Бахтина Елена Юрьевна, elbakh@gmail.com к.ф.-м.н., доц. каф. физики Московский государственный строительный университет Институт фундаментального образования Кафедра физики
Оптика раздел физики, изучающий свойства и физическую природу света, а также законы его распространения и взаимодействия с веществом Геометрическая (лучевая) оптика в основе – представление о световых лучах, как направлениях переноса световой энергии Волновая оптика изучает явления, в которых проявляются волновые свойства света – интерференция, дифракция, поляризация и др. Фотометрия рассматривает энергетические характеристики светового излучения в процессах его испускания, распространения и взаимодействия с веществом Квантовая оптика изучает явления, в которых проявляются корпускулярные свойства света, а также взаимодействие света с веществом, в основе – понятие фотона, как кванта ЭМ излучения Оптика двужущихся сред Экспериментальные основы специальной теории относительности физическая оптика
вакуум: другие среды: показатель преломления среды Скорость ЭМ волн в вакууме В любой точке векторы напряженности ЭП Е, магнитной индукции В и скорости распространения волны υ ┴ между собой, образуя правовинтовую систему ЭМ волна поперечная ε 0 = 8,85419·10 –12 Ф/м μ 0 = 1,25664·10 –6 Гн/м n показывает, во сколько раз скорость света в среде МЕНЬШЕ, чем в вакууме Скорость ЭМ волн в среде ! С =299 792 456,2 1,1 м/с Ивенсон, США (1972)
Границы между различными диапазонами условны ! λ ф ≈ 380 нм λ к ≈ 760 нм Видимый диапазон
Диапазон Длина волны λ, нм Е ф, эВ - излучение <0,0012 >10 6 Рентгеновское излучение 0,0012…12 100… 10 6 Ультрафиолетовое излучение 12…380 3, 2 …100 Видимое излучение 380…760 1,6…3,2 Инфракрасное излучение 760…10 6 1,2 ∙ 10 -3 …1,6 Радиоволны > 10 6 < 1,2 ∙ 10 -3
Цвет Длина волны λ, нм Красный 620…760 Оранжевый 590…620 Желтый 560…590 Зеленый 500…590 Голубой 480…500 Синий 450…480 Фиолетовый 380…450 К аждый О хотник Ж елает З нать Г де Сидит Ф азан Спектр распределение интенсивности ЭМ волн по длинам или частотам Монохроматическая волна волна, имеющая постоянную амплитуду и постоянную частоту
Основные характеристики ИСТОЧНИКОВ света Светящиеся раскаленные твердые и жидкие тела излучение за счет тепловой энергии лампы накаливания, расплавленный металл Светящиеся разряженные газы излучение за счет возбуждения электронами ртутная лампа Светящиеся разряженные газы излучение за счет разного рода люминесценции – катодолюминесценция, химическая, механическая люминесцентные лампы Лазеры источники когерентного монохроматического излучения спектральный состав излучения световая отдача яркость источника
Основные характеристики ПРИЕМНИКОВ света Приемники света регистрируют энергию светового излучения приемники, использующие фотоэлектрические явления фотоумножитель, фотодиод, фоторезистор принимаемый спектр инерционность интегральная чувствительность приемники, использующие фотохимические явления фотобумага, фотопленка приемники, использующие люминесценцию экраны, светящиеся под действием света приемники, использующие термоэлектрические явления термопары, термостолбики человеческий глаз
Интерференция Дифракция Поляризация Давление света Взаимодействие ЭМ волн с веществом Фотоэффект Тепловое излучение Волновые свойства Корпускулярные свойства Эффект Комптона Фотометрия Геометрическая оптика Рентгеновское излучение Эффект Доплера Определение скорости света Элементы квантовой физики
Раздел оптики, рассматривающий характеристики светового излучения в процессах его испускания, распространения и взаимодействия с веществом
Энергетические величины характеризуют энергетические параметры безотносительно к его действию на приемники излучения Световые величины характеризуют физиологическое действие света, оцениваемое по воздействию на глаз и другие селективные приемники света с учетом спектральной чувствительности не зависящие от частоты объективные субъективные
Поток изучения энергия, проходящая за единицу времени через выбранную площадку поток излучения, распространяющийся внутри единичного телесного угла d Ω Сила излучения Понятие силы излучения относится только к точечному источнику света Точечный источник если его размеры малы по сравнению с расстоянием до наблюдателя Энергетическая сила света ватт на стерадиан
Энергетическая освещенность поток излучения, приходящийся на единицу площади Облученность Энергетическая яркость величина, равная отношению энергетической силы света элемента излучающей поверхности к площади Лучистость Энергетическая светимость поток излучения, исходящий с единицы площади характеризует приемник характеризует источник характеризует источник
Кандела В основе – эталон силы света – КАНДЕЛА равна силе света, излучаемого в заданном направлении источником монохроматического излучения частотой 540 ∙ 10 12 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср Кандела от лат. candela — свеча cd, кд выбранная частота соответствует зеленому цвету В современном определении коэффициент 1/683 выбран т.о., чтобы новое определение соответствовало старому сила света, излучаемого абсолютно чёрным телом нормаль но () к поверхности площадью 1/60 см² при температуре плавления платины (2042,5 К) Свеча (до 1967 г.) Сила света типовых источников Источник Мощность, Вт Примерная сила света, кд Свеча 1 Лампа накаливания 100 100 Обычный светодиод 0,015…0,1 0,005…3 Сверхяркий светодиод 1 25…500 Люминесцентная лампа 20 100 Солнце 3,9∙10 26 3∙10 27
Световой поток мощность оптического излучения по вызываемому им световому ощущению (по его действию на селективный приемник света с заданной спектральной чувствительностью) люмен Сила света величина равная отношению светового потока к телесному углу, в котором распределен этот поток кандела 1 лм – световой поток, излучаемый точечным источником света силой света 1 кд внутри телесного угла 1 ср 1 лм=1 кд ∙ ср
Светимость в еличина, равная отношению светового потока, излучаемого поверхностью источника, к площади этой поверхности Яркость в еличина, равная отношению силы света в данном направлении к площади, данному направлению Освещенность в еличина, равная отношению светового потока, падающего на поверхность, к площади этой поверхности люкс Освещенность равна 1 лк, если поверхностная плотность светового потока в 1 лм равномерно распределена по площади S=1 м 2 показывает, насколько сильно освещена поверхность
Энергетические Световые Поток излучения, Вт Ф Световой поток, лм Энергетическая сила света (сила излучения), Вт/ср I Сила света, кд Энергетическая яркость (лучистость), Вт/ср м 2 В Яркость, кд/м 2 Энергетическая освещенность (облученность), Вт/м 2 Е Освещенность, лк Энергетическая светимость, Вт/м 2 R Светимость, лк
Поток излучения в 0,0016 Вт при λ=555 нм вызывает световое ощущение в 1 Лм Переход от энергетических фотометрических величин к световым и обратно: 1 Лм = 555 нм 0,0016 Вт 1 Вт = 555 нм 683 Лм 1 Лм ≠ 555 нм 0,0016/ V Вт 1 Вт ≠ 555 нм 683 · V Лм
Проявляется во взаимном усилении световых волн в одних точках пространства и ослаблении – в других Интерференция света От лат. inter – взаимно, между собой и ferio – ударяю, поражаю — взаимоподавление одновременно осуществляющихся процессов Частный случай общего явления интерференции волн Явление пространственного перераспределения энергии светового излучения при наложении двух или нескольких световых волн Наблюдается устойчивая картина чередующихся максимумов и минимумов интенсивности света
Необходимое условие Когерентность волн согласованное протекание во времени и пространстве нескольких волновых процессов При суперпозиции (наложении) таких волн и наблюдается интерференционная картина У двух разных источников света никогда НЕ сохраняется постоянная разность фаз волн Интерференцию можно наблюдать также при разделении первоначального луча света на два луча монохроматичность волн 1. постоянство разности фаз 2. параллельность световых векторов 3. их лучи НЕ интерферируют
В основе интерференции лежит Принцип суперпозиции Принцип наложения электрических и магнитных полей без их искажения S 1 S 2 I 2 I 1 A экран S 1, S 2 – источники света I 1, I 2 – интенсивности световых волн r 1, r 2 – геометрическая длина пути – оптическая разность хода n 1 r 1 n 2 r 2 = n 2 r 2 - n 1 r 1 n 1, n 2 – показатели преломления сред n 1 r 1 – оптическая длина пути
1816 г. Экран L d Ширмы с отверстиями 1 2 x
1816 г. S 1 S 2 S Зеркало 1 Зеркало 2 1 2 a b L d O Экран x
S 2 S 1 S Бипризма Экран 1 2 d L a b θ – малый преломляющий угол x
m = 0, 1, 2, … Смена min на max происходит при изменении Δ на λ /2
Ширина интерференционной полосы Расстояние между соседними max (или min ) Оптическая разность хода Положение min Положение max х r 1 n 1 r 2 n 2
Ход лучей в плоскопараллельной пластине h – толщина пластинки n – показатель преломления β – угол преломления полосы равного наклона ( α = const ) Типы интерференции в тонких пленках полосы равной толщины ( h = const ) кольца Ньютона λ/2 обусловлена потерей полуволны при отражении света от оптически более плотной среды (в т. А)
Интерференционные полосы, возникающие в результате наложения лучей, падающих на плоскопараллельную пластинку под одинаковыми углами Толщина пластины одинаковая
