Учебно-методический комплекс дисциплины ен. Ф. 7 Физика: оптика; квантовая физика; физика атомного ядра (шифр дисциплины и ее название в строгомсоответствии с государственным образовательнымстандартом и учебным планом)

§ 14 - 2 Принцип действия лазера. Как уже отмечалось, кроме случайных переходов электронов в атоме с одной орбиты на другую, существуют еще и вынужденные переходы, происходящие под действием внешнего переменного поля. В этом случае фаза и направление световых колебаний жестко связы­ваются с аналогичными параметрами вынуждающего излучения. Если в качестве та-кого из­лучения можно бы было использовать один или несколько квантов, то возникающее вторич­ное излучение носило бы когерентный характер. Для достижения этого необходимо, чтобы один и тот же квант вынуждающего излучения инициировал излучение большого количес­тва возбужденных атомов, которые ждали бы такого внешнего воздействия, т.е.их время жизни в возбужденном состоянии было бы значительно больше, чем у обычных атомов.Это значит, что атомы, как принято говорить, должны находится в метастабильном состоянии. Такое метастабильное состояние обычно получается в атомах примеси, находящихся в окружении "чужих" атомов. Причины такой метастабильности суть прямое следствие квантовомеханических расчетов, которые в нашем курсе не проводятся. Длительность пре-быва­ния атома в метастабильном состоянии в несколько тысяч раз превышает их время жизни в обычном возбужденном состоянии. Для того, чтобы процессы излучения прева­лировали над процессами поглощения, требуется создать инверсию заселенно­сти атомных уровней, т.е.добиться того, чтобы число атомов с энергией Е2 было больше.чем число атомов с энергией е1 (Е2 >E1). Такая инверсионная заселен­ность достигается с помощью внешнего воздействия: это либо сильный некоге­рентный свет, как в рубиновом лазере, либо газовый разряд - в газовых лазерах, где энергия передается путем ионизации при столк-новениях. Схема получения когерентного излучения в газовом лазере, работающего на сме- Рис.62. Схема действия гелиево-неонового лазера. си гелия и неона показана на рис.62. Смесь гелия и неона помещена в газоразрядную трубку. Атомы гелия испытывают возбуж-дения в газовом разряде и перехо­дят в мета- стабильное состояние. При их столкнове-ниях с атомами неона, последние также переходят в возбужденное метастабильное состояние. Трубка помещена между двумя плос­кими параллельными зеркалами так, что случайно излученный квант многократно отража­ется от зеркал и проходит через всю трубку по ее длине. Такой квант могут излучать лишь атомы неона. Проходя мимо метастабильно возбужденных атомов неона, этот квант вызы­вает у них вынужденное излучение. Это когерентное излучение, в свою очередь, многократ­но отражаясь от зеркал, вызывает новые вынужденные переходы и т. д. Процесс развивается лавинообразно.Для того, чтобы получившийся когерентный свет мог выйти наружу, одно из зеркал делается полупрозрачным. Для лучшей фокусировки луча зеркала делаются немного вогнутыми. Кроме того, для улучшения условий возбуждения зеркала размещаются так, чтобы между ними укладывалось целое число световых волн. Когерентный свет образуется при переходе с уровня Е2 на уровень E1 . Накопления атомов в состоянии с е1 не происходит, т. к. вступает в действие механизм передачи энер­гии от этих атомов стенкам труб-ки путем уп­ругих столкновении, если диаметр трубки не слишком велик. Торцевые стенки трубки име­ют важную конструктивную особенность. Ес­ли сделать их перпендикулярными лучу, то при каждом прохождении луча света на гра­нице раздела теряется примерно 8-10% ин­тенсивности падающего света. При многократном про-хождении мощность потерь во много раз может превысить мощность выходящего луча. Рис.63. Конструкция выходных окон лазе- ра. Чтобы этого не происходило, торцевые сто-роны трубки делаются наклонными так , что угол наклона (см. рис.63) равен углу Брюс-тера. Как мы знаем, при падении света под углом Брюстера на прозрачную границу в отра­женном свете полностью отсутствует поляризация, лежащая в плоскости падения. Другими словами, это значит, что поляриза- ция в плоскости падения целиком проходит через границу раздела вакуум - диэлектрик. Лазеры ( название состоит из первых букв английского light amplification by stimu­lated emission of radiation) находят очень широкое применение в современной науке и технике. Их применяют при изготовлении деталей современной электроники, для сварки тка­ней в медицине, термообработке деталей в машиностроении, передаче информации и т.п. С лазерами связываются определенные надежды в получении управляемой реакции ядерного синтеза. § 14 - 3 Строение ядра атома. Согласно современным представлениям в состав ядра атома входят протоны и нейтроны. Размеры ядра очень малы – всего10-'5 м. Частицы удерживаются в столь малых размерах с помощью особых ядерных сил. Эти силы характеризуются тем, что они дей-ствуют только на очень малых расстояниях. Кроме того, они сильно зависят от расстояния (не менее.чем 1/г3) и обладают свойством насыщения. Теория ядерных сил не может быть изложена в рамках настоящего курса ввиду отсутствия соответствующей математической базы, но некоторые представления о природе ядерных сил можно получить из гипотезы японского физика Х.