Физическая природа света с волновой точки зрения

Светом принято считать любой вид оптического излучения. Иными словами, это электромагнитные волны, длина которых находится в диапазоне единиц нанометров.

С точки зрения оптики, свет – это электромагнитное излучение, которое воспринимается глазом человека. За единицу изменения принято брать участок в вакууме 750 ТГц. Это коротковолновая граница спектра. Ее длина равна 400 нм. Что касается границы широких волн, то за единицу измерения берется участок в 760 нм, то есть 390 ТГц.

В физике свет рассматривается как совокупность направленных частиц, называемых фотонами. Скорость распределения волн в вакууме постоянна. Фотоны обладают определенным импульсом, энергией, нулевой массой. В более широком смысле слова, свет – это видимое ультрафиолетовое излучение. Также волны могут быть и инфракрасными.

Природа и источники света

Электромагнитное излучение создается в процессе взаимодействия заряженных частиц. Оптимальным условием для этого будет тепло, которое имеет непрерывный спектр. Максимум излучения зависит от температуры источника. Отличным примером процесса является Солнце. Его излучение близко к аналогичным показателям абсолютно черного тела. Природа света на Солнце обуславливается температурой нагревания до 6000 К. При этом около 40% излучения находится в пределах видимости. Максимум спектра по мощности располагается вблизи 550 нм.

Источниками света также могут быть:

1. Электронные оболочки молекул и атомов во время перехода с одного уровня на другой. Такие процессы позволяют достичь линейный спектр. Примером могут служить светодиоды и газоразрядные лампы.
2. Черенковское излучение, которое образуется при движении заряженных частиц с фазовой скоростью света.
3. Процессы торможения фотонов. В результате образуется синхро- или циклотронное излучение.

В свою очередь, источники света разделяются на группы относительно температурных показателей: А, В, С, D65. Самый сложный спектр наблюдается у абсолютно черного тела.

Характеристики света

Человеческий глаз субъективно воспринимает электромагнитное излучение как цвет. Так, свет может отдавать белыми, желтыми, красными, зелеными переливами. Это лишь зрительное ощущение, которое связано с частотой излучения, будь оно по составу спектральным или монохроматическим. Доказано, что фотоны способны распространяться даже в вакууме. При отсутствии вещества скорость потока равняется 300.000 км/с. Это открытие было сделано еще в начале 1970-х годов.

На границе сред поток света испытывает либо отражение, либо преломление. Во время распространения он рассеивается через вещество. Можно сказать, что оптические показатели среды характеризуются значением преломления, равным отношению скоростей в вакууме и поглощения. В изотропных веществам распространение потока не зависит от направления. Здесь показатель преломления представлен скалярной величиной, определяющейся координатами и временем. В анизотропной среде фотоны проявляется в виде тензора.

Важнейшей характеристикой света является и его интенсивность. Она определяется такими фотометрическими величинами, как мощность и энергия.

Основные свойства света

Фотоны могут не только взаимодействовать между собой, но и иметь направление. В результате соприкосновения с посторонней средой поток испытывает отражение и преломление. Это два основополагающих свойства света. С отражением все более-менее ясно: оно зависит от плотности материи и угла падения лучей. Однако с преломлением дело обстоит куда сложнее.

Для начала можно рассмотреть простой пример: если опустить соломинку в воду, то со стороны она покажется изогнутой и укороченной. Это и есть преломление света, которое наступает на границе жидкой среды и воздуха. Этот процесс определяется направлением распределения лучей во время прохождения через границу материи.

Искусственное преломление света часто используется в исследовательских целях (микроскопы, линзы, лупы). Также к таковым источникам изменения характеристик волны относятся очки.

Классификация света

В настоящее время различают искусственный и естественный свет. Каждый из этих видов определяется характерным источником излучения.

Естественный свет представляет собой набор заряженных частиц с хаотичным и быстро изменяющимся направлением. Такое электромагнитное поле обуславливается переменным колебанием напряженностей. К естественным источникам относятся раскаленные тела, солнце, поляризованные газы.