Интерференционные полосы, возникающие в результате интерференции от мест одинаковой толщины Угол падения лучей одинаковый
для m -го светлого кольца для m -го темного кольца m = 0,1,2,… max интерференции в отраженном свете min интерференции в проходящем свете R – радиус кривизны линзы в отраженном свете: Исследовательские задания
Исследуйте изменение интерференционной картины колец Ньютона в отраженном и проходящем свете при медленном удалении линзы от пластинки h Направление движения линзы
Исследуйте и объясните изменение ширины интерференционных колец Ньютона в отраженном и проходящем свете при увеличении радиуса и нтерференционного кольца r δ x
Исследуйте интерференционные полосы равной толщины, которые можно получить с помощью ДВУХ ВЫПУКЛЫХ ЛИНЗ R 1 R 2
R 1 Исследуйте интерференционные полосы равной толщины, которые можно получить с помощью ВЫПУКЛОЙ и ВОГНУТОЙ ЛИНЗ R 2
R Исследуйте интерференционные полосы равной толщины, которые можно получить с помощью ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ЛИНЗЫ и пластины пластина ц илиндрическая линза
Возникает в тех случаях, когда поверхности, ограничивающие пленку или пластинку, обладают высоким коэффициентом отражения 1, 2, 3, …, N – когерентные лучи
Интерференционная спектроскопия Интерференция может быть использована для измерения длин волн подтверждения волновой природы света измерения показателей преломления получения высокоотражающих покрытий Просветление оптики контроля качества обработки поверхностей интерференция в тонких пленках улучшения качества оптических приборов Интерференционные рефрактометры с точностью до 10 -8 м
Интерферометры Пучок света пространственно разделяется на несколько когерентных пучков, которые проходят различные оптические пути и при наложении создают интерференционную картину, по которой можно установить смещение фаз пучков По числу интерферирующих пучков света двухлучевые многолучевые Интерферометр измерительный прибор, использующий явление интерференции
L 1 и L 2 – длины «плеч» интерферометра Для исследования поверхности создается тонкая клиновидная прослойка воздуха между поверхностью образца S 2 и изображением зеркала S’ 1 Н еровности поверхности размером до 10 -6 см вызывают заметные искривления интерференционных полос, образующихся при отражении света от проверяемой поверхности и поверхности зеркала сдвиг интерференционных полос Используется в фурье -спектроскопии Для измерения спектральных характеристик небесных тел
1. Пройдя через кюветы K 1 и K 2, пучки, отразившиеся от поверхностей пластины P 2, попадают в зрительную трубу T, где интерферируют, образуя полосы равного наклона Пучок света S после отражения от передней и задней поверхностей пластины P 1 разделяется на два пучка S 1 и S 2 Если одна из кювет наполнена веществом с показателем преломления n 1, а другая с n 2, то по смещению интерференционной картины на число полос m по сравнению со случаем, когда обе кюветы наполнены одним и тем же веществом, можно найти неизвестный n 2. 3. Измерение длин волн Измерение показателей преломления Контроль качества обработки поверхностей
Определение показателей преломления Интерферометр Рэлея
Для измерения угловых размеров звезд и угловых расстояний между двойными звездами Свет от звезды, отразившись от зеркал M 1, M 2, M 3, M 4, образует в фокальной плоскости телескопа интерференционную картину Угловое расстояние между соседними максимумами q = l /D При наличии двух близких звезд, находящихся на угловом расстоянии j, в телескопе образуются две интерференционные картины, также смещенные на угол j определение j Изменяя D добиваются наилучшей видимости картины, что будет при условии j = 1/2q = l /2D
многолучевая интерференция разлагает сложное излучение в спектр интерференционный спектральный прибор высокой разрешающей силы используется для исследования спектров в видимой, ИК и сантиметровой областях длин волн Разновидность интерферометра Фабри-Перо оптические резонаторы лазеров, излучающая среда которых располагается между зеркалами интерферометра
толщину пленки подбирают таким образом, чтобы для отраженного света выполнялось условие интерференционного минимума для длин волн средней части спектра ( λз ~555 нм) потери энергии при отражении уменьшаются доля энергии проходящего света возрастает
Создание высокоотражающих поверхностей в основе – интерференция отраженных лучей на max Интерференционные светофильтры многолучевая интерференция
Проявления дифракции: волны заходят в область геометрической тени Дифракция света При условии размеры препятствий сравнимы с длиной волны огибание световыми волнами препятствий Виды дифракции дифракция Френеля в расходящихся лучах (сферических волн) дифракция Фраунгофера в параллельных лучах ( ∞ удаленный источник) совокупность явлений, возникающих при прохождении света вблизи границ с резкими неоднородностями лат. diffractus – разломанный, переломанный дифракция выражена наиболее сильно
Дифракционные явления были хорошо известны еще во времена Ньютона но объяснить их на основе корпускулярной теории света оказалось невозможным Томас Юнг Первое качественное объяснение явления дифракции Огюсте́н Жан Френе́ль Количественная теория дифракционных явлений на основе волновых представлений Независимо от Т.Юнга 1818 г. В основе теории Френеля принцип Гюйгенса, дополненный идеей об интерференции вторичных волн принцип Гюйгенса-Френеля Каждая точка волнового фронта является источником вторичных волн Исаак Ньютон (1642-1727 Англия) Томас Юнг (1773-1829 Англия) Огюсте́н Жан Френе́ль (1788-1827 Франция) Христиан Гю́йгенс ван Зёйлихем 1629-1695 Нидерланды Амплитуда и фаза волны в любой точке пространства – результат интерференции волн, излучаемых вторичными источниками Все вторичные источники на поверхности фронта волны, когерентны между собой
Каждая точка пространства, до которой доходит фронт волны, становится точечным источником света, излучающим сферическую волну Огибающая (новый волновой фронт) Вторичные волны Первичный волновой фронт явление дифракции объясняет лишь КАЧЕСТВЕННО Огибающая всех вторичных волн представляет собой фронт действительно распространяющейся волны
Вторичные источники не точечные, а элементы фронта волны площадью dS Вторичные источники dS – когерентные и результат их действия на точку Р есть результат их интерференции Площадка фронта волны dS создает в точке P напряженность ЭП: Принцип Гюйгенса-Френеля позволяет объяснить дифракцию КОЛИЧЕСТВЕННО и решить любую задачу на дифракцию света dE ~ dS dE ~ A 0 A 0 – амплитуда световой волны в месте, где находится площадка dE ~ α α – угол между нормалью к площадке dS и направлением на точку P r – расстояние от площадки dS до точки P dE ~ 1 / r
Дифракция от круглого отверстия Дифракция в расходящихся световых пучках, когда дифракционная картина наблюдается на конечном расстоянии от препятствия 1. Разобьем открытую часть волновой поверхности на зоны Френеля Границы зон в плоскости отверстия
Действие зоны ↓ при ↑ угла между к поверхности зоны и направлением к точке наблюдения Расстояния от соседних зон до точки наблюдения Р отличаются на λ /2 ~ 1 мм открыты все зоны Френеля половине действия центральной зоны Объяснение прямолинейности распространения света оценка размера центральной зоны Френеля: колебания от точек двух соседних зон приходят в т. P в противофазе A =А 1 - A 2 + A 3 -А 4 + A 5 - A 6 … A 1 >A 2 >A 3 >…> А m действие всей волновой поверхности эквивалентно Если
Количество открытых зон Френеля Амплитуда и интенсивность в центре дифракционной картины одна нечетное четное БОЛЬШЕ, чем при свободном распространении волны A =0 свободный фронт А 0 = ½ А 1 Действие всей волны – половина действия первой зоны темное пятно Амплитуда результирующего колебания «+» m – нечетные «-» m – четные I = 4I 0 I 0 = ¼ I 1 А= A 1 =2 А 0 I = 4I 0 =0 выполняется условие min интерференции m – нечетное m – четное две I =0 А= A 1 -А 2 =0 выполняется условие max интерференции А=6 A 0 I =36 I 0 Например, открыты три зоны:1, 3, 5 Объяснение прямолинейности распространения света
Дифракция от диска 2. пятно Пуассона (1818 г.) дифракцией света можно пренебречь и считать свет распространяющимся прямолинейно в центре всегда наблюдается интерференционный max (светлое пятно) первая открытая зона Френеля удаляется от центра и увеличивается угол т D велик А= ½ А 1 D ↑ интенсивность центрального max ↓ за центральным max наблюдается тень, вблизи границ которой имеет место слабая дифракционная картина D мал D
Освещение белым светом кольца окрашены D велик А m << A 1 А= ½ А 1 Зависимость от диаметра отверстия интенсивность такая же, как при полностью открытом волновом фронте дифракционной картины НЕТ свет распространяется прямолинейно Немонохроматичность света Интенсивность в max ↓ с расстоянием от центра объяснение прямолинейности распространения света Зонная пластинка Использование В рентгеновском диапазоне являются дифракционным аналогом обычных линз и обладают наивысшим из рентгенооптических элементов пространственным разрешением. Служат основным элементом в сканирующих и изображающих рентгеновских микроскопах с использованием синхротронного излучения. действует подобно собирающей линзе – линза Френеля