Юкавы, который в 1935 году предположил, что нейтроны и протоны удерживаются благо­даря тому, что они обмениваются друг с другом некими частицами, масса которых примерно равна 300 массам электрона. Эти частицы получили название мезонов ( для теории Юкавы - это так называемый минус  - мезон). Суть взаимодействия сводится к тому, что нейтрон ис­пускает  -мезон и превращается в протон, тогда как протон в ядре тут же захватывает по­лучившийся мезон и превращается в нейтрон. В настоящее время идея Юкавы получила разразвитие в рамках другой теории - так называемой теории глюонов ( от английского слова glue - клей), однако изложение основ этой теории невозможно в курсе общей физики. Число протонов в атоме определяет его как химический элемент, тогда как число ней­тронов в атоме может меняться - при этом образуются разные изотопы. У каждого элемента периодической таблицы может быть несколько изотопов. Например, существуют три изото­па водорода: протий, дейтерий и тритий. Массы нейтрона и протона измерены достаточно точно. При этом было замечено.что суммарная масса всех протонов и нейтронов, входящих в состав ядра атома, никогда не рав­няется массе данного химического элемента - масса ядра меньше суммарной массы всех ней­тронов и протонов. Это явление получило название дефекта масс. Сущность этого дефекта в том, что часть массы как бы превращается в энергию связи протонов и нейтронов в ядре( для численной оценки используется знаменитая формула Е = m с2). Чтобы атом снова распался на составные части, ему нужно сообщить энергию. Для большинства элементов средней час­ти таблицы Менделеева величина энергии, необходимой для"разбиения" атома на составляющие, очень велика, но к концу таблицы энергия связи уменьшается, и может случится, что сообщение ядру сравнительно небольшой энергии окажется достаточным для преодоления притяжения протонов и нейтронов. Переносчиком такой "затравочной" энергии обычно слу­жат свободные нейтроны. При распаде ядер тяжелых элементов энергия связи выделяется в виде большого количества тепла. Распад тяжелых элементов, в первую очередь, таких как уран и плутоний, используется на практике для получения энергии. Выделение энергии может происходить либо за малый промежуток времени (взрыв), либо достаточно плавно( атомный котел). Это выделение энер­гии достигается путем осуществления цепной реакции деления. Наиболее известна реакция деления изотопа урана U В природном уране концентрация 235 - изотопа незначительна, поэтому добытую руду подвергают предварительному обогащению, однако даже в обога­щенном уране превалирует основной изотоп - уран-238. Деление ядер урана происходит при попадании в них нейтронов, причем разные изотопы "требуют" различных нейтронов. Так 238-изотоп делится при попадании в него быстрых нейтронов, тогда как 235 -изотоп делится под действием медленных нейтронов (термин"медленный"означает, что скорость нейтронов сравнима с скоростью теплового движения молекул).При каждом элементарном акте деле­ния кроме тепловой энергии получается некоторое число (от одного до трех) нейтронов, наличие которых и обеспечивает цепной характер реакции. Для осуществления цепной реакции деления урана-235 необходимо выполнение трех условий: 1.нейтроны должны быть медленными, 2-коэффициент размножения нейтронов должен быть больше единицы, З.масса изотопа должна быть больше критической. Для получения медленных (тепловых) нейтронов используются замедлители (тяжелая вода или графит). Скорость размножения нейтронов регулируется путем введения специальных поглотителей (бор или кадмий). Требование критической массы связано с тем, что процесс поглощения вторичных нейтронов является случайным - нейтрон должен пролететь мимо достаточного числа делящихся атомов, прежде чем он будет поглощен. Требуемые для нача­ла реакции первичные нейтроны всегда присутствуют в окружающей среде как следствие природной радиоактивности, или как результат воздействия на земную атмосферу косми­ческих лучей ( космические лучи - это поток тяжелых частиц с очень большой энергией ). Кроме цепной реакции деления возможна реакция синтеза более тяжелых ядер из ядер лег­ких элементов. Выделяющееся при этом количество тепла во много раз превышает тепло, образующееся при цепной реакции деления. Для возникновения такой реакции необходимо преодолеть кулоновские силы отталкивания, что достигается сообщением ядрам высоких скоростей встречного движения. Высокие скорости, а следовательно, и высокие энергии, достигаются тем, что атомы разогреваются до температур порядка 10 млн. градусов. В земных условиях это достижимо лишь при атомном взрыве. Реакция синтеза при этом носит неуправляемый характер. Устройство, где осуществляется реакция синтеза атомов гелия из смеси дейтерия и трития, называют водородной бомбой. Реакция синтеза сопровождается выделением большого числа нейтронов и также является цепной (пример - Солнце). § 14-4 Строение элементов и периодическая таблица. Как уже отмечалось, заряд ядра атома, а следовательно, и его положение в таблице Менделеева определяется количеством протонов. Число электронов, окружающих ядро, должно соответствовать числу протонов. Вследствие запрета Паули, электроны располагаются на разных энергетических уровнях. Величина энергии зависит от значения главного квантового числа n. Форма орбиты (в рамках теории Бора) определяется орбитальным квантовым чис­лом l, значения которого могут изменяться от ( n-1) до -( n-1). 