ВСЯ ФИЗИКА. Электромагнитная природа света
 Скачать 1.05 Mb.
|
|
Часть светового пучка после многократного отражения от внутренних поверхностей все же проходит через оптический прибор, но рассеивается и уже не участвует в создании четкого изображения, а на фотографии образуется "вуаль". Для уменьшения световых потерь на поверхность оптического стекла на-носят тонкую пленку с абсолютным показателем преломления nп, меньшим, чем абсолютный показатель преломления стекла nс (рис. 17.14). При отражении света от границ раздела воздух—пленка и пленка—стекло возникает интерференция когерентных волн 1 и 2. Толщину пленки h и показатель преломления nп подбирают так, чтобы интерферирующие волны гасили друг друга. Считая, что свет падает нормально (α=0) (α=0) и учитывая, что потеря полуволны происходит на обеих поверхностях, так как nс > nп > nвозд, будем иметь 2nnh=(2m+1)λ22nnh=(2m+1)λ2 и при m=0, m=0, 2nnh=λ2.2nnh=λ2. Откуда h=λ(4nn)h=λ(4nn) В результате гашения отраженных волн происходит усиление волны, которая проходит в стекло.  Рис. 17.14 Так как обычно на поверхность стекла падает белый свет, то осуществить гашение отраженных волн всех частот невозможно. Толщину пленки подбирают так, чтобы полное гашение имело место для волн средней части спектра (зеленый цвет). Гашение красных и фиолетовых частей спектра происходит незначительно. Поэтому объектив с просветленной оптикой имеет сиреневатый оттенок. 4. Явление интерференции используется для получения высокоотражающих покрытий. В этом случае используют тонкую пленку толщиной h=λ2nnh=λ2nn из материала, абсолютный показатель преломления которого nп больше абсолютного показателя преломления стекла nп. В этом случае отражение от передней грани происходит с потерей полуволны, так как nп>nвозд, а отраженные от задней границы — без потери полуволны. В результате Δ=λΔ=λ и отраженные волны усилят друг друга. 13. Дифракция света.14. Принцип Гюйгенса-Френеля.
Дифракционная решетка - система препятствий (параллельных штрихов), сравнимых по размерам с длиной волны. 15. Метод зон Френеля. Френель предложил оригинальный метод разбиения волновой поверхности S на зоны, позволивший сильно упростить решение задач, - метод зон Френеля. Границей первой (центральной) зоны служат точки поверхности S, находящиеся на расстоянии / + Х/2 от точки М (рис. 1.3.2). Точки сферы S, находящиеся на расстояниях / + 2Х/2, / + ЗХ/2 и т. д. от точки М, образуют 2,3 ит. д. зоны Френеля. Колебания, возбуждаемые в точке М между двумя соседними зонами, противоположны по фазе, т. к. разность хода от этих зон до точки М равна А = к/2, поэтому при сложении этих колебаний они должны ослаблять друг друга:  где А - амплитуда результирующего колебания; At - амплитуда колебаний, возбуждаемая /-й зоной Френеля.  Величина А. зависит от площади S, зоны и угла а, между нормалью к поверхности и прямой, направленной в точку М. Площадь одной зоны  Отсюда видно, что площадь зоны Френеля не зависит от номера зоны /. Это значит, что при не слишком больших i площади соседних зон одинаковы. В то же время с увеличением номера зоны возрастает угол а, и, следовательно, уменьшается интенсивность излучения зоны в направлении точки А/, т. е. уменьшается амплитуда Ai. Она уменьшается также из-за увеличения расстояния до точки М:  Общее число зон Френеля, умещающихся на части сферы, обращенной в сторону точки М, очень велико: при ^=5-1 (Г7 м = 500 нм, Я = / = 0,1 м число зон 3*105, а радиус первой зоны г - 0,16 мм. Отсюда следует, что углы между нормалью к зоне и направлением на точку М у соседних зон примерно равны, т. е. что амплитуды волн, приходящих в точку М от соседних зон, примерно равны. 17. Дифракция Френеля от круглого отверстия и диска. Дифракция от круглого отверстия Поставим на пути сферической световой волны непрозрачный экран с круглым отверстием радиуса . Экран расположен так, что перпендикуляр, опущенный из S на непрозрачный экран, попадает точно в центр отверстия (рис. 9.3).  На продолжении этого перпендикуляра возьмем точку M и рассмотрим, что мы будем наблюдать на экране. Разобьем открытую часть волновой поверхности на зоны Френеля. Вид дифракционной картины зависит от числа зон Френеля, открываемых отверстием. Амплитуда результирующего колебания, возбуждаемого в точке М всеми зонами (9.2.1) и (9.2.2),  Таким образом, когда отверстие открывает нечетное число зон Френеля, то амплитуда (интенсивность) в точке М будет больше, чем при свободном распространении волны; если четное, то амплитуда (интенсивность) будет равна нулю, как показано на рис. 9.3. Естественно, что если , то никакой дифракционной картины не будет. Дифракция от диска Сферическая волна, распространяющаяся от точечного источника S, встречает на своем пути диск (рис. 9.4).   Точка M лежит на перпендикуляре к центру диска. Первая зона Френеля строится от края диска и т. д. Амплитуда световых колебаний в точке M равна половине амплитуды, обусловленной первой открытой зоной. Если размер диска невелик (охватывает небольшое число зон), то действие первой зоны немногим отличается от действия центральной зоны волнового фронта. Таким образом, освещенность в точке M будет такой же, как и в отсутствие экрана. Вследствие симметрии центральная светлая точка будет окружена кольцами света и тени (вне границ геометрической тени). Парадоксальное, на первый взгляд, заключение, в силу которого в самом центре геометрической тени может находиться светлая точка, было выдвинуто Пуассоном в 1818 г. и впоследствии было названо его именем. «Пятно Пуассона» подтверждает правильность теории Френеля. 20. Дифракционная решетка