Искусственный свет бывает следующих видов:

1. Местный. Его используют на рабочем месте, на участке кухни, стены и т.д. Такое освещение играет важную роль в дизайне интерьера.
2. Общий. Это равномерное освещение всей площади. Источниками являются люстры, торшеры.
3. Комбинированный. Смесь первого и второго видов для достижения идеальной освещенности помещения.
4. Аварийный. Он крайне полезен при отключениях света. Питание производится чаще всего от аккумуляторов.

Солнечный свет

На сегодняшний день это главный источник энергии на Земле. Не будет преувеличением сказать, что солнечный свет воздействует на все важные материи. Это количественная постоянная, которая определяет энергию.

В верхних слоях земной атмосферы содержится около 50% излучения инфракрасного и 10% ультрафиолетового. Поэтому количественная составляющая видимого света равна всего 40%.

Солнечная энергия используется в синтетических и природных процессах. Это и фотосинтез, и преобразование химических форм, и отопление, и многое другое. Благодаря солнцу человечество может пользоваться электроэнергией. В свою очередь, потоки света могут быть прямыми и рассеянными, если они проходят через облака.

Три главных закона

С древних времен ученые занимались изучением геометрической оптики. На сегодняшний день основополагающими являются следующие законы света:

Закон распространения. Он гласит, что в однородной оптической среде свет будет распределяться прямолинейно.

Восприятие света

Окружающий мир человеку виден благодаря способности его глаз взаимодействовать с электромагнитным излучением. Свет воспринимается рецепторами сетчатки, которые могут уловить и отреагировать на спектральный диапазон заряженных частиц.

У человека есть 2 типа чувствительных клеток глаза: колбочки и палочки. Первые обуславливают механизм зрения в дневное время при высоком уровне освещения. Палочки же являются более чувствительными к излучению. Они позволяют человеку видеть в ночное время.

Зрительные оттенки света обуславливаются длиной волны и ее направленностью.

Физическая природа света

Большинство свойств света, таких как интерференция, дифракция, преломление и поляризация, могут быть объяснены на основе волновых представлений. Однако существуют явления (в частности фотоэффект, вынужденное и, особенно, спонтанное излучение), для объяснения которых необходимо привлекать квантовые представления.

Согласно квантовым представлениям свет представляет собой поток частиц малой энергии, которые называются фотонами. Фотоны являются элементарными квантами энергии светового излучения определенной частоты (длины волны) и не могут быть разделены на составные части без изменения частоты.

Энергия фотона определяется выражением:

(1.1)
где [Дж·с] – постоянная Планка, – частота света [Гц]. Поскольку энергия фотонов растет с увеличением частоты, то важность учета квантовой природы света растет в области коротких длин волн.

Полезна взаимосвязь между единицами измерения частоты и энергии, используемыми в оптическом диапазоне (см. Таблицу 1).

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Студент — человек, постоянно откладывающий неизбежность. 9491 — | 6697 — или читать все.

193.124.117.139 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно

Природа света с точки зрения диалектики

С точки зрения диалектической, современная физика отвечает на вопрос о природе света так: свет есть материальный объект, обладающий как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Эти свойства в различных физических процессах могут проявляться на различном уровне.

Природа света с точки зрения оптической

Опыт Комптона. на первом этапе рассеяния излучения на мишени оно ведет себя как поток фотонов, но в измерительном блоке это же излучение как электромагнитная волна испытывает дифракцию на кристаллической решетке.

При определенных условиях, например, в ряде оптических явлений свет проявляет свои свойства как волна. В данных случаях должны рассматривать свет как электромагнитные волны. В других оптических явлениях свет проявляет свои свойства как свойства частиц (корпускулярные). В этом случае свет следует представлять как поток фотонов (квантов). Иногда, оптический эксперимент можно организовать так, что свет будет проявлять в нем как волновые, так и корпускулярные свойства. Действительно, в опыте Комптона на первом этапе рассеяния излучения на мишени оно ведет себя как поток фотонов, но в измерительном блоке это же излучение как электромагнитная волна испытывает дифракцию на кристаллической решетке.

Физическая природа света. Корпускулярно-волновой дуализм.

Оптика – наука, которая занимается изучением природы света и его свойств, его излучением, распространением и взаимодействием с веществом.