0рбиты с разными l носят на­звания: s - оболочек ( l = 0 ), р- оболочек (l = 1), d- (l = 2), f- ( l = 3) и т.д. На каждой оболочке размещается 2( 2l + 1) электронов, т.е. их число равно 2 (одному значению l соответствуют два электрона с противоположными направлениями спинов), 6,10,14 и т.д. Общее число электронов в атомах, где оболочки полностью заполнены равно 2,8,18,32 и т.д. Рассматривая таблицу, можно заметить, что этим числам соответствуют атомы гелия, неона, аргона, крипто­на и т.д. ,т.е. атомы инертных газов. Свойства каждого элемента определяются тем, как выгод­нее ему достроить свою внешнюю оболочку до замкнутой: отдавая. или получая электроны. Заполнение оболочек происходит постепенно при переходе от одного элемента к другому, но порядок заполнения может нарушаться для так называемых переходных элементов. Электронам оказывается энергетически выгоднее занимать орбиты с большим квантовым числом, оставляя незаполненной внутреннюю оболочку. По названию незаполненной оболо­чки переходные элементы образуют 3d-, 4d - и 5d - группы. Отдельные группы образованы редкоземельными и трансурановыми элементами. Предмет оптики. Оптика  раздел физики, изучающий свойства и физическую природу света, а также его взаимодействие с веществом. Под светом понимают видимый свет, а также инфракрасную и ультрафиолетовую часть спектра. Диапазон оптического спектра:  = 2мм  10нм;  = 1,5*1011 Гц  3*1016Гц. Для объяснения световых явлений в физике используются 2 теории света: корпускулярная (И. Ньютон) и волновая (Х. Гюйгенс). По волновой (электромагнитной) теории световое излучение представляет собой электромагнитные волны. Свет  волны поперечные. Е  световой вектор (оказывает физиологическое, фотоэлектрическое и фотохимическое и др. воздействия). с = 3*108м/с  скорость света в вакууме = 1/  (0 * 0). Фазовая скорость распространения электромагнитных волн: V -= с /  ( * ). Отношение скорости света в вакууме к фазовой скорости в среде называется абсолютным показателем преломления этой среды: n = с / V =  ( * ). При помощи волновой теории объясняют законы распространения света. По корпускулярной (фотонной) теории световое излучение представляет собой поток фотонов (корпускул). На основе корпускулярной теории объясняют законы взаимодействия между светом и веществом. Волновые свойства света проявляются в явлениях интерференции и дифракции. Интерференция света. 1. Понятие о цуге световых волн. Излучение светящегося тела слагается из волн, испускаемых отдельными атомами. Процесс излучения отдельного атома продолжается  108c. За это время успевает образоваться последовательность горбов и впадин протяженностью  3х метров, так называемый "цуг волн". "Погаснув" атом через некоторое время "вспыхивает" вновь. Одновременно вспыхивают много атомов. Возбуждаемые ими цуги волн, налагаясь друг на друга, образуют световую волну. Плоскость колебаний каждого цуга ориентирована случайным образом. Поэтому, несмотря на то, что световые волны  волны поперечные, в результирующей световой волне колебания происходят во всевозможных направлениях. 2. Понятие о когерентности световых волн. Когерентностью называется согласованное протекание нескольких колебательных или волновых процессов. Колебания называются когерентными, если разность их фаз остается постоянной во времени. 3. Сложение световых волн от некогерентных источников. Естественные источники света некогерентны, т.к. фаза нового цуга волн никак не связана с фазой предыдущего. Пусть две волны одинаковой частоты от когерентных источников, накладываясь друг на друга, возбуждают в некоторой точке пространства колебания одинакового направления (т.е. векторы Е1 и Е2 однонаправлены). у1 = А1 * cos (t + 1); у2 = А2 * cos (t + 2). Амплитуда результирующего колебания: А2 = А21 + А22 + 2 А1 А2 * cos , где  = (2  1)  разность фаз колебаний, т.к. источники некогерентны, то  непрерывно изменяется, принимая с равной вероятностью любые значения. Поэтому среднее по времени значение = 0, тогда: <А2> = <А21> + <А22>, т.к. J  Е2  А2, то J = J1 + J2, т.е. интенсивность, наблюдаемая при наложении некогерентных волн, равна сумме интенсивностей, создаваемых каждой из волн в отдельности. Сложение световых волн от когерентных источников света. Интерференция света. В случае когерентных волн cos  имеет постоянное во времени для каждой точки пространства значение. Тогда: J = J1 + J2 + 2  (J1J2) * cos . С тех точках пространства где: cos  > 0 , то J > J1 + J2 cos  < 0 , то J < J1 + J2 т.е. при наложении когерентных световых волн происходит перераспределение светового потока в пространстве: в одних местах возникают максимумы, в других  минимумы интенсивности. Интерференция света – сложение в пространстве двух (или нескольких волн), при котором в разных его точках получается усиление или ослабление результирующей волны. Интерференция световых волн от двух источников. Щели S2 и S1 находящиеся на расстоянии d друг от друга и являются когерентными источниками света. Интерференция наблюдается в производной точке А экрана, параллельной обеим щелям и расположенным от них на расстоянии l, причем l >> d. Интенсивность в любой точке А, лежащей на расстоянии от х до 0, определяется оптической разностью хода  = S2  S1  S22 = l2 + (x + d/2)2, S12 = l2 + (x  d/2)2  S22  S12 = 2xd   = S2  S1 = 2xd / (S2 + S1), т.