21. Дифракционные спектры. Дифракционным спектром называют распределение интенсивности на экране, которое получается в результате дифракции. Рассмотрение действия дифракционной решетки показывает, что при большом числе щелей свет, прошедший через решетку, собирается в отдельных, резко ограниченных участках экрана. Положение этих участков, определяемое формулой (3.36), зависит от длины волны, т.е. дифракционная решетка представляет собой спектральный прибор. Чем меньше длина волны , тем меньшему значению угла соответствует положение максимума. Таким образом, белый свет, прошедший через решетку, раскладывается в спектр так, что внутренним, т.е. ближним к максимуму нулевого порядка краем его, являются фиолетовые, а наружным - красные лучи. Значение m=0 определяет максимум по направлению .=0 для всех значений . Поэтому в этом направлении (направлении первичного пучка) собираются лучи всех длин волн, т.е. спектр нулевого порядка представляет собой изображение источника, сформированное в белом света. Спектры 1-го, 2-го и т.д. порядков располагаются симметрично по обе стороны нулевого. Расстояние между соответствующими линиями спектров возрастает по мере увеличения порядка спектров, и поэтому спектры высших порядков, накладываясь, частично перекрывают друг друга. Частичное перекрытие обычно начинается со спектров 2-го и 3-го порядков. При помощи дифракционной решетки с малым периодом для спектров высших порядков можно получить значительные углы отклонения и таким образом довольно точно измерить длину волны =(dsin)/m. Особенность дифракционных спектров заключается в том, что отклонение волны пропорционально ее длине. В связи с этим дифракционные спектры называют нормальными, в отличие от спектров, получаемых с помощью призм, где спектр растянут неравномерно. 25. Естественный и поляризованный свет. Испускание кванта света происходит в результате перехода электрона из возбужденного состояния в основное. Электромагнитная волна, испускаемая в результате этого перехода, является поперечной, то есть вектора  и  взаимно перпендикулярны и перпендикулярны направлению распространения. Колебания вектора происходят в одной плоскости. Свет, в котором вектор колеблется только в одном направлении, называется плоско поляризованным светом (или электромагнитной волной). Поляризованным называется свет, в котором направления колебания вектора упорядочены каким-либо образом.Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Атомы излучают световые волна независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в целом, характеризуется всевозможными равновероятными колебаниями светового вектора . Свет со всевозможными равновероятными ориентациями вектора называется естественным. Свет, в котором имеется преимущественное направление колебаний вектора и незначительная амплитуда колебаний вектора в других направлениях, называется частично поляризованным. В плоско поляризованном свете плоскость, в которой колеблется вектор , называется плоскостью поляризации, плоскость, в которой колеблется вектор , называется плоскостью колебаний.Вектор называют световым вектором потому, что при действии света на вещество основное значение имеет электрическая составляющая поля волны, действующая на электроны в атомах вещества.Различает также эллиптически поляризованный свет: при распространении электрически поляризованного света вектор описывает эллипс, и циркулярно поляризованный свет (частный случай эллиптически поляризованного света) - вектор описывает окружность (сравните со сложением взаимно перпендикулярных колебаний: возможны: прямая линия, эллипс и окружность). 33. Вращение плоскости поляризации. При прохождении плоскополяризованного света через некоторые кристаллы и растворы органических соединений, таких как камфора, кокаин, никотин, сахаристые вещества, плоскость колебания вектора поворачиваетcя. Такое явление называется вращением плоcкоcти поляризации. Вещества, обладающие способностью вращать плоcкоcть поляризации, называются оптически активными. На опыте установлено, что существует два направления вращения плоскости поляризации. Если поворот плоскости колебаний вектора для наблюдателя, смотрящего навстречу проходящему лучу, совершается по часовой стрелке, то вещество называется правовращающим, против часовой стрелки -- левовращающим. Почти все оптически активные вещества существуют в двух модификациях -- правовращающие и левовращающие. Объяснение явления вращения плоскости поляризации было дано Френелем. Он считал, что вращение плоскости поляризации связано с особым типом двойного лучепреломления. При взаимодействии света с молекулами оптически активных веществ возникают два вида кругополяризованных лучей с одинаковым периодом и частотой лучей, поляризованных по правому и левому кругам. и -- скорости распространения этих лучей в веществах. Для одних веществ , для других . Пусть в месте входа волны в слой активного вещества плоскость колебания вектора совпадает с направлением (рис.2.17). Вектор амплитуды колебаний этой волны в каждой точке можно представить как сумму двух векторов и амплитуд колебаний право- и левокругополяризованных волн. Предположим, что . Так как левая волна распространяется с меньшей скоростью, то до некоторой точки среды она дойдет с отставанием по фазе по сравнению с правой. В рассматриваемой точке электрический вектор правой волны будет повернут вправо на больший угол, чем повернут влево вектор левой волны (рис.2.18). Следовательно, плоскостью, относительно которой симметрично расположены оба вектора, будет плоскость . Таким образом, результирующее плоское колебание направлено по , что соответствует повороту плоскости поляризации вправо на угол . Если , то плоскость колебания вектора повернется влево. Угол ( ) поворота плоскости поляризации для оптически активных растворов зависит от толщины слоя раствора и концентрации раствора следующим oбразом:
где -- постоянная вращения. Она зависит от природы вещества, длины волны света и температуры.  Рис. 2.17  Рис. 2.18 Зависимость угла поворота плоскости колебаний плоскополяризованного света от концентрации оптически активных растворов позволяет быстро и надежно определять их концентрацию. Приборы, применяемые для этой цели, называются поляриметрами или сахариметрами. Метод определения концентрации оптически активного раствора заключается в следующем: между скрещенными поляризатором и анализатором (установленными так, что колебания не проходят) помещают трубку с раствором активного вещества. В результате поворота плоскости поляризации поле зрения просветляется. Для определения угла поворота надо повернуть анализатор до получения первоначального состояния поля зрения. Если известны постоянная вращения и угол поворота, то концентрацию легко рассчитать по формуле (21). Для более точного отсчета угла поворота в поляриметрах используется полутеневое устройство, действие которого основано на выравнивании освещенности двух или трех участков поля зрения, что дает возможность довести точность измерений угла до . 36. Тепловое излучение и его основные характеристики37. Испускательная и поглощательная способности.38. Абсолютно черное тело.39. Законы теплового излучения.( ВМЕСТЕ) В нагретых телах часть внутренней энергии вещества может превращаться в энергию излучения. Поэтому нагретые тела являются источниками электромагнитного излучения в широком диапазоне частот. Это излучение называют тепловым излучением. С повышением спектр смещается в сторону волны с большей длиной Интервальные и спектральные характеристики Энергия излучения W Дж Поток излучения (мощность)  Плотность потока (Эн. светимость)  Спектральная плотность (энергия светимости)  - мощность излучения с единицы площади с единичным интервалом длин волн    Спектр излучения и энергия излучения зависят от самого вещества, его поверхности. Излучение тела зависит от его способности поглощать. Спектральная поглощательная способность  -мощность на какой-то частоте   (спектральный коэффициент поглощения)Если    тело, у которого поглощательная способность меньше единицы и одинакова по всему диапазону частот, называют серым телом. Абсолютно черное тело является эталонным телом в теории теплового излучения. И, хотя в природе нет абсолютно черного тела, достаточно просто реализовать модель, для которой поглощательная способность на всех частотах будет пренебрежимо мало отличаться от единицы. Такую модель абсолютно черного тела можно изготовить в виде замкнутой полости (рис. 1), снабженной малым отверстием, диаметр которого значительно меньше поперечных размеров полости. 1 - абсолютно черное тело; 2 - серое тело; 3 - реальное телорис.1   33. Закон Кирхгофа для теплового излучения. Расчёт испускательной способности реальных излучений. Закон Киргофа отношение испускательной и поглощательной способностей одинаково для всех тел в природе, включая абсолютно черное тело, и при данной температуре является одной и той же универсальной функцией частоты (длины волны).  Испускательная способность Суммарный поток энергии излучения с единицы поверхности тела по всему диапазону частот называется интегральной испускательной способностью тела или его энергетической светимостью. В системе СИ энергетическая светимость измеряется в Вт/м2  |
Из условия максимума интерференции получим: 
. Следовательно: 
- формула дифракционной решетки. Величина k — порядок дифракционного максимума
