»: плоскость щели разбивается на ряд узких полосок, ширина ( ) которых подбирается таким образом, чтобы волны от двух соседних зон приходили в противофазе, а потому взаимокомпенсировали бы друг друга.

Конечный результат интенсивности света в точке Р2 зависит от количества зон Френеля, которые укладываются на ширине щели АВ при данном угле дифракции : если число этих зон четное, то в точке Р2 будет максимум интенсивности света.

Количество зон Френеля определяется шириной участка ВС: если , то число зон четное, следовательно, минимальная интенсивность света. Если , то число зон нечетное, следовательно, максимальная интенсивность света.

- картина симметрична относительно точки Р0.

BC=ABsin

=asin - разность хода волн от зон Френеля.

Дифракционная решетка.

А1В1=А2В2=а; В1А2=b

a+b=d (период решетки или шаг решетки)

- макс. главный; - миним. - Результат интерференции вторичных волн от соседних щелей.

Прежние условия максимума и минимума остаются, но к этим условиям добавляются новые:

Т.к. происходит интерференция волн от соседних щелей: если эти волны придут в одинаковой фазе, то будет максимум, в противофазе – минимум.

DC= =dsin

- макс. главный

- добавочный миним.

Появление добавочных минимумов – максимумы становятся наиболее четкими.

Вопрос 1: сколько углов дифракции может быть? (любое или конечное)

; . Итак: Если на решетку падает белый свет (4000-8000 А), то при одном и том же значении «к» угол дифракции « » для разных « » будет разным, т.е. дифракционная решетка выступает в роли спектрального прибора.

Число различных углов дифракции является конечным, т.к. .

Kmax значение соответствует

ВОПРОС 2: что представляет собой картина на экране в случае дифракционной решетки?

k=0- максимум нулевого порядка.

k=1- максимум первого порядка.

k=2- максимум второго порядка.

Число линий разного цвета будет разным. Больше число относится к линиям фиолетового цвета.

Поляризация света.

-время одного излучения атома (внутренний процесс). Рис.10.

1. Естественный свет представляет собой совокупность (электромагнитных) элементарных световых волн, излучаемых отдельными атомами источников света.

2. В силу хаотичности этих излучений (отдельными атомами) плоскость колебаний результирующего электрического вектора ( ) с течением времени изменяется в пространстве.

3. Поляризовать свет означает сортировку света по определенному единственному направлению вектора .

4. Делается это с помощью поляризаторов, которые делят световую волну на два потока, в которых лежит в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Из поляризатора выходит та часть световой волны, в которой плоскость колебаний вектора Е совпадает с плоскостью пропускания поляризатора. Данная плоскость является таким же свойством поляризатора, как и другие его свойства (показатель преломления вещества, прозрачность, кристаллическая структура).

Схема получения поляризованного света. Рис.11.

Явления, лежащие в основе работы поляризатора.

1. Явление Брюстера. Рис.12.

При определенном угле падения отраженные и преломленные лучи максимально поляризованы в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Открыто Брюстером.

- относительный показатель преломления. .

2. Явление двойного лучепреломления. Рис.13.

Появление необыкновенного луча является следствием анизотропии кристалла: зависимости показателя преломления кристалла от направления распространения луча в кристалле.

Таким свойством обладают прозрачные кристаллы некубической системы (турмалин, кварц).

Оба луча оказываются поляризованными в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Явление двойного лучепреломления используется в приборах – призма Никлоя.

h0>hб. При этом имеет место полное внутреннее отражение. .

Фотоэффект.

Вырывание светом электронов из вещества.

Рассматривается с позиции квантовой теории света, согласно которой свет испускается, распространяется и поглощается отдельными порциями- квантами (фотонами). Энергия фотона .

По закону сохранения энергии:

- уравнение Эйнштейна для фотоэффекта; -работа выхода электрона из металла; -кинетическая энергия вылетевшего электрона.

Следствия:

1. зависит только от энергии падающего фотона (когда V<<C).

2. Количество вылетевших электронов зависит от интенсивности падающего света, т.к. каждый электрон вылетает, поглотив энергию одного фотона.

3. Если , то фигня. Граничные условия для фотоэффекта . Иначе фотоэффект не произойдет.

Значение , вытекающее из этого уравнения соответствует наибольшему значению , при котором возможен фотоэффект. Поэтому это значение есть граничное значение (красная граница) фотоэффекта. Т.к. наибольшее значение в спектре излучения света (видимой части) соответсвтует красному, то это граничное значение получило название красной границы фотоэффекта.

Все названные следствия есть теоретическое объяснение экспериментальных значений Столетова.

Тепловое излучение.

Излучение происходит порциями.

Имеет место при любой температуре, отличной от температуры абсолютного нуля.

В спектре излучения нагретого тела наблюдаются практически все длины волн, но максимум излучения приходится в каждом отдельном случае на определенный диапазон длин волн.

Характеристики ТИ.

1. R_T- энергетическая светимость.Энергия, излучаемая с единицы поверхности во времени во всем диапазоне длин волн.

- интегральная характеристика.