в щели укладывается НЕЧЕТНОЕ число зон Френеля в точке Р будет наблюдаться МАКСИМУМ Если в щели укладывается ЧЕТНОЕ число зон Френеля в точке Р будет наблюдаться МИНИМУМ k =1, 2, 3, … k =1, 2, 3, … собирающая линза экран
Уравнение главных МАКСИМУМОВ Дифракционная решетка Совокупность большого числа одинаковых щелей, расположенных друг от друга на одинаковом расстоянии d – постоянная (или период) дифракционной решетки k =1, 2, 3, … с ↑ числа щелей в дифракционной решетке : амплитуды добавочных max ↓ угловая ширина центрального max ↓
Спектры, начиная со второго порядка, перекрываются max нулевого порядка k =0 спектр первого порядка k = - 1 спектр второго порядка k = - 2 спектр второго порядка k =2 спектр первого порядка k =1 спектр третьего порядка k = -3 спектр третьего порядка k = 3
Основные характеристики спектрального прибора Дисперсия определяет угловое или линейное расстояние между двумя спектральными линиями Угловая дисперсия численно равна углу между двумя max одного порядка, отличающихся по λ на 1 метр Линейная дисперсия численно равна расстоянию на экране между двумя max одного порядка, отличающихся по λ на 1 м угловое расстояние между спектральными линиями, отличающимися по длине волны на d λ … порядок max период решетки линейное расстояние между соседними max одного порядка, отличающимися по длине волны на d λ фокусное расстояние линзы
Разрешающая способность определяет min разность длин волн, при которой две линии воспринимаются на спектре раздельно главный max линии λ 2 добавочный min линии λ 1 Критерий Рэлея две спектральные линии считаются полностью разрешенными, если вершина одного max совпадает с основанием другого Разрешающая сила спектрального прибора Разрешающая сила дифракционной решетки количество щелей
Рентгеновское излучение λ =0,0012…12 нм 1895 г., В.Рентген Большая проникающая способность λ сравнима с d – периодом кристаллической решетки Х -лучи дифракция рентгеновских лучей в кристалле λ d вторичные волны падающие рентгеновские лучи период кристаллической решетки формула Вульфа-Брегга угол скольжения лучей m = 1, 2, 3,… атомы крист.решетки – источники вторичных волн
зная λ измеряя θ вычисляется d + Рентгеноструктурный анализ зная d измеряя θ вычисляется λ + Рентгеновская спектроскопия рентгеновское излучение кристалл экран рентгеновское излучение метод Лауэ – кристалл метод Дебая-Шерера – поликристалл
В любой точке поля векторы напряженности ЭП и МП перпендикулярны и лежат в плоскости, вектору скорости Естественный свет Свет суммарное электромагнитное излучение множества атомов Световой вектор представляет собой Естественный свет направление распространения волны рисунку ЭМ волна – волна ПОПЕРЕЧНАЯ для описания закономерностей поляризации света достаточно знать поведение лишь одного из векторов при действии света на вещество основное значение имеет ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ составляющая поля волны, действующая на электроны в атомах вещества Атомы излучают световые волны независимо друг от друга световая волна, излучаемая источником, характеризуется равновероятными колебаниями светового вектора свет с равновероятными ориентациями вектора Е Плоскость колебаний плоскость, в которой колеблется световой вектор
Поляризация света процесс ориентации вектора напряженности Е световой волны в определенном направлении Поляризованный свет свет, в котором направления колебаний светового вектора каким-либо образом упорядочены Плоско (линейно) поляризованный световой вектор колеблется в одной плоскости Эллиптически поляризованный результат наложения двух когерентных плоскополяризованных волн со взаимно плоскостями поляризации, в случае, когда конец вектора Е описывает эллипс Поляризованный по кругу конец вектора Е описывает окружность Плоскость поляризации плоскость колебания светового вектора Е частный случай
естественный свет плоско поляризованный частично поляризованный Степень поляризации I max и I min — соответственно max и min интенсивности частично поляризованного света, пропускаемого анализатором I max = I min Р = 0 I min = 0 Р = 1 0 < Р < 1
Поляризатор естественный свет поляризованный свет устройство для получения поляризованного света, пропускает колебания Е только определенного направления ? поляри-заторы среды, анизотропные в отношении колебаний Е, напр., кристаллы турмалин поляризатор анализатор I ~ E 2 закон Малюса 1810 г. φ = 0° I = I’ 0 оси поляризатора и анализатора φ = 90° I = 0 Закон Малюса I 0 I’ 0 I
Поляризация света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков Фильтр повёрнут так, что полностью пропускает отражённый от поверхности свет Две фотографии одного места, сделанные фотоаппаратом с поляризующим фильтром, повёрнутым под разными углами Фильтр повёрнут на 90°: отражённый свет почти полностью отфильтровывается и блики исчезают
1815 г. Степень поляризации зависит от угла падения лучей и показателя преломления падающий неполяризованный свет Степень поляризации преломленного света м.б. значительно повышена многократным преломлением при условии падения света каждый раз на границу раздела под углом Брюстера стопа Столетова отраженный плоскополяризованный содержит только колебания, плоскости падения преломленный поляризован максимально, но не полностью n 1 n 2
Все прозрачные кристаллы двойного лучепреломления ? обладают способностью эффект расщепления в анизотропных средах луча света на две составляющие оптическая анизотропия кроме кристаллов кубической системы Впервые обнаружено на кристалле исландского шпата CaCO 3 е о е – extraordinary необыкновенный о – ordinary обыкновенный 1662 г. призма Николя
Закон преломления: для о-луча всегда выполняется для е-луча в общем случае не выполняется 1. В кристаллах существует направление, при распространении вдоль которого двойного лучепреломления не происходит – оптическая ось, направление кристалла 2. О О ’ Плоскость, проходящая через световой луч и оптическую ось кристалла – главная оптическая ось или плоскость главного сечения 3. о-луч и е-луч поляризованы во взаимно плоскостях плоскость поляризации о-луча плоскости главного сечения 4.
прозрачные изотропные среды О ’ О F П П А А х d F S механическая деформация + искусственная анизотропия двойное лучепреломление П и А скрещены ( φ =90°) I = 0 напряжение оптическая ось ОО ’ по направлению действия F Мера оптической анизотропии Фотоупругий эффект возникновение оптической анизотропии в первоначально изотропных твёрдых телах (в том числе полимерах) под действием механических напряжений Фотоэластический Пьезооптический Д. Брюстер (1815) Т.И. Зеебек (1813) I 0
1875 Использование эффекта Керра для измерения скорости света возникновение двойного лучепреломления в жидкостях под действием электрического поля Эффект Керра Мера оптической анизотропии время срабатывания счетчика Керра τ ≈ 10 -9 c в качестве быстродействующего светового затвора S + - П А E
возникновение двойного лучепреломления в твердых телах под действием МП Эффект Фарадея Мера оптической анизотропии S N S П А H возникновение двойного лучепреломления в жидкостях под действием магнитного поля Эффект Коттона-Мутона Постоянная Верде
Итак, мера оптической анизотропии Искусственная оптическая анизотропия возникает под действием одностороннего сжатия (растяжения) электрического поля магнитного поля название эффекта фотоупругий, фотопластический Керра Фарадея Коттона -Мутона k 1, k 2, k 3 – постоянные, характеризующие вещество
При прохождении плоскополяризованного света через некоторые вещества наблюдается вращение плоскости поляризации Оптические активные вещества (ОАВ) Вещества, при прохождении через которые плоскополяризованного света наблюдается поворот его плоскости поляризации кварц, скипидар, водный раствор сахара и др. α – коэффициент пропорциональности, постоянная вращения S φ l для растворов для твердых веществ С – концентрация вещества Используется, например, для измерения концентрации вещества в растворе Сахариметр
Создание различных оптических эффектов В 3D-кинематографе технология IMAX: линейная поляризация используется для разделения изображений, предназначенных правому и левому глазу в технологии RealD и MasterImage : подобна IMAX, но круговая поляризация позволяет сохранять стереоэффект и избегать двоения изображения при небольших боковых наклонах головы В антеннах космических линий связи (круговая поляризация): для приёма сигнала не важно положение плоскости поляризации передающей и приёмной антенн, т.е. вращение космического аппарата не повлияет на возможность связи с ним В наземных линиях: антенны линейной поляризации — всегда можно выбрать заранее — горизонтально или вертикально располагать плоскость поляризации антенн
в основе – представление о световых лучах, как направлениях переноса световой энергии