к. l>>d, то S2 + S1  2l   = xd/l. хMAX =  m * 0 * l / d  условие максимума хMIN=  (m + ½) * 0 * l / d  условие минимума. Расстояние м/д двумя соседними максимумами (или минимумами), называется шириной интерференционной полосы: ч = l * 0 / d. Интерференционная картина, создаваемая на экране 2-мя когерентными источниками света, представляет собой чередование светлых и темных полос параллельных друг другу. Способы наблюдения интерференции. Естественные источники света испускают некогерентные волны. Поэтому когерентность интерферирующих волн обеспечивают искусственным способом: разделение каждой волны на две волны в одном месте и соединение их в другом месте. Эти волны проходят различные пути, и между ними существует разность фаз. 1) Метод Юнга. Источником света служит ярко освещенная щель S, от которой световая волна падает на две узкие равноудаленные щели S1 и S2, параллельные щели S. Т.о. щели S1 и S2 играют роль когерентных источников. Интерференционная картна наблюдается на экране, расположенном на некотором расстоянии параллельно S1 и S2. 2) Зеркала Френеля. Свет от источника S падает расходящимся пучком на два плоских зеркала А1О и А2О, расположенных относительно друг друга под углом, лишь немного отличающимся от 1800 (угол  мал). Учитывая правила построения изображения в поских зеркалах, можно показать, что и источник, и его изображения S1 и S2 (угловое расстояние между которыми равно 2) лежат на одной и той же окружности радиуса r с центром в О (точка соприкосновения зеркал). Световые пучки, отразившиеся от обоих зеркал, можно считать выходящими из мнимых источников S1 и S2, являющихся мнимыми изображениями S в зеркалах. Мнимые источники S1 и S2 взаимно когерентны, и исходящие из них световые пучки, встречаясь друг с другом, интерферируют в области взаимного перекрывания. Можно показать, что максимальный угол расхождения перекрывающихся пучков не может быть больше 2. Интерференционная картина наблюдается на экране, защищенном от прямого попадания света заслонкой З. 3) Бипризма Френеля: она состоит из двух одинаковых, сложенных основаниями призм с малыми преломляющими углами. Свет от источника S преломляется в обеих призмах, в результате чего за бипризмой распространяются световые лучи, как бы исходящие из мнимых источников S1 и S2, являющихся когерентными. Т.о., на поверхности экрана происходит наложение когерентных пучков и наблюдается интерференция. Применение интерференции. Явление интерференции обусловлено волновой природой света; его количественные закономерности зависят от длины волны 0, и поэтому это явление применяется для измерения длин волн (интерференционная спектроскопия). Явление интерференции применяется также для улучшения качества оптических приборов (просветление оптики), и получения высокоотражающих покрытий, т.е. на свободные поверхности линз наносят тонкие пленки с показателями преломления меньшим, чем у материала линзы. Применяется в очень точных измерительных приборах, называемых интерферометрами, позволяющих определять незначительные изменения показателя преломления прозрачных тел в зависимости от давления температуры, примесей и т.д. Понятие о дифракции света. Дифракцией называется совокупность явлений, которые обусловлены волновой природой света и наблюдается при его распространении в среде с резко выраженными неоднородностями. Дифракция  огибание волнами препятствий. Дифракционные явления обусловлены интерференцией элементарных волн на границе отсеченного препятствием фронта волны. При этом, чем меньше размеры препятствия или отверстия по сравнению с длиной волны, тем заметнее явление дифракции. Когда размеры препятствия (отверстия) соизмеримы с длиной волны, дифракция обнаруживается в непосредственной близости от препятствия. Однако когда препятствие велико по сравнению с длиной волны, дифракцию тоже можно обнаружить, но на более далеком расстоянии от препятствия. Это объясняется тем, что изменения во фронте волны, обусловленные препятствием, по мере удаления от него делаются все заметнее. Существует два вида дифракции: Френеля – источник и экран находятся на конечном расстоянии от препятствия; Фраунгофера – источник и экран бесконечно удалены друг от друга (дифракция в параллельных лучах). Принцип Гюйгенса. Волновой поверхностью (фронтом волны) называется геометрическое место точек среды, колеблющихся в данный момент времени в одинаковой фазе. По принципу Гюйгенса: каждая точка до которой доходит волновое движение, служит центром вторичных волн; огибающая этих волн дает положение фронта волны в следующий момент. Пусть на плоскую преграду с отверстием падает параллельный ей фронт волны. По Гюйгенсу каждая точка выделяемого отверстием участка волнового фронта служит центром вторичных волн, которые в однородной и избранной среде будут сферическими. Построив огибающую вторичных волн, мы убеждаемся, что за отверстием волна проникает в область геометрической тени. Принцип Гюйгенса не дает никаких сведений об интенсивности распространяющихся световых волн. Принцип Гюйгенса-Френеля. Проникновение световых волн в область геометрической тени может быть объяснено с помощью принципа Гюйгенса. Однако этот принцип не дает сведений об амплитуде, т.