Под светом принимают излучение видимого диапазона, ультрафиолет и инфракрасный свет

Свет может рассматриваться либо как электромагнитная волна, скорость распространения в вакууме, которая постоянна, либо как поток фотонов – частиц, обладающих определенной энергией, импульсом, собственным моментом импульса и нулевой массой

Основные характеристики света:

1) Цвет – определяется главным образом частотой цвета, для сложного излучения – его спкртральным составом

2) Свет может распространяться в вакууме. Наличие вещества влияет на скорость распространения света.

3) Скорость света в вакууме c=299 792 458 м\с

4) Свет на границе между средами испытывает преломление и отражение. Распространяясь в среде, свет поглощается веществом и рассеивается. Оптические свойства среды характеризуются показателем преломления, действительная часть которого равна отношению фазовой скорости света в вакууме к фазовой скорости света в данной среде , мнимая часть описывает поглощение света.

5) Свет может быть поляризованным.

6) Интенсивность света характеризуется с помощью фотометрических величин.

7) Видимый свет – электромагнитное излучение с длинами волн 380-760 нм ( от фиолетового до красного)

История объясняет, что свет – ощущение.

Исаак Ньютон ( корпускулярная теория) – поток мельчайших частиц с энергией.

Гюйгенс считал, что свет- волны. Юнг считал – дифракция (огибание волной препятствия) диференция

Начало 20 века М.Планк ( свет в процессе своего испускания распространяется отдельными порциями энергии – квантами )

А. Эйнштейн – квантовая теория света. Согласно этой теории, свет состоит из отдельных квантов, образующих свет одной частоты, что кванты тождественные между собой, и каждый квант обладает одним и тем же количеством энергии.

Де-Бройль – ему удалось сосчитать массу кванта.

Корпускулярно-волновой дуализм

Свет представляет собой лучистую энергию, которая распространяется от источника света со скоростью 3000 км\с.

Электромагнитная волна – процесс распространения колебаний электрических и магнитных полей в пространстве

Если свет не монохромный, то тогда волны имеют сферическую форму, следовательно площадь … двумя гребнями волны.

Волновые свойства света играют определяющую роль в закономерностях его интерференции, дифракции, поляризации, а корпускулярные – в процессах взаимодействия света с веществом. Чем больше длина волны света, тем меньше импульс и энергия фотона и тем труднее обнаружить корпускулярные свойства света. Например, внешний фотоэффект происходит только при энергиях фотонов, больших или равных работе выхода электрона из вещества. Чем меньше длина волны электромагнитного излучения, тем больше энергия и импульс фотонов и тем труднее обнаружить волновые свойства этого излучения. Например, рентгеновское излучение дифрагирует только на очень тонкой дифракционной решетке – кристаллической решетке твердого тела.

Энергия электромагнитного поля не может делиться на произвольные части, а излучается и поглощается всегда определенными порциями, равными hv. V — частота колебаний для излучения, h — постоянная планка. Именно эти порции энергии электромагнитного поля и получили название световых квантов или фотонов.

Чем больше энергия квантов, тем легче наблюдать действие отдельного кванта и легче, следовательно, осуществить опыт по наблюдению распространения энергии излучения не во все стороны равномерно, а вспышками то по одному, то по другому направлению. Энергия фотонов в рентгеновской области спектра значительно превышает энергию фотонов видимого спектра.

3. 2.Э/м излучение. Свет, как один из видов э/м излучения:

Электромагни́тное излуче́ние (электромагнитные волны) — распространяющееся в пространстве возмущение электрических и магнитных полей. Обладает квантовыми свойствами «дуализм волна-частица».

Наиболее известным примером электромагнитного излучения является видимый свет. Скорость распространения электромагнитного излучения равна скорости света.

Особенности электромагнитных волн:

наличие трёх взаимноперпендикулярных векторов: волнового вектора, вектора напряжённости электрического поля E и вектора напряжённости магнитного поля H.

Волновые свойства

Электромагнитные волны — это поперечные волны (волны сдвига), в которых вектора напряжённостей электрического и магнитного полей колеблются перпендикулярно направлению распространения волны.

Квантовые свойства

Квантовые свойства излучения проявляются при взаимодействии излучения с веществом — в частности, испускание и поглощение излучения происходит дискретными порциями.