Геометрическая (лучевая) оптика Раздел физики, в котором распространение света рассматривается на основе представления о световых лучах, как направлениях переноса световой энергии Луч геометрическая линия, вдоль которой переносится энергия электромагнитными волнами Основное понятие геометрической оптики Световой пучок, исходящий из отверстия бесконечно малого размера Направления, вдоль которых переносится световая энергия Нормаль к фронту волны распространение света в однородных средах и предметах, состоящих из однородных сред << х, где х – размеры оптических приборов Область использования Границы применимости законов геометрической оптики
Прямолинейного распространения света в оптически однородной среде свет распространяется прямолинейно Независимости световых пучков эффект, производимый отдельным пучком, не зависит от действия остальных Отражения падающий, отраженный и преломленный лучи и перпендикуляр к границе раздела сред в точке падения лежат в одной плоскости Преломления α β γ n 1 n 2 S 2 S 1 Исследовательские задания Закон Снелиуса
Исследуйте зависимость угла преломления от угла падения в явлении преломления света на границе раздела двух сред 1. Рассмотрите случаи с разными соотношениями показателей преломления двух оптических сред Обоснуйте возникновение явления полного внутреннего отражения Постройте ход лучей в поворотных и оборотных призмах и перископе Рассмотрите случай падения на границу раздела двух сред широкого пучка параллельных световых лучей Рассмотрите и объясните принцип действия рефрактометра a ) b ) c ) e ) f ) α β γ n 1 n 2 Рассмотрите случай падения на границу раздела двух сред пучка световых лучей от точечного источника света d )
Исследуйте явление прохождения светового луча через плоскопараллельную пластинку 2. Найдите зависимость бокового смещения падающего луча от угла падения a ) b ) α β γ Рассмотрите случаи различного соотношения показателей преломления плоскопараллельной пластинки и среды, в которой находится пластинка α d n 1 n 2 n 3 Рассмотрите случай падения на пластинку широкого пучка параллельных лучей с) Рассмотрите случай освещения пластинки рассеянным светом d ) Рассмотрите случай падения пучка световых лучей от точечного источника света e ) При изучении интерференции в тонких пленках
Исследуйте явление прохождения светового луча через клинообразную пластинку (тонкую призму) 3. Выведите формулу и найдите зависимость угла смещения светового луча от угла падения и соотношения показателей преломления среды и пластинки a ) b ) Какие эффекты будут наблюдаться при прохождении кварцевой клинообразной пластинки линейно поляризованного света? Рассмотрите случаи падения на клин широкого пучка параллельных световых лучей и освещение клинообразной пластинки рассеянным светом с) A 1 2 1 2 n 1 n 2 A n 3 При изучении дисперсии
При переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную n 2 < n 1 – может наблюдаться исчезновение преломленного луча Наблюдается при углах падения α > α пр – угол полного внутреннего отражения волоконный световод Полное внутреннее отражение Использование световода
Ход лучей при отражении от плоского зеркала т. S' - мнимое изображение т. S
O – оптический центр P – полюс F – главный (мнимый) фокус зеркала OP – главная оптическая ось R – радиус кривизны зеркала f – расстояние до изображения d – расстояние до предмета Исследовательские задания
Исследуйте, как будут меняться параметры изображения, если предмет удалять от вершины ВЫПУКЛОГО сферического зеркала в бесконечность ? Исследуйте, как будут меняться параметры изображения, если предмет удалять от вершины ВОГНУТОГО сферического зеркала в бесконечность? Отражение параллельного пучка лучей от вогнутого (1) и выпуклого (2) сферического зеркала
Собирающие ( a ) и рассеивающие ( b ) линзы и их условные обозначения Преломление параллельного пучка лучей в собирающей (a) и рассеивающей (b) линзах O 1 и O 2 – центры сферических поверхностей O 1 O 2 – главная оптическая ось O – оптический центр F – главный фокус F‘ – побочный фокус OF‘ – побочная оптическая ось Ф – фокальная плоскость
Построение изображения в СОБИРАЮЩЕЙ линзе Исследовательское задание: Исследуйте, как будут меняться параметры изображения, если предмет удалять от СОБИРАЮЩЕЙ линзы в бесконечность ?
Построение изображения в РАССЕИВАЮЩЕЙ линзе Исследовательское задание: Исследуйте, как будут меняться параметры изображения, если предмет удалять от РАССЕИВАЮЩЕЙ линзы в бесконечность ?
1 – склерой 2 – роговица 3 – радужная оболочка со зрачком (от 2 до 8 мм, т.е. действует подобно диафрагме фотоаппарата) 4 – хрусталик 5 – мышца, изменяющая в некоторых пределах форму хрусталика, изменяя тем самым его оптическую силу Остальная часть глаза заполнена стекловидным телом 6 – глазное дно 7 – палочки и колбочки, являющиеся светочувствительными элементами Дефекты зрения и их коррекция дальнозоркость близорукость
Лупа Микроскоп Телескоп коэффициент увеличения предмет – между фокусом и линзой
Фотоаппарат Проектор
Сферическая аберрация Проявляется при отображении точек, лежащих на оптической оси системы Лучи, проходящие через края линзы, преломляются сильнее лучей, проходящих вблизи оптической оси Перераспределение освещенности в изображении светящейся точки Аберрация – от лат. aberratio « уклонение, удаление, отвлечение» – отклонение от нормы, ошибка, погрешность Применение оптических стёкол с высокими n позволяют ↓ сферическую аберрацию, посредством ↑ радиусов поверхностей линзы при сохранении её оптической силы Диафрагмирование Дефокусировка Применение нескольких линз Может быть исправлена только для узких зон Исправление Снижение резкости изображения
Хроматическая аберрация Для разных λ возникают различные изображения на разном расстоянии от линзы постороннее окрашивание изображения снижение чёткости изображения крон зеленый луч флинт точка сведения синего и красного лучей Ахроматические линзы Исправление обусловлена дисперсией оптических сред: свет разной λ преломляется по-разному
изображение точки, расположенной близко к оптической оси, мало отклоняется от своего идеального положения изображение точки предмета, далекой от оптической оси, смещено от идеального положения тем больше, чем дальше от оси находится эта точка подушкообразная дисторсия различие линейного увеличения для точек предмета, находящихся на разных расстояниях от главной оптической оси нарушение геометрического подобия между предметом и его изображением при больших углах падения лучей на линзу бочкообразная дисторсия Дисторсия
Кома При прохождении широкого пучка, не параллельного оптической оси изображение источника в виде освещенного пятнышка, напоминающего кометный хвост Устранение комы – так же, как сферической аберрации Астигматизм обусловлен неодинаковостью кривизны линзы в разных плоскостях сечения падающего на нее светового пучка Исправляется с помощью цилиндрических линз Одновременное исправление всех погрешностей – задача крайне сложная, а иногда неразрешимая При прохождении через оптическую систему внеосевого узкого светового пучка его лучи испытывают неодинаковое преломление в различных плоскостях кривизна фронта световой волны в разных плоскостях преломления различна изображение точки предмета в разных плоскостях также получаются в различных местах !
? вещество Зависимость скорости распространения световых волн от длины волны Дисперсия Поглощение Рассеяние Рассеяние света на пространственных неоднородностях в оптически неоднородной среде Уменьшение энергии световой волны, проходящей через вещество за счет ее превращения во внутреннюю энергию Несобственное свечение вещества h Какие явления наблюдаются при взаимодействии света с веществом?
Детальные экспериментальные наблюдения дисперсии света – И.Ньютон (1672 г.) К чему это приводит? Разложение белого света в спектр
1 угол отклонения лучей призмой тем больше, чем больше преломляющий угол призмы или: А ↑ ↑ = f(n) n = f() но: лучи разных длин волн после прохождения призмы отклоняются на разные углы 2 = f() разложение белого света в спектр = f( А ) т.е: A 1 2 1 2 n 1 n 2 A n 1 = const А – преломляющий угол призмы ϕ – угол отклонения лучей
сферическая капля входящий луч света преломление полное внутреннее отражение первичная радуга вторичная радуга наблюдатель область формирования первичной радуги область формирования вторичной радуги облако капелек Угловой радиус радуги: первичной – 40-42° вторичной – 50-53° 2 4 3 Первичная радуга: Вторичная радуга: 2 3 3 3 4 4 5 6 7 8 9 10
Схема образования радуги: сферическая капля внутреннее отражение первичная радуга преломление вторичная радуга входящий луч света ход лучей при формировании первичной радуги ход лучей при формировании вторичной радуги наблюдатель область формирования первичной радуги область формирования вторичной радуги облако капелек Угловой радиус радуги: первичной – 40-42° вторичной – 50-53° 1 2 1
Разлагая свет в спектр с помощью призмы или с помощью дифракционной решетки Дифракционный спектр Дисперсионный спектр разложение по длинам волн измерить определить разложение по значениям n дифракционная решетка призма ? можно определить его спектральный состав Спектральный анализ надо знать 2. 1. Расположение составных цветов в спектрах кр > ф sin красные лучи отклоняются дифракционной решеткой сильнее ↑ n ↓ т.к: красные лучи отклоняются призмой меньше ? ?