е. и об интенсивности волн, распространяющихся в разных направлениях. Френель дополнил принцип Гюйгенса представлением об интерференции вторичных волн в любой точке пространства. Развитый таким способом принцип Гюйгенса получил название принципа Гюйгенса-Френеля. В любой точке, находящейся вне поверхности , световая волна, возбуждаемая источником S, может быть представлена как результат суперпозиции когерентных вторичных волн, которые излучаются элементарными фиктивными (воображаемыми, виртуальными) источниками, непрерывно распределенными вдоль вспомогательной поверхности . Обычно вспомогательную поверхность совмещают в положением в некоторый момент времени одной из волновых поверхностей первичной волны, т.е. начальные фаза всех вторичных волн одинаковы. Таким образом, искусственную гипотезу Гюйгенса об огибающей вторичных волн Френель заменил физически ясным положением, согласно которому вторичные волны при наложении интерферируют друг с другом. Свет должен наблюдаться во всех местах пространства, где при интерференции вторичные волны усиливаются; в тех местах, где они взаимно гасятся, должна наблюдаться темнота. К огибающей все вторичные волны приходят в одинаковых фазах, и их интерференция приводит к большой интенсивности света. Становится понятным отсутствие обратной волны. Вторичные волны, идущие от волнового фронта вперед, вступают в свободное от возмущений пространство. Они интерферируют друг с другом. Вторичные волны, идущие назад, вступают в пространство, где уже есть волновое возмущение  прямая волна. При интерференции вторичные волны гасят прямую волну, так что после прохождения волны пространство за ней оказывается невозмущенным. Принцип Гюйгенса-Френеля означает: волна, отделившаяся от своих источников, в дальнейшем ведет автономное существование, совершенно независящее от наличия источника. Дифракция света на одномерной дифракционной решетке. Дифракционная решетка представляет собой систему из большого числа N одинаковых по ширине и параллельных друг другу щелей в экране, разделенных также одинаковыми по ширине непрозрачными промежутками. Этот случай дифракции наиболее важен, т.к. широко используется во многих экспериментальных методах спектрального анализа света. На рисунке показаны только две соседние щели решетки. При расчете дифракционной картины на экране Э, установленном в фокальной плоскости линзы Л, необходимо учитывать интерференцию вторичных волн как от разных участков одной щели, так и от разных щелей решетки. Если плоская монохроматическая волна падает нормально на решетку, то колебания во всех точках щелей происходят в одинаковой фазе. Колебания, возбуждаемые в произвольной точке F экрана Э каждой из щелей, совпадают по амплитуде и отличаются по фазе. Для каждой пары щелей сдвиг фаз 0 между этими колебаниями одинаков: 0 = 2  d * sin  /  условие главных максимумов: d * sin  =  n *  условие главных минимумов: a * sin  =  m *  В монохроматическом свете дифракционная картина на экране Э, имеет при больших N, вид узких главных max, разделенных практически темными широкими промежутками. Между каждыми двумя главными max находится (N-1) дополнительных максимумов. При освещении решетки белым светом на экране наблюдается неокрашенный центральный максимум нулевого порядка, а по обе стороны от него – дифракционные спектры 1-го, 2-го и т.д. порядков. Спектры имеют вид радужных полосок, в которых непрерывный переход от окраски сине-фиолетового света у внутреннего края спектра к красной у внешнего края. Поляризация света. Поляризация возможна только у поперечных волн. Поляризованной называется волны, в которой существует предпочтительное направление колебаний. Различают следующие виды колебаний: 1) линейная (плоская) поляризация; 2) круговая (циркулярная) поляризация; 3) элептическая поляризация. Волну с круговой и эллиптической поляризацией можно разложить на 2 линейно-поляризованные волны. Естественный и поляризованный свет. Световые колебания – колебания поперечные. Естественный свет неполяризован, т.к. он излучается атомами с совершенно произвольной ориентацией в пространстве. В естественном свете результирующая направленность (вектор Е) совершает в каждой точке поля колебания, направление которых быстро и беспорядочно изменяется в плоскости, перпендикулярной лучу. Плоскость колебаний вектора Е в световой волне называется плоскостью поляризации. Поляризованным называется свет, в котором колебания вектора Е упорядочены каким-либо образом. Если колебания вектора Е происходят только в одной проходящей через луч плоскости, свет называется плоско(линейно)поляризованным. Если вектор поворачивается вокруг луча, одновременно пульсируя по величине, своим концом огибает эллипс, то свет называется эллиптически поляризованным. Если конец вектора Е описывает окружность, то свет циркулярно поляризован. Осевая асимметрия колебаний вектора Е сохраняется и для смеси естественного света с нелинейно-поляризованным. Такой свет называется частично поляризованным. Линейно-поляризованный свет можно легко получить, пропустив естественный свет через пластину турмалина, вырезанную параллельно её кристаллографической (оптической) оси. Турмалин сильно поглощает световые лучи, в которых вектор Е перпендикулярен к оптической оси. Если вектор Е параллелен оси, то такие лучи проходят через турмалин почти без поглощения. Поэтому естественный свет, пройдя через пластину турмалина, наполовину поглощается и становится линейно-поляризованным с вектором Е, ориентированным параллельно оптической оси турмалина. Таким же свойством обладают поляроиды, более удобные в обращении. Они представляют собой искусственно подготовленные коллоидные пленки, служащие для получения поляризованного света. Поляризатор – всякий прибор, служащий для получения поляризованного света. Анализатор - прибор-поляризатор, применяемый для исследования поляризованного света. Т.