Энергия кванта электромагнитного излучения определяется выражением:

где = 6,63×10 −34 Дж·с (постоянная Планка), — частота волны.

Полезно заметить, что для длины волны = 1000 нм энергия соответствующего кванта составляет 1,24 эВ, то есть приблизительно один электрон-вольт. На красном конце видимого спектра формула даёт 1,6 эВ, на фиолетовом — 3 эВ.

Последнее изменение этой страницы: 2016-08-06; Нарушение авторского права страницы

Что такое свет с точки зрения физики?

На протяжении всей жизни нас окружают удивительные вещи, предметы, места. Мы видим их, но вовсе не потому, что они существуют, а благодаря свету.

Если бы не свет, то у живых существ не было бы зрения как инструмента, и нам пришлось бы довольствоваться другими органами чувств. Как кроты, проживающие под землей, довольствуются слухом. Что же представляет собой свет? Что это за понятие с точки зрения физики и какое значение он имеет для жизни на Земле?

Что такое свет?

Тайну света люди пытались раскрыть в течение многих столетий, однако приблизиться к разгадке удалось только в XVIII веке. Сначала датский физик Ганс Эрстеда выяснил, что электроток способен оказывать влияние на стрелку в магнитном компасе, а затем британский математик Джеймс Максвелл сумел доказать, что магнитные и электрические поля существуют в виде волн, распространяющихся со скоростью света.

Из этого ученые дали определение света как формы электромагнитного излучения, которое воспринимается глазом человека.

Какова природа света?

Установить природу света помогают оптические явления, изучением которых занимается оптика. Эта наука стала одним из первых разделов физики, установившим двойственную природу света. Согласно корпускулярной теории, свет – это поток частиц, называемых фотонами и квантами.

По волновой теории, свет являет собой совокупность электромагнитных волн, при этом возникающие в природе оптические эффекты становятся результатом сложения данных волн. Что интересно, и теория о потоках частиц, и теория о волнах имеют право на жизнь.

Какие характеристики имеет свет?

Как и любое природное явление, свет обладает множеством уникальных характеристик, среди которых одной из важнейших является цвет. Электромагнитное излучение, воспринимаемое нашим глазом, различается по диапазону длин и частоте волны, что, в свою очередь, влияет на световой спектральный состав. К примеру, фиолетовый цвет видится при длине волн 380–440 нм и частоте 790–680 ТГц, а желтый – при показателях 565–590 нм и 530–510 ТГц.

Помимо цвета, свет обладает способностью перемещаться в пространстве, преломляться и отражаться. Преломление света представляет собой изменение направления электромагнитных волн. В нашей обыденной жизни такое явление встречается повсеместно. Например, если посмотреть на стакан чая, в котором находится ложка, можно заметить, что на границе воздуха и жидкости она будто «преломлена».

Аналогично привычным явлением для нас является отражение света, позволяющее увидеть себя в водной глади, зеркале или на блестящих предметах. К другим характеристикам можно отнести способность света к поляризации и изменению интенсивности.

Какова скорость света?

Скорость света рассчитывается в двух субстанциях – в вакууме и прозрачной среде. В первом случае ее показатели неизменны. В космическом пространстве скорость света является фундаментальной постоянной единицей и составляет 299 792 458 метров в секунду.

Считается, что помимо света, с аналогичной скоростью в природе распространяются электромагнитные излучения (например, рентгеновские лучи или радиоволны) и, возможно, гравитационные волны. Скорость света, находящегося в прозрачной среде, может меняться в зависимости от фазы колебательных движений.

В связи с этим различают фазовую скорость, которая обычно (но необязательно) меньше скорости в вакууме, и групповую – всегда меньше скорости в вакууме.

Как свет воспринимается глазом?

Как говорилось выше, способность человека видеть окружающие предметы существует только благодаря свету. При этом мы не смогли бы воспринимать электромагнитные излучения, если бы в наших глазах не было специальных рецепторов, которые реагируют на данное излучение. Глазная сетчатка человека состоит из двух типов клеток – палочек и колбочек. Первые высоко чувствительны к освещению, поэтому могут работать только при низкой освещенности, то есть отвечают за ночное зрение. При этом они демонстрируют мир исключительно в черно-белых цветах.

