Волновая оптика 22-23. Закон прямолинейного распространения света. Световые лучи
 Скачать 1.51 Mb.
|
|
Лекция. Волновые свойства света. 1. Природа света. Закон прямолинейного распространения света. Световые лучи. Принцип Ферма. 2. Отражение и преломление света. Полное отражение света и применение этого явления. 3. Интерференция света. Когерентность. Опыт Юнга. Условия интерференционных максимумов и минимумов. 4. Дифракция света. 5. Дисперсия света. 6. Поляризация света. Закон Малюса. Вращение плоскости поляризации оптически активными средами. В конце XVII века возникли две теории света: корпускулярная (И. Ньютон) и волновая (Р. Гук и Х. Гюйгенс). • Согласно корпускулярной теории, свет представляет собой поток частиц (корпускул), испускаемых светящимися телами. • Волновая теория рассматривала свет как волновой процесс, подобный механическим волнам. • В основу волновой теории был положен принцип Гюйгенса : каждая точка, до которой доходит волна, становится центром вторичных волн, а огибающая этих волн дает положение волнового фронта в следующий момент времени. Свет - сложный электромагнитный процесс определенного оптического диапазона ( Гц), обладающий как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Оптическое излучение с длинами волн от 760 нм до 380 нм способно непосредственно вызывать зрительное ощущение в человеческом глазу. Таким образом, волновая (электромагнитная) и корпускулярная (квантовая) теории не отвергают, а дополняют друг друга, отражая тем самым двойственный характер свойств света. • Интерференция • Дифракция • Дисперсия • Поляризация • Отражение • Преломление • Фотоэффект • Химическое действие света • Фотосинтез • Давление света • Под источниками света понимают преобразователи различных видов энергии в электромагнитную энергию оптического диапазона. • Источники бывают естественные и искусственные. • Естественных источников света: Солнце, звезды, атмосферные разряды и др., а также люминесцирующие объекты животного и растительного мира. Искусственные источники света – тепловые и люминесцирующие Тепловые : электронные лампы накаливания, излучатели с газовым нагревом. В люминесцирующих источниках используется люминесценция газов или твердых тел. Источник света считается точечным , если его размер мал по сравнению с расстоянием до места наблюдения и если он испускает свет равномерно по всем направлениям. • Все источники света имеют определенные размеры, но если размеры источника значительно меньше расстояний, на которых рассматривается его воздействие, то такой источник считается точечным • Световым пучком называют область пространства, внутри которой распространяется свет. Световые пучки получают с помощью узких отверстий в непрозрачных экранах. Линия, вдоль которой движется фронт волны светового излучения и распространяется световая энергия, называется световым лучом • Принцип Ферма: • Действительный путь распространения монохроматического луча света есть путь, для прохождения которого свету требуется минимальное время по сравнению с любым другим мыслимым путем между теми же точками. Принцип Гюйгенса – Френеля • Принцип Гюйгенса решает лишь задачу равномерного распределения волн нового фронта, но не затрагивает вопроса об амплитуде, и, соответственно, об интенсивности волн, распространяющихся по разным направлениям. • Френель развил этот принцип дальше, дополнив его идеей об интерференции вторичных волн. • Принцип Гюйгенса – Френеля : каждая точка фронта волны является источником вторичных сферических когерентных волн. • Опытные данные свидетельствуют, что световые пучки движутся в пространстве независимо друг от друга и при взаимном пересечении или наложении не вызывают изменения характера движения. • В однородной среде свет распространяется прямолинейно. • Тенью называют ту часть пространства за непроницаемым предметом, куда не проникает свет. • Оптически однородной средой называется область пространства, во всех точках которой скорость распространения световых волн одинакова. • При распространении света в какой-либо среде всегда наблюдается частичное или полное поглощение его энергии, которое определяется свойствами среды и зависит, как правило, от частоты (или длины – волны) данного излучения. • • Если световое излучение полностью поглощается при прохождении малых расстояний, то такая среда называется оптически непрозрачной • Если же световое излучение распространяется на большие расстояния, незначительно при этом ослабевая, то данная среда называется оптически прозрачной • Если световой луч падает на плоскую поверхность, разделяющую две прозрачные среды ( например, воздух и стекло), то на границе раздела он преобразуется в два новых луча (рисунок). Один из них отражается в ту же среду, из которой он вышел, а другой проникает во вторую среду. Направление движения возникших лучей не совпадает с направлением падающего луча, однако все указанные лучи лежат в одной плоскости. Закон отражения света: падающий и отраженный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости (плоскость падения). Угол отражения γ равен углу падения α • Углом падения ( α ) называется угол между перпендикуляром, проведенным к границе раздела сред в точке падения луча и падающим лучом. • Углом отражения ( γ ) называется угол между указанным перпендикуляром и отраженным лучом. • Преломлением света называется изменение направления светового луча при его переходе из одной оптически однородной среды в другую оптически однородную среду. • Закон преломления