о. кристаллы турмалина или поляроиды могут служить поляризаторами или анализаторами. Закон Малюса. Допустим, что два кристалла турмалина или 2 поляроида поставлены друг за другом так, что их оси ОА1 и ОА2 образуют между собой некоторый угол. 1-ый поляроид пропускает свет, электрический вектор Е0 которого параллелен его оси ОА1. Пусть J0 – интенсивность этого света. Разложим Е0 на вектор Е11, параллельный оси ОА2 второго поляроида, и вектор Е, перпендикулярный к ней: Е = Е11 + Е. составляющая Е будет задержана вторым поляроидом. Через оба поляроида пройдет свет с электрическим вектором Е  Е11, длина которого Е = Е0 * cos . Интенсивность света, прошедшего через оба поляризатора: J = J0 * cos2  - закон Малюса, где J – интенсивность света, вышедшего из поляроида; J0 – интенсивность падающего плоскопараллельного света;  - угол между плоскостью колебаний падающего света и плоскостью поляризатора. Поставим на пути естественного луча два поляризатора, плоскости которых образуют угол . Из первого поляризатора выйдет плоскополяризованный свет, интенсивность которого J0 составит половину интенсивности естественного света Jест. Согласно закону Малюса из второго поляризатора выйдет свет интенсивности J0 * cos2 . Интенсивность света, прошедшего через два поляризатора: J = ½ Jест * cos2 . При  = 0 - поляризаторы параллельны (J = ½ Jест  максимальная интенсивность). При  = /2 – скрещенные поляризаторы (J = 0, поляризаторы света не пропускают). Способы получения поляризованного света. а) поляризация при отражении и преломлении: Если угол падения света на границу раздела двух диэлектриков отличен от нуля, то отраженный и преломленный лучи оказываются частично поляризованными. В отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные к плоскости падения, в преломленном – колебания, параллельные плоскости падения. Степень поляризации зависит от угла падения. Закон Брюстера: отраженный луч полностью поляризован при угле падения  = Бр, удовлетворяющем условию tg Бр = n21, где n21  относительный показатель преломления отражающей среды. По закону преломления: Sin Бр / sin  = n21  = 90   = 90  Бр sin Бр / sin (90  Бр) = sin Бр / cos Бр   tg Бр = n21 Для стекла Бр = 570. В отличие от отраженного луча при  = Бр преломленный луч остается поляризованным только частично, хотя степень его поляризации и достигает наибольшего значения. Недостатком поляризации при отражении является малая доля отраженного от диэлектриков излучения. Поэтому пользуются многократным отражением волны от стопы пластины, отраженные лучи уносят колебания, перпендикулярные плоскости падения, и проходящий луч, постепенно "очищаясь" от этих колебаний, становится почти полностью поляризованным. б) поляризация при двойном лучепреломлении: двойным лучепреломлением называется способность некоторых веществ расщеплять падающий световой луч на два луча – обыкновенный (о) и необыкновенный (е), которые распространяются в различных направлениях с различной фазовой скоростью и поляризованы во взаимно перпендикулярных направлениях. Такими веществами являются оптически анизотропные вещества, в которых фазовая скорость электромагнитных волн зависит от направления распространения. К ним относятся: многие кристаллы (кроме кристаллов кубической системы; многие прозрачные вещества, находящиеся под давлением внутренних и внешних сил; некоторые изотропные вещества, под действием электрического поля (эффект Керра)). Кристаллы, обладающие двойным лучепреломлением, подразделяются на одно- и двуосные. У одноосных кристаллов один из преломленных лучей подчиняется закону преломления, в частности, он лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью к преломляющей поверхности. Это обыкновенный луч. Для необыкновенного луча отношение sin угла падения и угла преломления не остается постоянным при изменении угла падения. Необыкновенный луч не лежит, как правило, в одной плоскости с падающим лучом и нормалью к преломляющей поверхности. У двуосных кристаллов (слюда, гипс) оба луча необыкновенные – показатели преломления у них зависят от направления в кристалле. У одноосных кристаллов имеется направление, вдоль которого обыкновенный и необыкновенный лучи распространяются не разделяясь и с одинаковой скоростью. Это направление называется оптической осью кристалла. Оптическая ось – это не прямая линия, проходящая через некоторую точку кристалла, а определенное направление в кристалле. Любая прямая, параллельная данному направлению, является оптической осью кристалла. Любая плоскость, проходящая через ось, называется главным сечением или главной плоскостью кристалла. Обыкновенный и необыкновенный лучи полностью поляризованы во взаимно перпендикулярных направлениях. Плоскость колебаний обыкновенного луча перпендикулярна главному сечению кристалла. В необыкновенном луче колебания светового вектора совершаются в плоскости, совпадающей с главным сечением. В некоторых кристаллах один из лучей поглощается сильнее другого. Это явление называется дихроизмом. Очень сильным дихроизмом в видимых лучах обладает кристалл турмалина. В нем обыкновенный луч практически полностью поглощается на длине 1 мм. Обыкновенный и необыкновенный лучи имеют в кристалле различные скорости распространения, т.