Призменные спектрографы Нормальная дисперсия необходимость градуировки различная дисперсия в разных участках спектра Определение спектрального состава света Спектральный анализ Достоинства изготовление хороших призм значительно проще, чем изготовление хороших дифракционных решеток Недостатки в призменных спектрографах легче получить большую светосилу
Теория Максвелла В оптической области спектра для всех веществ 1 противоречие с опытом Теория Максвелла НЕ объясняет явление дисперсии n – величина переменная ? n – величина постоянная численные значения n – теоретические и опытные различаются 2. 1. ! Теория Лоренца Дисперсия света результат взаимодействия ЭМ волн с электронами атома, совершающими вынужденные колебания в переменном ЭМ поле волны
е - в атоме диэлектрика под действием ЭМ волны совершает вынужденные колебания с частотой ν переизлучает вторичные ЭМ волны той же частоты зависит от частоты света ν объяснение зависимости скорости ЭМ волны от её частоты время распространения волны Время возбуждения атома Время переизлучения ЭМ волны
Под действием ЭМ волны происходит смещение е - на расстояние z между центрами «+» и «-» зарядов F возбуждающая F возвращающая F тормозящая на е - действуют силы: n>1 нормальная дисперсия поглощение ЭМ волн без учета сил сопротивления при колебаниях электронов с учетом сил сопротивления при колебаниях электронов аномальная дисперсия область I : нормальная дисперсия область II : n → ∞ 0 ≤ ω ≤ ω 0 ω → ω 0 область III : n>1 0 ≤ ω ≤ ω 0
физическая величина, показывающая, как быстро изменяется показатель преломления с длиной волны Дисперсия вещества Для прозрачных веществ Нормальная дисперсия НО! вблизи линий и полос поглощения: n увеличивается с увеличением Аномальная дисперсия !
Поглощение (абсорбция) света явление уменьшения энергии световой волны при ее распространении в веществе ? вещество явление ↓ интенсивности света, проходящего через вещество за счет ↑ его внутренней энергии или I 0 h ν I h ν l I < I 0 поглощение I = I 0 отсутствие поглощения I > I 0 работают оптические квантовые генераторы (лазеры) Объяснение с т.з. волновой и квантовой природы света Энергия ЭМ волны → в энергию е - Часть энергии ЭМ волны предается ионам и кристаллической решетке h ν ↓, энергия е - ↑ ↓ интенсивности света, проходящего через вещество нагрев кристалла
— коэффициент поглощения Закон Бугера - Ламберта I 0 h ν I h ν x d x Закон поглощения в дифференциальной форме численно равен относительному уменьшению интенсивности излучения при прохождении слоя диэлектрика толщиной в единицу длины интегрируя: Поглощение происходит вблизи собственных резонансных частот колебаний е - Вещество поглощает ЭМ излучение только лишь на определенных (дискретных) частотах Излучать данный диэлектрик может только на этих частотах При х= 1 / интенсивность света I по сравнению с I 0 уменьшается в е раз физический смысл
зависит от: интенсивности света (для малых значений) длины волны химической природы состояния вещества НЕ зависит от: Типичные зависимости от и n от в области полосы поглощения полоса поглощения аномальная дисперсия Для больших значений интенсивности явление открыто Вавиловым в 30-е гг. XX века, положило начало возникновению нелинейной оптики большее количество е - будет находиться в возбужденном состоянии фотоны поглощаться не будут α будет уменьшаться при дальнейшем ↑ I окрашенности поглощающих тел разнообразие и богатство цветов и красок в окружающем мире Разнообразие пределов избирательного поглощения у различных веществ объяснение
стекло, слабо поглощающее красные и оранжевые лучи и сильно поглощающее зеленые и синие, при освещении белым светом будет казаться красным Светофильтры в зависимости от химического состава фильтры пропускают свет только определенных длин волн, поглощая остальные Абсорбционный спектральный анализ измерение частот и интенсивностей линий (полос) в спектре поглощения
Спектр поглощения нагреватель экран h ν вещество экран вещество совокупность частот ( длин волн ), поглощаемых (излучаемых) данным веществом Спектр Спектр излучения h ν Q
одноатомные газы и пары металлов 10 –12 -10 –11 м -1 Коэффициент поглощения α колебания атомов в молекулах сложные газы, молекулы Линейчатый собственные колебания электронов в атомах Селективное поглощение (излучение) света в определенных интервалах длин волн, когда резко ↑, и наблюдаются сравнительно широкие спектральные полосы Резкие max для очень узких спектральных областей нет свободных е - явление резонанса при вынужденных колебаниях электронов в атомах и атомов в молекулах диэлектрика Вещество Чем обусловлен Вид спектра 10 –10 -10 –7 м -1 Полосатый диэлектрики твердые и жидкие тела, вещества, находящиеся в конденси-рованном состоянии 10 –5 - 10 –3 см -1 Сплошной металлы 10 3 - 10 5 см -1 непрозрачны для света объяснение - ?
Почти все звезды имеют линии поглощения в спектре
Физические методы определения состава вещества, основанные на получении и исследовании его спектров КАЧЕСТВЕННЫЙ спектральный анализ КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ спектральный анализ Анализ химического состава вещества по его спектру (без определения концентраций) Определение концентрации веществ в смесях по их спектрам поглощения и излучения КАКИЕ химические элементы? Сравнение интенсивности линий искомого вещества с интенсивностью линий стандартного вещества Сопоставление с известными спектрами химических элементов Какова КОНЦЕНТРАЦИЯ элементов? Структура спектров определяется составом и строением молекул изучение спектров поглощения – один из основных методов исследования веществ
Свечение сиреневатого оттенка, возникающее в результате прохождения через вещество заряженных частиц со скоростями большими, чем фазовая скорость световой волны в этой среде заряженная частица, попадая в т.А, вызывает поляризацию среды Смещение электрических зарядов за счет поляризации и деполяризации среды в т.В снова происходит поляризация среды другими молекулами в т.А среда возвращается к исходному равновесному состоянию источник излучения Вавилова–Черенкова
Рассеяние света несобственное свечение вещества при прохождении через него света Рассеяние и поглощение света приводит к ↓ I света, проходящего через вещество Однако, при рассеянии энергия НЕ идет на ↑ внутренней энергии вещества Если в веществе наблюдается и поглощение, и рассеяние, то: α 1 – коэф. поглощения α 2 – коэф. рассеяния
Рассеяние происходит в резко неоднородных (мутных) средах Виды рассеяния Рассеяние Тиндаля Рассеяние, обусловленное дифракционными эффектами Рассеяние, обусловленное законами геометрической оптики светящийся конус на тёмном фоне – так называемый конус Тиндаля Виды мутных сред Дым взвесь твердых частичек в воздухе Туман взвесь капелек жидкости в воздухе Суспензия взвесь твердых частичек в жидкости Эмульсия взвесь капелек одной жидкости в другой max поляризация при θ < π /2 Зависимость интенсивности рассеянного света от угла В общем случае рассеянный свет оказывается поляризованным
Молекулярное рассеяние света Рассеяние света чистыми жидкостями и газами рассеяние света в чистых жидкостях и газах происходит на флуктуациях плотности 1908 г. гипотеза Смолуховского : Флуктуации плотности С реда является оптически неоднородной Флуктуации показателя преломления n вызывает появление
Для того чтобы возникло ощущение цвета необходимо ЭМ излучение, попадающее в глаз человека глаз, регистрирующий световую энергию система передачи информации по нервным волокнам из глаз в мозг наличие мозга, который формирует изображение Цвет – есть нечто субъективное, не существующее без человека Все тела в природе делятся на: светят отраженным светом несамосветящиеся самосветящиеся цвет тел обусловлен цвет обусловлен спектральным составом излучения спектральным составом излучения, падающего на тело поглощательной (отражательной) способностью тела
Скорость света в вакууме – мировая физическая константа 299 792 456,2 1,1 м/с 3·10 8 м/с Экспериментальные измерения, 1972 г. Ивенсон, США Группы методов измерения света Лабораторные Астрономические Современные Метод Ремера, 1676 Метод Брадлея. Аберрация света, 1727 Метод зубчатого колеса (метод Физо ) Метод ячеек Керра Метод световой или радиолокации Метод объемного резонатора Метод Ивенсона
Основа метода Метод Ремера, 1676 Наблюдение затмений крупнейшего спутника Юпитера Ио Метод Брадлея. Аберрация света, 1727 Наблюдение кажущегося смещения звезд на небесном своде - аберрация света Основа метода
Метод зубчатого колеса (метод Физо) Метод ячеек Керра
Метод световой или радиолокации Метод объемного резонатора В объемном резонаторе возбуждают стоячие ЭМ волны, измеряются резонансные частоты. Скорость ЭМ волн входит в уравнение, связывающее их с геометрическими параметрами резонатора Метод Ивенсона Первый способ измерения фазовой скорости света с большой точностью измерялась интерференционными методами - методом деления частоты
Продольный эффект Доплера Поперечный эффект Доплера Эффект Доплера для ЭМ волн в вакууме 0 – излучаемая частота – частота, воспринимаемая приемником – скорость источника относительно приемника, – угол между вектором и направлением наблюдения, - система отсчета связана с наблюдателем Изменение частоты волны, воспринимаемой приемником при движении источника и приемника относительно друг друга для волн различной природы ( гудок поезда ) при = 0 наблюдение вдоль распространения волн при = /2 наблюдение в направлении перпендикулярном распространению волн при << c при > 0 < 0, > 0 сдвиг в более длинноволновую область Красное смещение удаление при < 0 > 0, < 0 сдвиг в более коротковолновую область Фиолетовое смещение сближение обнаружение поперечного эффекта Доплера связано с большими трудностями не наблюдается в акустике релятивистский эффект связан с замедлением течения времени движущегося наблюдателя Обнаружен в 1938 г. в опытах американского физика Г. Айвса Обнаружен в 1900 г. русским астрофизиком А. А. Белопольским
эффекта Доплера НЕТ эффекта Доплера ЕСТЬ Выполнимость эффекта Доплера проверена в 1907 г. в опытах Белопольского: Со скоростью перемещался мнимый источник света Смещение – в сторону красной части спектра Опыты Белопольского подтвердили справедливость эффекта Доплера с погрешностью ≈ 20%
Радиолокация Для измерения скорости приближающихся или удаляющихся объектов Радиоастрономия Для определения лучевой скорости звезд Существует так называемое красное смещение в спектрах излучения звезд. Большинство звезд, которые можно различить в телескоп, удаляясь, смещают свой спектр в сторону красного спектра Для определения естественной ширины спектральных линий Естественная ширина спектральных линий обусловлена скоростью теплового движения атомов и молекул
Абсо́рбция (лат. absorptio ← absorbere — «поглощать») — явление поглощения сорбата всем объёмом сорбента Сорбция Адсорбция (лат. ad — на, при; sorbeo — поглощаю) — процесс сгущения газообразного или растворенного вещества на поверхности раздела фаз Процесс, обратный адсорбции, то есть перенос вещества с поверхности раздела фаз в объём фазы, называется десорбция физическое сцепление ионов и молекул на поверхности тела другого состояния (напр., реагенты адсорбируются к целой поверхности катализатора) Адсорбция Абсорбция объёмное слияние двух веществ, находящихся в разных агрегатных состояниях (напр., жидкости, абсорбирующиеся твёрдыми телами или газами, газы, абсорбирующиеся жидкостями и т.д.)