света: падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления β есть величина, постоянная для двух данных сред: • Согласно волновым представлениям, преломление является следствием изменения скорости распространения волн при переходе из одной среды в другую. Физический смысл показателя преломления – это отношение скорости распространения волн в первой среде υ 1 к скорости их распространения во второй среде υ 2 : • Абсолютный показатель преломления равен отношению скорости света c в вакууме к скорости света υ в среде: • При переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную n 2 < n 1 (например, из стекла в воздух) можно наблюдать явление полного внутреннего отражения , то есть исчезновение преломленного луча. Это явление наблюдается при углах падения, превышающих некоторый критический угол α пр , который называется предельным углом полного внутреннего отражения ( рисунок ниже) • Если угол падения равен предельному углу, то преломленный луч не выходит во вторую среду, а скользит по границе раздела сред (рисунок). Угол преломления при этом равен 90 градусов. Тогда по закону преломления sin α пр = 1 / n, . • При увеличении угла падения больше α пр происходит только отражение луча внутрь первой среды в соответствии с законами отражениями. • Световод представляет собой тонкий (от нескольких микрометров до миллиметров) произвольно изогнутые нити из оптически прозрачного материала (стекло, кварц). Свет, попадающий на торец световода, может распространяться по нему на большие расстояния за счет полного внутреннего отражения от боковых поверхностей . Научно-техническое направление, занимающееся разработкой и применением оптических световодов, называется волоконной оптикой. • Распространение света в волоконном световоде. При сильном изгибе волокна закон полного внутреннего отражения нарушается, и свет частично выходит из волокна через боковую поверхность. Волоконно-оптические кабели можно использовать для исследования толстой кишки или для того, чтобы помочь врачам выполнять хирургические операции без необходимости больших разрезов. Область волоконной оптики произвела революцию во всей индустрии связи. • Томас Юнг в 1800 году сформулировал принцип суперпозиции (наложения) волн и объяснил интерференцию света. И сам термин “интерференция” был введен в науку тоже Юнгом. Интерференция света – есть взаимное усиление или ослабление интенсивности когерентных световых волн. • Интерференция света возникает при наложении когерентных волн • Когерентные волны – это волны, у которых одинаковые частоты( ʋ 1 = ʋ 2 ) , а разность фаз между колебаниями с течением времени не изменяется и колебания происходят в одной плоскости. • Любые два светящихся тела не могут быть когерентными источниками света. На самом деле, свет, исходящий от светящего тела, представляет собой совокупность множества ЭМВ, излучаемых отдельными частицами (атомами и молекулами) тела. Условия излучения этих частиц очень быстро и беспорядочно изменяются. Такое событие совершенно невероятно. • Поэтому для получения когерентных источников свет “раздваивают” ( Опыт Юнга). • Если взять два луча (1 и 2 ) от одного и того же источника S и направить в точку наложения разными по длине путями. При этом оба луча имеют совершенно одинаковый спектральный состав, а разность пройденных расстояний до встречи (оптическая разность хода) обеспечит вполне определенную разность фаз колебаний световых волн. • Если в разности хода лучей ∆l укладывается целое число длин волн (четное число полуволн), то в точке М будет максимум света (λ–длина волны; κ=0,1,2,…). Если же в ∆l укладывается нечетное число полуволн (не целое число длин волн), то то в точке М – минимум света • Особый интерес представляет не сама фаза колебаний в данный момент, а разность фаз двух волн, пришедших в одну и ту же точку пространства. Если разность фаз равна нулю, т.е. фазы этих волн в любой момент равны друг другу, то интенсивность результирующей волны равна их сумме (рис. а, см. ниже). При наличии некоторой разности фаз происходит частичное взаимное гашение их интенсивностей, которое при φ =180 и равных амплитудах колебаний приводит к полному гашению интенсивности результирующей волны (рис. б, в, см. ниже). Сложение когерентных волн в зависимости от разности фаз . Пунктирной линией показаны интенсивности когерентных волн, сплошной линией -интенсивность результирующей волны. • Наблюдаемое в природе радужное окрашивание тонких пленок (масляная пленка на воде, мыльные пузыри, оксидная пленка на металлах) объясняется интерференцией света, возникающей в результате отражения света от передней и задней поверхностей пленки. • Если положить одну плоскопараллельную пластинку на другую, а под один из концов верхней пластинки подложить небольшой предмет таким образом, чтобы между пластинками образовался воздушный клин, то в этом клине тоже можно наблюдать интерференционные полосы. Дифракция света • Дифракцией света называется огибание волнами препятствий, встречающихся на их пути, или в более широком смысле - явление отклонения направления света от прямолинейного в однородной среде. • Благодаря дифракции волны могут попадать в область геометрической тени, огибать препятствия, проходить через небольшие отверстия в экранах и т.