Колбочки обладают пониженной чувствительностью к свету и обеспечивают дневное зрение, позволяющее видеть цветное изображение. Спектральный состав света хорошо воспринимается благодаря тому, что в наших глазах существуют 3 вида колбочек, которые различаются между собой распределением чувствительности.

Физическая природа света

Классическая физика применима главным образом к объектам макромира. В микро- и мегамире это применение становится условным, так как ее понятия требуют расширения или уточнения. Но и в самом макромире можно указать явления, не укладывающиеся в рамки классических теорий и поэтому кажущиеся чем-то загадочным.

Пример такой загадки являет собой свет. Несмотря на свою неуловимость для человеческого мышления, он позволяет человеку получать более 90% всей информации. Видимо, поэтому феномен света присутствует практически во всех картинах мира древних народов в качестве первичного элемента. Как правило, он отождествляется либо с огнем, либо с солнцем, ибо его роль для жизни на Земле всегда была очевидна.

По своим свойствам свет резко отличается от других объектов, и еще в древности появились различные теории световых явлений. Поскольку древние греки считали человеческое бытие встроенным в окружающий мир естественным образом, то они рассматривали свет преимущественно в связи с его значением для зрения. Свет как бы истекает из наших глаз и направляется на окружающие тела. Мы ощупываем вещь органом зрения, т.е. зрение сродни осязанию. Столь же теоретично утверждение Аристотеля о мгновенности распространения света.

Античное представление о свете как посреднике человеческого познания еще больше укрепилось в Средние века. Вещи высвечиваются светом, приобретают свой настоящий облик и видимый цвет только при воздействии света. Так как в вещах и явлениях видели прежде всего духовное содержание, то и свет считали носителем духовного начала мира.

После выделения физики как науки на основе эксперимента обратили внимание на то, что свет обладает энергией и переносит ее в пространстве. Поскольку энергию могут переносить либо тела, либо волны, были выдвинуты две прогрессивные гипотезы о природе света. По одной из них свет есть вещество, по другой – волна, т.е. распространение колебаний особого рода (движений колебательных).

Первая гипотеза легла в основу корпускулярной теории Ньютона. Согласно Ньютону, свет состоит из малых частичек-корпускул вещества, испускаемых во всех направлениях светящимся телом по прямым линиям-лучам. Если эти лучи попадают на глаз, мы видим их источник. С точки зрения Ньютона, эта теория естественным образом объясняла прямолинейное распространение света. Преломление и отражение света на границе двух веществ Ньютон объяснял притяжением и отталкиванием световых корпускул молекулами этих веществ в соответствии с законом всемирного тяготения.

Вторая гипотеза отстаивалась Гюйгенсом в его волновой теории света. Он представлял свет в виде механических волн, т.е. распространения механических колебаний частиц особого эфира. Этот эфир заполняет все пространство, а также прозрачные тела в нем. Лучи – это просто математические линии, перпендикулярные волновым фронтам, т.е. поверхностям, до которых дошли колебания. Движением этих поверхностей он объяснял как преломление, отражение, так и огибание светом препятствий малых размеров, т.е. дифракционные явления.

Хотя обе эти теории были предложены одновременно и хорошо объясняли все известные в XVII-XVIII веках световые явления, утвердилась теория Ньютона, видимо, в связи с его бóльшим авторитетом и с ее видимой простотой (логической). Ведь волновая теория требовала дополнительного предположения о существовании эфира.

Волновая теория получила признание только в XIX веке в связи с экспериментами по изучению волновых свойств света.

В 1801 году Юнг провел следующий опыт. Две светящиеся щели S₁ и S₂ в экране Э₁ испускали свет на экран Э₂. На Э₂ наблюдалась картина чередования светлых и темных полос. Юнг впервые истолковал этот эффект как результат интерференции, т.е. наложения двух световых волн источников S₁ и S₂, при котором происходит перераспределение световой энергии в пространстве между экранами Э₁ и Э₂. Формула Юнга позволяла вычислить микроскопическую характеристику световых колебаний – длину волны

λ = 3,8∙10 -7 м (фиолетовый цвет) – 7,6∙10-7 м (красный).

d – расстояние между щелями,

x – расстояние между полосами,

L – расстояние между экранами.