Вырывание электронов из металлов под действием света металлическая пластинка q = 0 Фотоэффект Впервые наблюдал явление фотоэффекта Генрих Герц металлическая пластинка q > 0 УФ свет 1888 г. Столетов создание первого фотоэлемента применение фотоэлемента на практике установление прямой зависимости силы фототока от интенсивности падающего света 1899 г. Дж.Дж. Томпсон и Ф. Ленард доказали, что при фотоэффекте свет выбивает из вещества электроны
вырывание электронов из металла, под действием света Внешний фотоэффект увеличение проводимости вещества под действием света Внутренний фотоэффект возникновение фото ЭДС под действием света Вентильный фотоэффект h е - h ↑ h ↑ Фотоэлектронная эмиссия выход электронов за пределы металла ↑ концентрации свободных электронов фотоэффект в запирающем слое частный случай внутреннего фотоэффекта металл полупроводник p-n переход
Максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастает с частотой света и НЕ зависит от его интенсивности 1-й закон ( закон Столетова) Фототок насыщения прямо пропорционален световому потоку для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота света 0 (или максимальная длина волны), при которой ещё возможен фотоэффект, и если 0 < 0, то фотоэффект уже не происходит 2-й закон 3-й закон Количество фотоэлектронов, выбиваемых из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности излучения или ↑ ↑ ( Е кин ) max
Энергия фотона расходуется на ионизацию атома вещества и на работу, необходимую для «вырывания» электрона, а остаток переходит в кинетическую энергию электрона 1905 г. А.Эйнштейн Нобелевская премия 1921 г. «За заслуги перед теоретической физикой и особенно за объяснение закона фотоэлектрического эффекта» Закон сохранения энергии для фотоэффекта
Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта Максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастает с частотой света и НЕ зависит от его интенсивности 1-й закон ( закон Столетова) Фототок насыщения прямо пропорционален световому потоку для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота света 0 (или максимальная длина волны), при которой ещё возможен фотоэффект, и если < кр, то фотоэффект уже не происходит 2-й закон 3-й закон Количество фотоэлектронов, выбиваемых из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности излучения ↑ ↑ ( Е кин ) max
Силы, возвращающие электроны вглубь металла: 1. притяжение к + ионам 2. отталкивание от е -, находящихся в наружном электронном слое Часть падающего ЭМ излучения от поверхности металла отражается Часть проникает внутрь поверхностного слоя металла и там поглощается Поглотив фотон, электрон получает от него энергию и, совершая работу выхода, покидает металл е - +
Напряжение, при котором анодный ток прекращается ток насыщения В результате хаотического теплового движения некоторые е - достигают А Ток насыщения – все е - под действием приложенного U достигают анода I 0 при U=0 I 2 I 1 Максимальная кинетическая энергия, которую может иметь электрон при вылете из металла
Поглотив фотон, электрон получает от него энергию и, совершая работу выхода, покидает металл Максимальная кинетическая энергия, которую может иметь электрон при вылете из металла Напряжение, при котором анодный ток прекращается
Фотоэлементы разных типов Вакуумные фотоэлементы Газонаполненные фотоэлементы газ при низком давлении увеличивает силу тока за счет ударной ионизации Фотосопротивления Вентильные элементы – солнечные батареи ( =10…20%) С.И.Вавилов: в области наибольшей чувствительности ( λ =555 нм) глаз начинает реагировать на свет при попадании на зрачок примерно 100 фотонов в секунду
давление, производимое светом на отражающие и поглощающие тела, частицы, отдельные молекулы и атомы Давление света Впервые гипотеза светового давления И.Кеплер для объяснения отклонения хвоста комет, пролетающих вблизи Солнца 1899 г. – П.Н.Лебедев первые опыты по исследованию светового давления Крутильные весы Вакуумированный сосуд Тонкие диски из слюды и различных металлов на тонкой проволоке Попеременное облучение разных сторон крылышек – нивелирование радиометрических сил Удовлетворительное (±20%) совпадение с теорией Максвелла Одно из явлений, подтверждающих теорию Максвелла
Давление света можно объяснить как с точки зрения электромагнитной так и фотонной теории ! заряды приходят в движение с т.з. электромагнитной теории Со стороны ЭМ волны на заряды действуют силы F + и F - заряды вдавливаются в вещество На движущиеся заряды действует сила Лоренца Сила, создающая давление света
Давление света можно объяснить как с точки зрения электромагнитной так и фотонной тории ! с т.з. фотонной теории Фотон как частица попадает на вещество фотон передает веществу соответствующий импульс Импульс, передаваемый ПОГЛОЩЕННЫМ фотоном По II закону Ньютона импульс силы Импульс, передаваемый ОТРАЖЕННЫМ фотоном … Е – энергетическая освещенность -коэффициент отражения кол-во фотонов
1895 г. Свойства рентгеновского излучения Большая проникающая способность – свободно проходит через ткани, дерево, металлы Малая поглощательная способность – поглощается в большей степени тяжелыми металлами, например, свинцом Фотохимическое действие – способно воздействовать на фотоэмульсии Ионизирующая способность Биологическая активность – губительно действует на живые клетки
Тормозное рентгеновское излучение По закону сохранения энергии Т.е. существует max частота излучения тормозного рентгеновского излучения ограничена в области коротких длин волн Вычисление постоянной Планка h Тормозные излучение электронов высоких энергий отклоняющихся в электрическом поле атомного ядра Энергия ускоренного электрона передается аноду или в виде тепла, или излучается в виде кванта тормозного рентгеновского излучения возникает в результате торможения е - анодом имеет сплошной спектр
возникает при достаточно больших U на аноде характеризует материал анода имеет линейчатый спектр Линии характеристического рентгеновского излучения Обычно характеристическое и тормозное излучения существуют одновременно
Объяснение возникновения характеристического излучения по теории Бора Внешний ускоренный е - выбивает электрон е - с одной из внутренних электронных оболочек атома на каждом энергетическом уровне z=2n 2 электронов излучается линия излучается линия излучается линия в общем случае длина волны характеристического излучения z – заряд ядра m – номер оболочки, НА которую переходит е - n – … С которой… – постоянная экранирования (серии) R =1,097 ∙ 10 7 м -1 – постоянная Ридберга закон Мозли (1913) определение заряда химического элемента совпадение с порядковым номером по табл. Д.И.Менделеева Характеристическое излучение возникает при переходе вышележащих электронов на освободившееся место n – номер энергетического уровня
не зависит от природы рассеивающего вещества 1923 г. В рассеянных лучах, наряду с излучением первоначальной длины волны λ, содержатся лучи большей длины волны λ ’ λ к =2,426 ∙ 10 -12 м комптоновская длина волны Объяснение по фотонной теории закон сохранения импульса закон сохранения энергии = ? h е -
Значение комптоновского эффекта подтверждает квантовую фотонную природу рентгеновского излучения подтверждает применимость законов сохранения в микромире Исследовательские задания: Опишите на основе методологии научного исследования работы Комптона по рассеянию рентгеновского изучения на свободных электронах Исследуйте зависимость длины волны и интенсивности рассеянного излучения от угла рассеяния
Излучение тел, вызванное их нагреванием Тепловое излучение Ускоренно движущиеся заряженные частицы Источник излучения Свечение тел, вызванное ВНЕШНИМ воздействием Люминес-ценция Следует отличать тепловое излучение от люминесценции ! Существует при любой температуре при низких Т – длинноволновые (ИК) ЭМ волны при высоких Т– короткие (УФ) ЭМ волны Может находиться в равновесии с излучаемым его телом Существует, пока есть внешнее воздействие Тепловое равновесие тело излучает температура тела ↓
физическая величина, численно равная энергии излучения с единицы поверхности за единицу времени в единичном интервале частот Спектральная плотность энергетической светимости энергия излучения с единицы поверхности за единицу времени в интервале частот от 0 до ∞ Энергетическая светимость отношение поглощенной энергии к той энергии, которая подходит к данной поверхности Поглощательная способность
Тело, обладающее свойством поглощать все падающее на его поверхность ЭМ излучение любого спектрального состава Абсолютно черное тело (АЧТ) идеализация, модель ! Вход в пещеру Сажа Черный бархат примеры: Окно извне Торец трубы Отверстие в замкнутой полости спектральная плотность энергетической светимости АЧТ энергетическая светимость АЧТ поглощательная способность АЧТ
НЕ зависит от природы тела Отношение спектральной плотности энергетической светимости любого тела к его поглощательной способности есть величина, равная спектральной плотности энергетической светимости АЧТ (функция Кирхгофа) ! Энергия излучения с единицы поверхности за единицу времени в единичном интервале частот Спектральная плотность энергетической светимости Отношение поглощенной энергии к той энергии, которая подводится к данной поверхности Поглощательная способность функция Кирхгофа является для всех тел одной и той же функцией частоты (длины волны) и температуры
1. излучение поглощение Максимальной спектральной плотностью энергетической светимости обладает абсолютно черное тело А ν,Т =1 Если при какой-либо температуре тело не поглощает энергию, то оно при этой температуре и не излучает А ν,Т =0 2.