е. различные показатели преломления. Эти и объясняется двойное лучепреломление. Однако поляризованные лучи выходят из кристалла под очень малым углом друг к другу, что затрудняет их раздельное использование. Чтобы "развести" эти лучи, пользуются различными "поляризующими призмами". Наиболее распространенной является призма Николя, представляющая собой специальным образом обработанный кристалл исландского шпата. Передние грани призмы отшлифованы под определенным углом, кристалл распилен и склеен канадским бальзамом. Обыкновенный луч отводится за счет внутреннего отражения плоскости склейки. а) Естественное вращение. Некоторые вещества, называемые оптически активными, обладают способностью вызывать вращение плоскости поляризации проходящей через них плоско поляризованного света. Плоскость поляризации при этом поворачивается вокруг направления светового луча. К числу оптически активных веществ принадлежат кристаллические тела (кварц, киноварь...), чистые жидкости (скипидар...) и растворы оптически активных веществ в неактивных растворителях (водные растворы сахара, винной кислоты...). Кристаллические вещества сильнее всего вращают плоскость поляризации в случае, когда свет распространяется вдоль оптической оси кристалла. Угол поворота  пропорционален длине пути l, пройденному лучом в кристалле:  =  * l, где   константа вращения, удельное вращение (зависит от природы вещества, температуры, длины волны света в вакууме). Зависимость  от  называется вращательной дисперсией. В растворах угол поворота плоскости поляризации пропорционален пути света в растворе l и концентрации активного вещества С:  = [] * С * l, где []  удельная const вращения (зависит от природы оптически активного вещества и растворителя, длины волны света и температуры). Большинство оптически активных кристаллов существует в двух модификациях. При прохождении света через кристалл одной модификации, называемой правовращаемой, или положительной, плоскость поляризации поворачивается вправо, т.е. по часовой стрелке (для наблюдения, смотрящего навстречу лучу). При прохождении света через кристалл другой модификации, называемой левовращаемой, или отрицательной, плоскость поляризации поворачивается влево (против ч/с). значение удельного вращения для обеих модификаций одного и того же оптически активного кристалла отличаются только знаком:  > 0  правовращающий;  < 0  левовращающий. Если между двумя скрещенными поляризаторами поместить оптически активное вещество, то поле зрения просветляется. Чтобы снова получить темноту нужно повернуть один из поляризаторов на угол . В случае раствора, зная константу вращения [] данного вещества и длину l, можно, измерив угол поворота , определить концентрацию раствора C. Такой способ определения концентрации применяется в производстве различных веществ, в частности сахароварении. б) Магнитное вращение плоскости поляризации. Оптически неактивная среда приобретает под действием внешнего магнитного поля способность вращать плоскость поляризации света, распространенную вдоль направления поля. Это явление называется эффектом Фарадея или магнитным вращением плоскости поляризации света. Угол поворота  плоскости поляризации пропорционален длине пути света в веществе и напряженности Н магнитного поля:  = V * H * l, где V  const Верде, зависит от природы вещества и длины волны света. Направление магнитного вращение плоскости поляризации (вдоль магнитного поля) одинаково при распространении света по направлению вектора Н, так и в обратную сторону. в этом отношении эффект Фарадея отличается от вращения плоскости поляризации света в естественных оптически активных средах. Оптически активные вещества под действием магнитного поля приобретают дополнительную способность вращать плоскость поляризации, которая складывается с их естественной способностью. Взаимодействие эл/м волн с веществом с точки зрения классической электронной теории. Макроскопическая электродинамика Максвелла не могла объяснить взаимодействие э/м волны с веществом. Подобное взаимодействие удалось объяснить лишь с точки зрения строения вещества, разработанной Г. Лоренцем: переменное эл/м поле световой волны, распространяющейся в диэлектрике, вызывает вынужденные колебания связанных зарядов, входящих в состав молекул Среды. При этом необходимо учесть, что ионы частицы значительно массивнее электронов - совершают заметные колебания только под действием моночастотного (инфракрасного) излучения; в области частот видимого и ультрафиолетового излучения. Определенную роль играют вынужденные колебания внешних электронов атомов и молекул, т.