Френель изучал дифракционные явления и установил, что свет может попасть в область геометрической тени и способен обогнуть препятствие, если его размер сравним с длиной волны.

Скорость света была измерена и оказалась различной в разных веществах.

Наконец, Майкельсон и Морли экспериментально доказали, что эфира обнаружить нельзя, а измерения скорости света любыми способами всегда дают одно и то же значение.

Следовательно, природа световых волн немеханическая. Максвелл предположил, что эта природа электромагнитная, на том основании, что из его теории электромагнитного поля следует, что электромагнитные волны распространяются со скоростью, равной скорости света. Источником света он считал колеблющиеся электрические заряды, которые вызывают периодические изменения электромагнитного поля в пространстве. Цвет световой волны определяется частотой этих колебаний.

Волновая теория Максвелла хорошо объясняла явления, связанные с распространением света, но была непригодна к описанию его испускания или поглощения.

Чтобы объяснить также и эти явления, Планк в 1900 году выдвинул гипотезу об испускании света нагретыми телами в виде определенных и неделимых порций энергии, названных квантами или фотонами.

В дальнейшем Эйнштейн использовал гипотезу Планка для создания квантовой теории света. Эта теория связывала волновые и корпускулярные свойства света. Математически связь между ними выражена формулой Планка:

, где W – энергия кванта (светового), ν – частота колебаний электромагнитного поля (волны), h = 6,62∙10 -34 Дж∙с – постоянная Планка.

Таким образом, световая волна заданной частоты ν состоит из световых квантов с определенной энергией W. Пока фотон существует, он движется с постоянной скоростью, равной скорости света. При встрече с веществом он может быть поглощен, т.е. исчезает, а его энергия целиком переходит к поглотившей его частице вещества.

В рамках квантовой теории физическая природа света двойственна. В одних явлениях свет обнаруживает волновые свойства, а в других – корпускулярные. Однако, неясно, как такие противоречивые свойства объединяются в процессе испускания света, и поэтому даже физическая природа света сохраняет некоторую загадочность.

Дата добавления: 2015-12-26 ; просмотров: 809 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Физическая природа света. Корпускулярно-волновой дуализм

Физическая природа света

Первые теории о природе света — корпускулярная и волновая — появились в середине 17 века.

Согласно корпускулярной теории(или теории истечения) свет представляет собой поток частиц (корпускул), которые испускаются источником света. Эти частицы движутся в пространстве и взаимодействуют с веществом по законам механики. Эта теория хорошо объясняла законы прямолинейного распространения света, его отражения и преломления. Основоположником данной теории является Ньютон.

Согласноволновой теориисвет представляет собой упругие продольные волны в особой среде, заполняющей все пространство — светоносном эфире. Распространение этих волн описывается принципом Гюйгенса:

Каждая точка эфира, до которой дошел волновой процесс, является источником элементарных вторичных сферических волн, огибающая которых образует новый фронт колебаний эфира.

Гипотеза о волновой природе света высказана Гуком, а развитие она получила в работах Гюйгенса, Френеля, Юнга.

Понятие упругого эфира привело к неразрешимым противоречиям. Например, явление поляризации света показало. что световые волны поперечны. Упругие поперечные волны могут распространяться только в твердых телах, где имеет место деформация сдвига. Поэтому эфир должен быть твердой средой, но в то же время не препятствовать движению космических объектов. Экзотичность свойств упругого эфира являлась существенным недостатком первоначальной волновой теории.

Противоречия волновой теории были разрешены в 1865 году Максвеллом, который пришел к выводу, что свет — электромагнитная волна. Одним из аргументов в пользу данного утверждения является совпадение скорости электромагнитных волн, теоретически вычисленных Максвеллом, со скоростью света, определенной экспериментально (в опытах Ремера и Фуко).

Согласно современным представлениям, свет имеет двойственную корпускулярно-волновую природу. В одних явлениях свет обнаруживает свойства волн, а в других — свойства частиц. Волновые и квантовые свойства дополняют друг друга.

Волновые явления:

Квантовые явления:

·Линейчатость спектров испускания и поглощения

В настоящее время установлено, что корпускулярно — волновая двойственность свойств присуща также любой элементарной частице вещества. Например, обнаружена дифракция электронов, нейтронов.