1879 – эксперимент – Стефан 1884 – теоретическое обоснование – Больцман Энергетическая светимость АЧТ численно равна энергии излучения с единицы поверхности за единицу времени Спектральная плотность энергетической светимости пропорциональна температуре в 4 степени энергия излучения с площади S за время t постоянная Стефана-Больцмана 1893 – Вин впервые установил вид функции Кирхгофа некоторая неизвестная Вину функция Закон Вина Закон Стефана-Больцмана
При повышении температуры , соответствующая максимуму спектральной плотности энергетической светимости смещается в сторону коротких длин волн Закон смещения Вина Из закона Вина
Формула Рэлея-Джинса Энергия, излучаемая с 1 м 2 за 1 с Определение функции Кирхгофа Исходя из законов статистической физики о равнораспределении по степеням свободы в единичном интервале частот исходя из положений классической физики (5000 К) по всем частотам фактически Энергия, излучаемая с любой площади НЕ может быть ∞ большой величиной ! удовлетворительно описывает излучение только в области длинных волн Возможно ли это? Ультрафиолетовая катастрофа
Макс Планк Предложил согласующееся с опытными данными выражение для спектральной плотности энергетической светимости черного тела Квантовая гипотеза атомы излучают энергию не непрерывно, а определенными порциями — квантами, причем энергия кванта пропорциональна частоте колебания h = 6,625 10 –34 Дж с постоянная Планка Функция Кирхгофа по Планку 1900 г. ! Исследовательские задания: Опишите на основе методологии научного исследования работы Планка по изучению излучения абсолютно черного тела Исследуйте зависимость спектральной плотности энергетической светимости от частоты по формуле, полученной Планком на основе квантовой гипотезы
Функция Кирхгофа по Планку Закон Вина Формула Рэлея-Джинса законы теплового излучения Закон смещения Вина полагая Закон Стефана-Больцмана
Представления о строении атома Пространственная форма s-, p-, d-, f- атомных орбиталей
Постулаты Бора Существуют такие стационарные состояния атома, находясь в которых атом не излучает и не поглощает энергии 1. При переходе из состояния с большей энергией (удаленной от ядра орбиты) в состояние с меньшей энергией (ближе к ядру) происходит излучение энергии 2.
Волновые свойства частиц Волновые свойства присущи ВСЕМ частицам универсальное, общее свойство материи формула де Бройля Частице m= 1 г, движущейся со υ = 1 м/с, соответствует волна де Бройля с = 6,62 10 –31 м Такая длина волны лежит за пределами доступной наблюдению области Волновые свойства должны быть присущи и макроскопическим телам ! ? Почему они не обнаруживаются экспериментально? считается, что макроскопические тела проявляют только одну сторону своих свойств — корпускулярную — и не проявляют волновую
Двойственная корпускулярно-волновая природа частиц вещества нельзя говорить Ограничение применения понятий классической механики к объектам микромира По законам классической механики частица движется по определенной траектории в любой момент времени координата х и импульс р точно определены об одновременном определении точных значений х и р о движении микрочастицы по определенной траектории 1927 г. невозможно одновременно точно определить координату частицы и ее импульс чем точнее определена координата, тем > неопределенность импульса x → 0 p → ∞ ! Соотношения неопределенностей Гейзенберга Е – неопределенность энергии некоторого стационарного состояния системы t – промежуток времени, в течение которого существует данное состояние системы x → ∞ p → 0
Экспериментальное подтверждение идеи де Бройля об универсальности корпускулярно-волнового дуализма развитие квантовой теории О граниченность применения классической механики к микрообъектам (соотношение неопределенностей) Противоречие ряда экспериментов с применяемыми в начале XX века теориями создание квантовой механики описывает законы движения и взаимодействия микрочастиц с учетом их волновых свойств Особенность квантовой теории вероятностный подход к описанию состояния микрочастиц состояние микрочастиц описывается – с помощью волновой функции ψ ( x,y,z ), являющейся основным носителем информации об их корпускулярных и волновых свойствах ψ -функция, волновая функция имеет смысл плотности вероятности, т.е. определяет вероятность нахождения частицы в единичном объеме в окрестности точки с координатами х, у, z
Чтобы волновая функция являлась объективной характеристикой состояния микрочастиц, она должна удовлетворять ряду условий КОНЕЧНОЙ (вероятность не м.б. >1 ) ОДНОЗНАЧНОЙ (вероятность не м.б. неоднозначной величиной) НЕПРЕРЫВНОЙ (вероятность не может изменяться скачком) -ф ункция должна быть : Волновая функция позволяет вычислять средние значения физических величин, характеризующих данный микрообъект ψ -функция, волновая функция имеет смысл плотности вероятности, т.е. определяет вероятность нахождения частицы в единичном объеме в окрестности точки с координатами х, у, z напр., вероятность обнаружить частицу в элементе dV
1926 г. Статистическое толкование волн де Бройля Соотношения неопределенностей Гейзенберга уравнение движения в квантовой механике, описывающее движение микрочастиц в различных силовых полях – д.б. волновым, из него должны вытекать наблюдаемые на опыте волновые свойства частиц Основное уравнение нерелятивистской квантовой механики Общее уравнение Шрёдингера (зависит от времени) постоянная Планка (с чертой) оператор Лапласа (лапласиан) i – мнимая единица U ( x,y,z,t ) – потенциальная энергия частицы в силовом поле, в котором она движется ψ ( x,y,z,t ) – искомая волновая функция частицы в силовом поле, в котором она движется
Стационарные состояния состояния с фиксированными значениями энергии т.е. U ( x,y,z,t ) f(t) НЕ зависит от времени Это возможно, если силовое поле, в котором частица движется, стационарно решение уравнения Шрёдингера – в виде произведения двух функций: функции т. КООРДИНАТ функции т. ВРЕМЕНИ Для многих физических явлений микромира уравнение Шрёдингера, зависящее от времени можно упростить, исключив ( t) зависимость от времени выражается множителем после подстановки и преобразований Е – полная энергия частицы уравнение Шрёдингера для стационарных состояний
уравнение Шрёдингера для электрона в потенциальной яме линейного гармонического осциллятора прохождения частицы через потенциальный барьер электрон в атоме водорода Линейный гармонический осциллятор Решая данное уравнение, получаем n = 1, 2, … Совокупность уровней энергии
Решая уравнение Шрёдингера, получаем: U = 0 при 0 x l U = ∞ при x < 0 и х > l (0)= ( l ) = 0 при x =0 и x = l n = 1, 2, … 1. Собственные значения энергии 2. Собственные волновые функции 3. Амплитуду а найдем по условию нормировки
Решая данное уравнение, получаем: n = 1, 2, … 1. Собственные значения энергии 2. Формулу Планка При больших квантовых числах 3. Нулевая энергия гармонического осциллятора
Разность фаз Уравнение гармонического колебания Оптическая разность хода
10 3 —10 5 см –1 движение свободных электронов под действием ЭП световой волны выделение джоулевой теплоты ЭП световой волны свободные электроны быстропеременные токи энергия световой волны быстро уменьшается, превращаясь во внутреннюю энергию металла металлы непрозрачны для света Чем выше проводимость металла тем сильнее в нем поглощение света возникно-вение д ействует на
Российский физик. Получил кривую намагничивания железа ( 1872 ), систематически исследовал внешний фотоэффект (1888—1890), открыл первый закон фотоэффекта. Исследовал газовый разряд, критическое состояние и другие явления. Основал физическую лабораторию в Московском университете ( 1874 ). Основные работы в области электромагнетизма, оптики, молекулярной физики, философии. Первым показал, что при увеличении намагничивающего поля магнитная восприимчивость железа сначала растёт, а затем, после достижения максимума, уменьшается ( 1872 ). Снял кривую магнитной проницаемости ферромагнетика ( кривая Столетова ). Автор двух методов магнитных измерений веществ (метод тороида с замкнутой магнитной цепью и баллистическое измерение намагниченности ). Провёл ряд экспериментов по измерению величины отношения электромагнитных и электростатических единиц, получил значение, близкое к скорости света ( 1876 ). Провёл цикл работ по изучению внешнего фотоэффекта, открытого в 1887 году Г. Герцем (1888—1890). Создал первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте. Рассмотрел инерционность фототока и оценил его запаздывание в 0,001 с. Открыл прямо пропорциональную зависимость силы фототока от интенсивности падающего на фотокатод света (первый закон внешнего фотоэффекта, закон Столетова ). Открыл явление понижения чувствительности фотоэлемента со временем (явление фотоэлектрического утомления) ( 1889 ). Основоположник количественных методов исследования фотоэффекта. Автор метода фотоэлектрического контроля интенсивности света. Исследовал несамостоятельный газовый разряд. Обнаружил постоянство отношения напряжённости электрического тока к давлению газа при максимальном токе ( константа Столетова ). Провёл цикл работ по исследованию критического состояния вещества (1892—1894). 10 августа 1839 – 27 мая 1896 Россия, Москва