н. оптические электроны. Электроны и ионы, совершая вынужденные колебания, излучают вторичные световые волны. Эти волны когерентны и могут интерферировать друг с другом. Поглощение света. Поглощением света называется явление поглощения энергии световой волны при её распространении в веществе. Энергия световой волны преобразуется во внутреннюю энергию вещества и энергию вторичного излучения. Описывается законом Бугера-Ламберта: J = J0 * е-L, где J0 - активность света при входе в слой вещества; J - интенсивность при выходе; L - толщина слоя;  - линейный коэффициент поглощения среды, зависит от природы и состояния поглощающей среды и от . В диэлектриках нет свободных электронов, и поглощение света обусловлено явлением резонанса при вынужденных колебаниях электронов в атомах и атомов в молекулах. Поэтому диэлектрик поглощает свет более или менее избирательно; поглощение велико лишь в областях частот, близких к частотам собственных колебаний частиц диэлектрика. Так для одноатомных газов характерен линейчатый спектр поглощения света: дискретные частицы интенсивного поглощения совпадают с частотами собственного излучения возбужденных атомов газа. У газов с многоатомными молекулами наблюдаются полосы поглощения, состоящие из тесно расположенных линий поглощения. Жидкие и твердые диэлектрики имеют сплошные спектры поглощения, состоящие из довольно широких полос поглощения: расширение полос - это результат взаимодействия атомов друг с другом. Ме практически непрозрачны для света. В Ме много свободных электронов. Под действием электрического поля световой волны эти электроны приходят в движение. При этом в Ме возникают быстропеременные токи, сопровождающиеся выделением Ленц-Джоулева тепла. При этом энергия световой волны быстро убывает, превращаясь в тепловую энергию Ме. Рассеяние света. Рассеянием света называется явление преобразования света веществом, сопровождающееся изменением направления распространения света и появляющимся как несобственное сечением света. Это свечение обусловлено вынужденными колебаниями электронов в атомах рассеивающей среды под действием падающего света. Колеблющиеся электроны возбуждают вторичные волны, распространяясь во всех направлениях. эти вторичные волны когерентны и взаимно интерферируют. В случае однородной среды вторичные волны полностью гасят друг друга. Они дифрагируют на неоднородностях среды, дают дифракционную картину, характеризующуюся довольно равномерным распределением интенсивности света по всем направлениям. Это - рассеяние света. Интенсивность рассеянного света пропорциональна 4-ой степени частоты или обратно пропорциональна 4-ой степени длины волны: J - const: 4 = const / 4  Закон Рэлея. Вследствие этого при прохождении белого света через рассеивающую среду рассеянный свет имеет голубоватый оттенок, а прошедший - красноватый. Закон Рэлея справедлив при  >> а, где а  параметр, характеризующий линейные размеры рассеивающихся частиц среды. Рассеяние света может наблюдаться и в однородных средах. В этих средах из-за беспорядочного движения молекул возможны флуктуации плотности среды. Эти флуктуации равнозначны оптической неоднородности среды. Такое рассеяние называется молекулярным (им объясняется голубой цвет неба). 6. Давление света. Опыты Лебедева.

Похожие:

	Учебно-методический комплекс дисциплины ен. Ф 3 физика: оптика. Квантовая... ...		Учебно-методический комплекс дисциплины ен. Ф. 4 Физика (шифр дисциплины... ...
	Учебно-методический комплекс дисциплины ен. Ф. 4 Физика (шифр дисциплины... ...		Учебно-методический комплекс дисциплины ен. Ф. 4 Физика (шифр дисциплины... ...
	Основная образовательная программа подготовки специалиста по специальности(специальностям)... Шифр дисциплины и ее название в строгомсоответствии с государственным образовательнымстандартом и учебным планом		Учебно-методический комплекс дисциплины дн(М). В 1 современный физический... ...
	Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Ы программы традиционны: механика, молекулярная физика и термодинамика, электродинамика, квантовая физика (атомная физика и физика...		Основная образовательная программа подготовки специалиста по специальности... Шифр дисциплины и ее название в строгомсоответствии с государственным образовательнымстандартом и учебным планом
	Учебник по физике. Представлены разделы физики в теории, примерах... Открытого колледжа" "Физика". Включает прекрасно иллюстрированный учебник "Открытая физика 5" (все разделы, от Механики до Физики...		Программа кандидатского экзамена по специальности 05. 27. 03 «Квантовая... В основу настоящей программы положены следующие дисциплины: электродинамика; квантовая механика; физическая оптика; физика твердого...
	Учебно-методический комплекс по дисциплине Оптика для специальности 010701 "Физика" Требования государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования (специальность 010701 "Физика") к обязательному...		Содержание программы. Введение. Актуальность компетентностного подхода... Составление алгоритма решения задач по разделам: кинематика, динамика, молекулярная физика, газовые законы, электрический ток, магнетизм,...
	Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Пияф, 2012 – 110 с. – Парал загл.: Физика атомного ядра и элементарных частиц. Теоретическая физика		Учебно-методический комплекс дисциплины «физика» Маллабоев У. М. Физика. Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов направления 050100. 62 Педагогическое образование,...
	Тест по физике 11 класса (4 четверть) Световые кванты. Атомная физика.... Гос впо по специальности 030501. 65 Юриспруденция, утвержденный Министерством образования РФ «27» марта 2000 г., №260 гум/сп		Шаблон рабочей программы дисциплины Общий физический практикум Лекторы Общий Физический Практикум является неотъемлемой частью курса "Общая Физика". Основные разделы: механика; молекулярная физика; электродинамика;...