2. - испускательная способность (спектральная плоскость энергетической светимости).Энергия, излучаемая с единицы поверхности во времени в узком (единичном) диапазоне длин волн (в определенной области спектра).

- дифференциальная характеристика.

3. - поглощательная способность (коэффициент поглощения). Показывает, какая доля падающей на тело энергии поглощается телом.

Ф - световой поток.

Ф=R_T*S

=Ф’(поглощенный поток энергии)/ Ф(падающий- весь поток энергии)

=1- абсолютно черное тело.

Закон Кирхгофа.

Утверждает, что отношение двух характеристик теплового излучения r и a не зависит от природы тела и является константой для разных тел, взятых при одной и той же температуре.

- испускательная способность

Для абсолютно черного тела

В 1900г. Макс Планк выдвигает гипотезу, что нагретое (холодное) тело испускает (поглощает) отдельными порциями – квантами.

Исходя из этой гипотезы и применив законы статистики Планк рассчитал . Эта формула получила название «функция Планка для теплового излучения».

График ее выглядит: Рис.1.1

Анализ.

1.площадь S, ограниченная кривой графика: . Если подставить в это выражение значение функции Планка, то , где G=5,76*10^-8 Вт/м²К⁴- константа Стефана-Больцмана. Для серого тела:

R_T=GT⁴ - для абс. черного тела. Этот теоретический вывод Планка совпал с ранее полученным экспериментальным законом Стефана-Больцмана.

2. ; =max

Максимум у относится к , показывая, что значение максимально, а не .

- этот теоретический вывод Планка совпал с ранее полученным экспериментальным законом – первым законом Вина, который иначе называется «закон смещения».

b=2,90*10^-3 м*К- первая константа Вина.

3. ; -max. Если подставить ее в формулу функции Планка, получим максимальное значение испускательной способности абсолютно черного тела ( =max), которое оказывается прямо пропорционально Т⁵.

_max=С₁Т⁵ - этот теоретический вывод Планка совпал с ранее полученным экспериментальным законом – вторым законом Вина. С₁=1,29*10^-5 Вт/м²К⁵– вторая константа Вина.

ОБЩИЙ ВЫВОД.

Совпадение выводов из теории Планка с экспериментальными законами подтверждает справедливость квантовой гипотезы теплового излучения.

Из анализа всех ранее рассмотренных нами явлений (фотоэффект…) окончательно делаем вывод, что свету (фотону) присуще свойства и волновые и квантовые одновременно.

Атомная физика.

Краткие теоретические сведения к началу ХХ столетия.

А. Атом – чрезвычайно устойчивая система.

Б. Атом – может при определенных условиях излучать (поглощать). На это указывали спектры излучения (поглощения). Причем, они являются линейчатыми. Следовательно, атом излучает (поглощает) не постоянно, а дискретно (квантами, отдельными порциями).

В. В 1911г. опытами Резерфорда был «опровергнут» первый вывод: было установлено, что атом есть система сложная, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов (атом[q=0]=ядро[+Ze]+электроны[-Ze]).

Z(порядковый номер элемента в таблице Менделеева).

m_атома m_ядра;

По каким законам движутся электроны в атоме?

1. Попытка дана классической электромагнитной теорией. По законам классической теории движение заряженной частицы с ускорением должно сопровождаться:

- непрерывным излучением энергии. Следовательно, спектр излучения атома должен быть сплошным.

- так как атом непрерывно теряет энергию, то электрон неизбежно должен упасть на ядро, т.е. атом – неустойчивая система.

Оба эти вывода противоречат эксперименту.

2. Попытка объяснить законы движения электронов в атоме дана в 1913 году Нильсом Бором(1885-1962гг.).

Теория Бора.

ПОСТУЛАТЫ.

А. Атомы характеризуются известными состояниями, называемыми стационарными, в которых, несмотря на происходящие в них движения электронов, атомы не излучают и не поглощают энергию. В каждом таком состоянии электрон движется по орбите определенного радиуса и имеет строго определенную энергию.

СТРУКТУРНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ СХЕМА АТОМА.

m_eV_nr_n - момент импульса электрона на орбите.

, n- главное квантовое число, показывает номер орбиты.

h=6,62*10^-34 Дж*сек- постоянная Планка.

n=1,2,3….; r1,r2,r3,…..; E1,E2,E3….. - дискретный ряд (квантовый).

Момент импульса на орбите целократен . Это есть правило квантования орбит по Бору.

Б. Атом может испускать (поглощать) монохроматическое излучение только при переходе электрона с одной орбиты на другую.

- правило частот Бора.

- излучения энергии.

n1>n2 - излучение (с большей орбиты на меньшую); n1<n2 - поглощение.

Применение теории Бора к атому H2.Рис.1.4.

z=1; F_k=F_{ц.стрем.}

Если n=1, (ангстрем) радиус первой боровской орбиты.

r_n=r₁*n²

Знак минус (-) указывает на то, что электрон в атоме.

n=1, r1=0,529 эВ

1 эВ= qU = 1,6*10^-19Кл * 1В = 1,6*10^-19 Дж.

n=2, r2=r1*n²=4*r1=2,116 эВ

n=3, r3=9*r1=4,761 эВ