Физик-теоретик, один из основателей современной теоретической физики лауреат Нобелевской премии по физике 1921 года, общественный деятель- гуманист. Жил в Германии (1879—1893, 1914—1933), Швейцарии (1893—1914) и США (1933—1955). Почётный доктор около 20 ведущих университетов мира, член многих Академий наук, в том числе иностранный почётный член АН СССР ( 1926 ). Эйнштейн — автор более 300 научных работ по физике, а также около 150 книг и статей в области истории и философии науки, публицистики и др. Он разработал несколько значительных физических теорий: Специальная теория относительности ( 1905 ). В её рамках — закон взаимосвязи массы и энергии : E = mc 2. Общая теория относительности ( 1907 — 1916 ). Квантовая теория фотоэффекта и теплоёмкости. Квантовая статистика Бозе — Эйнштейна. Статистическая теория броуновского движения, заложившая основы теории флуктуаций. Теория индуцированного излучения. Теория рассеяния света на термодинамических флуктуациях в среде [2] Он также предсказал «квантовую телепортацию» и гиромагнитный эффект Эйнштейна — де Хааза. С 1933 года работал над проблемами космологии и единой теории поля. Активно выступал против войны, против применения ядерного оружия, за гуманизм, уважение прав человека, взаимопонимание между народами. Эйнштейну принадлежит решающая роль в популяризации и введении в научный оборот новых физических концепций и теорий. В первую очередь это относится к пересмотру понимания физической сущности пространства и времени и к построению новой теории гравитации взамен ньютоновской. Эйнштейн также, вместе с Планком, заложил основы квантовой теории. Эти концепции, многократно подтверждённые экспериментами, образуют фундамент современной физики 14 марта 1879 Германия – 18 апреля 1955 США Albert Einstein
Макс Карл Эрнст Людвиг Планк [1] ( нем. Max Karl Ernst Ludwig Planck ; 23 апреля 1858, Киль — 4 октября 1947, Гёттинген ) — выдающийся немецкий физик. Как основатель квантовой теории предопределил основное направление развития физики с начала XX века.
Немецкий математик, астроном, оптик и астролог. Открыл законы движения планет. Johannes Kepler 27 декабря 1571 – 15 ноября 1630 Германия
Немецкий физик, лауреат Нобелевской премии по физике 1925г. «за открытие законов соударения электрона с атомом» (совместно с Джеймсом Франком) Племянник знаменитого Генриха Герца 1945-1954 – возглавлял исследовательскую лабораторию (Сухуми) Лауреат Сталинской премии за исследования динамики и устойчивости каскадов газодиффузионного разделения изотопов урана В 1955 г. – руководитель научного совета по мирному применению атомной энергии при совете министров ГДР 22 июля 1887— 30 октября 1975, Германия Gustav Ludwig Hertz
Луиджи Гальвани 1737-1798 Италия Александр Григорьевич Столетов 1839-1896 Россия, Москва Филипп Эдуард Антон фон Ленард 1862-1947 Германия Альберт Эйнштейн Albert Einstein 1879-1955 Германия, США
Австрийский физик и математик Член Австрийской академии наук (1865) 24 марта 1835 – 7 января 1893, Австрия Joseph Stefan
нем. Ludwig Eduard Boltzmann, 20 февраля 1844, Вена, Австрийская империя — 5 сентября 1906, Дуино, Италия — австрийский физик-теоретик, основатель статистической механики и молекулярно-кинетической теории. Член Австрийской академии наук (1895), член-корреспондент Петербургской академии наук (1899) и ряда других. ученик Й.Стефана
Немецкий физик Окончил Берлинский университет в 1886 1892-1896 приват-доцент Берлинского университета 1896-1899 профессор Высшей технической школы в Ахене с 1900 профессор Вюрцбургского, затем Мюнхенского университетов В 1893 вывел теоретический закон излучения абсолютно чёрного тела и показал, что максимум энергии излучения должен смещаться по спектру излучения с ростом температуры 1911 – Нобелевская премия за изучение теплового излучения Исследовал отклонение каналовых лучей в электрическом и магнитном полях, разработал метод измерения длительности свечения свободных атомов Один из авторов многотомного «Руководства по экспериментальной физике» Wilhelm Wien 13 января 1864 – 30 августа1928, Германия
Австрийский физик-теоретик Автор ряда фундаментальных результатов в области квантовой теории, которые легли в основу волновой механики : с формулировал волновые уравнения ( стационарное и зависящее от времени уравнения Шрёдингера ), показал тождественность развитого им формализма и матричной механики, разработал волновомеханическую теорию возмущений, получил решения ряда конкретных задач, предложил оригинальную трактовку физического смысла волновой функции еоднократно подвергал критике общепринятую копенгагенскую интерпретацию квантовой механики (парадокс « кота Шрёдингера ») Автор множества работ в различных областях физики : статистической механике и термодинамике, физике диэлектриков, теории цвета, электродинамике, общей теории относительности и космологии; предпринял несколько попыток построения единой теории поля Erwin Schrödinger 1 2 августа 1887 – 4 января1961, Австрия
Рэлей (Стретт) Джон Уильям (1842–1919) – английский физик. Работы посвящены теории колебаний, одним из основоположников которой он является, акустике, теории теплового излучения, молекулярной физике, гидродинамике, электромагнетизму, оптике. Исследовал колебания упругих тел, первый обратил внимание на автоколебания. Заложил основы теории молекулярного рассеяния света, объяснил голубой цвет неба. Сконструировал рефрактометр (рефрактометр Рэлея).
Джинс Джеймс Хопвуд (1877–1946) – английский физик и астрофизик. Основные физические исследования посвящены кинетической теории газов и теории теплового излучения. Вывел в 1905 году формулу плотности энергии (закон Релея–Джинса). Работы Джинса посвящены также квантовой теории, математической теории электричества и магнетизма, теоретической механике, теории относительности.
Британский физик Открыл (с Уильямом Рамзаем) газ аргон, за это получил Нобелевскую премию по физике в 1904 г. Открыл явление, называемое рассеянием Рэлея и предсказал существование поверхностных волн, которые также называются волнами Рэлея 1861-1871 гг. - Тринити-колледж Кембриджского университета: обучение, сотрудник факультета. с 1873 г. член Лондонского королевского общества 1879-1884 гг. - второй Кавендишский профессор (после Джеймса Максвелла) этого университета и директор Кавендишской лаборатории С 1887 - профессор Британского королевского института (Лондон) 1905-1908 гг. - председатель Лондонского королевского общества 1908-1919 гг. - глава Кембриджского университета 12 ноября 1842– 30 июня 1919, Англия John William Strutt, Third Baron Rayleigh
Исследование аномальной дисперсии создал Государственный оптический институт (ГОИ), 1918 создал авторитетную научную школу оптиков один из организаторов оптической промышленности в СССР 1876-1940, Россия, Санкт-Петербург
1775-1812 Франция Этьен Луи Малюс
1781-1868 Шотландия David Brewster
Трофимова Т.И. Курс физики Костко О.К. Физика для строительных и архитектурных вузов Сахаров Д.И., Блудов М.И. Физика для техникумов Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики http :// aco. ifmo. ru / el _ books / basics _ optics / http://all-fizika.com/ http :// bse. sci - lib. com / http://elementy.ru/physics http://ens.tpu.ru/posobie.htm http://fn.bmstu.ru/phys/bib/physbook/tom6/content.htm http://physoptika.ru/ http://ru.wikipedia.org http :// rutube. ru / tracks /1425275. html ? v =0 ccd 9 cf 27 c 52 d 982 fb 958 fea 16 fb 3057 http :// school - collection. edu. ru http://stoom.ru/content http://tsput.ru/res/3.php http://web.mit.edu/newsoffice/science.html http :// www. allbiograf. ru / category / fizika / http://www.epsilon.cc/ http :// www. fizika. kr. ua / index. php http://www.ido.rudn.ru/nfpk/fizika/ http://www.kit-e.ru/articles/displ/2007_7_22.php http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/ http :// www. osram - auto. ru / prof / page 1970/ page 8449/ http :// www. physbook. ru / index. php / http :// www. seninvg 07. narod. ru / s _ portfolio _ virt 2. htm http://www.varson.ru/ и др.