д. Дифракционная решетка представляет собой систему параллельных щелей равной ширины а, лежащих в одной плоскости и разделенных равными по ширине непрозрачными промежутками b (См. рисунок ниже.) Величина d = a + b = 1/N называется постоянной (периодом) дифракционной решетки , где N – число штрихов на единицу длины. • эту формулу называют формулой дифракционной решетки (κ – порядок главного максимума). к d sin где κ = 0, 1, 2 … • Дифракционный спектр – радужная плоскость, содержащая семь цветов – от фиолетового до красного. • Дифракционные решетки широко применяются в спектральном анализе в тех случаях, когда необходимо определение длины световой волны. Из формулы дифракционной решетки получаем: λ = sin φ , • Свет , излучаемый отдельным атомом, представляет собой ЭВМ , т.е. совокупность двух поперечных взаимно перпендикулярных волн – электрической (образованной колебанием вектора напряженности Е электрического поля) и магнитной (образованной колебанием вектора напряженности Н магнитного поля), идущих вдоль общей прямой называемой (световым лучом). • Естественным светом называется такой свет, в котором световые волны имеют всевозможные равновероятные ориентации плоскости поляризации. • Свет, в котором наблюдается некоторое преимущественное направление плоскости поляризации волн, называется частично поляризованным . • Если же все световые волны в световом луче имеют одну строго определенную ориентацию плоскости поляризации, то такой свет называется линейно поляризованным. • Наиболее часто поляризация происходит в трех случаях: • 1. При прохождении света через некоторые кристаллы. • 2. При отражении и преломлении света на границе раздела двух диэлектриков. • 3. При двойном лучепреломлении света. • Если направить естественный свет ( Рисунок ниже) перпендикулярно пластинке турмалина, вырезанной параллельно оптической оси О 1 О 2 и на пути поставить вторую пластинку турмалина Т 2 и вращать ее вокруг направления светового луча, то интенсивность света, прошедшего через пластинки, меняется в зависимости от угла α между оптическими осями кристаллов по закону Малюса : Интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды световых колебаний. I и I 0 – соответственно интенсивности света, подающего на второй кристалл и вышедшего из него • Поляризация применяется для определения концентрации растворов оптически активных веществ, для определения мест упругих напряжений, возникающих в результате механических нагрузок, при изучении быстро протекающих процессов, таких, например, как звукозапись и воспроизведение звука. Одним из интересных практических применений поляроида является его использование на автотранспорте для защиты водителей от слепящего действия фар встречных автомашин. • Некоторые вещества, называемые оптически активными , поворачивают плоскость электрических колебаний поляризованного света, проходящего сквозь них, не изменяя при этом амплитуду колебаний. Это явление называется вращением плоскости колебаний поляризованного света (или вращением плоскости поляризации). ( кварц, киноварь, сахар и др., а также многие жидкости: скипидар, водный раствор сахара, никотин, винная кислота и т.д.) • Вещества, поворачивающие плоскость колебаний по часовой стрелке (если смотреть навстречу лучу) называются правовращающими , а вещества, поворачивающие эту плоскость в противоположном направлении – левовращающими • Многие оптически активные вещества, существуют в 2-х разновидностях – право- и левовращающей. Явление дисперсии света. Если пропустить пучок белого света через стеклянную призму, то на экране возникает полоска с непрерывно меняющейся окраской, которая называется призматическим или дисперсионным спектром. Дисперсией называют зависимость скорости распространения световых волн в среде (т.е. показателя преломления среды) от частоты (длины волны) света: Дисперсия света характерна для всех сред, кроме вакуума. • Явление дисперсии лежит в основе устройства призменных спектральных приборов : спектроскопов и спектрографов, которые служат для получения и наблюдения спектров. • При высоких температурах атомы и молекулы анализируемого вещества переходят в возбужденное состояние, т.е. обладают дополнительной энергией. Возвращаясь в обычное состояние, они отдают эту избыточную энергию в виде света. • Излучение источника света складывается из излучения атомов всех элементов, присутствующих в пробе. Для анализа необходимо выделить излучение каждого элемента. Это осуществляется с помощью оптических приборов, в которых световые лучи с разными длинами волн отделяются в пространстве друг от друга. Излучение источника света, расположенное по длинам волн, называется спектром излучения. • Атомные спектры элементов состоят из отдельных окрашенных линий, так как в излучении атомов имеются только некоторые определенные волны. Поэтому такие спектры называются линейчатыми • В отличие от них, молекулярные спектры испускания веществ, которые не распались при высокой температуре, являются полосатыми. Каждая полоса образована большим числом близко расположенных линий. • В излучении раскаленных твердых или жидких тел присутствует свет любой длины волны. Поэтому линии в спектре сливаются друг с другом. Такое излучение имеет сплошной спектр , в котором цвета плавно переходят друг в друга. • Схема проведения абсорбционного спектрального анализа отличается от эмиссионного только тем, что анализируемое вещество помещается между источником сплошного излучения и спектральным аппаратом. При этом, свет проходя через вещество, либо теряет ряд спектральных линий, либо уменьшает их интенсивность. • При наблюдении спектр поглощения имеет вид отдельных темных голос или линий на фоне сплошного окрашенного спектра источника. |