Корпускулярно-волновой дуализм является проявлением двух форм существования материи — вещества и поля.

2. Электромагнитное излучение. Свет как один из видов э/м излучения.

Электромагни́тное излуче́ние(электромагнитные волны) — распространяющееся в пространстве возмущение (изменение состояния) электромагнитного поля (то есть, взаимодействующих друг с другом электрического и магнитного полей).

Среди электромагнитных полей вообще, порожденных электрическими зарядами и их движением, принято относить собственно к излучению ту часть переменных электромагнитных полей, которая способна распространяться наиболее далеко от своих источников — движущихся зарядов, затухая наиболее медленно с расстоянием.

Электромагнитное излучение подразделяется на:

· радиоволны (начиная со сверхдлинных),

· рентгеновское излучение и жесткое (гамма-излучение)

Электромагнитное излучение способно распространяться практически во всех средах. В вакууме (пространстве, свободном от вещества и тел, поглощающих или испускающих электромагнитные волны) электромагнитное излучение распространяется без затуханий на сколь угодно большие расстояния, но в ряде случаев достаточно хорошо распространяется и в пространстве, заполненном веществом (несколько изменяя при этом свое поведение).

Из теории электромагнитного поля, разработанной Дж. Максвеллом, следовало: электромагнитные волны распространяются со скоростью света — 300 000 км/с, что эти волны поперечны, так же как и световые волны. Максвелл предположил, что свет — это электромагнитная волна. В дальнейшем это предсказание нашло экспериментальное подтверждение.

Как и электромагнитные волны, распространение света подчиняется тем же законам:

1.Закон прямолинейного распространения света. В прозрачной однородной среде свет распространяется по прямым линиям. Этот закон позволяет объяснить, как возникают солнечные и лунные затмения.

2. При падении света на границу раздела двух сред часть света отражается в первую среду, а часть проходит во вторую среду, если она прозрачна, изменяя при этом направление своего распространения, т. е. преломляется.

3.Закон отражения: Угол падения равен углу отражения. Падающий луч АО, отраженный луч ОБ и перпендикуляр ОС, восставленный в точке падения, лежат в одной плоскости.

Закон преломления: Луч падающий АО и преломленный ОБ лежат в одной плоскости с перпендикуляром CD, проведенным в точке падения луча к плоскости раздела двух сред. Отношение синусов угла падения а и угла преломления у постоянно для данных двух сред и называется показателем преломления второй среды по отношению к первой .

Законы отражения света учитываются при построении изображения предмета в зеркалах (плоском, вогнутом и выпуклом) и проявляются в зеркальном отражении в перископах, в прожекторах, автомобильных фарах и во многих других технических устройствах.

Законы преломления света учитываются при построении изображения во всевозможных линзах, призмах и их совокупности (микроскоп, телескоп), а также в оптических приборах (бинокли, спектральные аппараты, фотоаппараты и проекционные аппараты).

Дата добавления: 2016-09-03 ; просмотров: 1587 | Нарушение авторских прав

Волновая и корпускулярная природа света

Законы геометрической оптики описывают поведение светового луча и не рассматривают его природу.

Свет же по своей природе обладает корпускулярно-волновым дуализмом, т.е. обладает потенциальной возможностью проявить и волновые и корпускулярные свойства. Чем больше частота электромагнитного излучения, а, следовательно, больше энергия и импульс фотона ( фотон- это порция элекромагнитного излучения, энергия которого , фотон не обладает массой покоя, но его движение характеризуется импульсом, фотон может двигаться только со скоростью равной скорости света), тем вероятнее проявление его свойств как частицы. Чем меньше частота электромагнитных колебаний, тем меньше величина энергии и импульса фотона и тем отчетливее проявляются его волновые свойства.

Волновые свойства света проявляются в таких оптических явлениях как интерференция , дифракция и поляризация. А такие физические явления как поглощение света веществом, дисперсия света могут быть объяснены как волновыми свойствами света, так и корпускулярными.

Законы теплового излучения, атомные спектры определяются корпускулярными свойствами света.

Волновая оптика Интерференция света

Интерференцией света называется явление взаимного усиления или ослабления двух когерентных волн при их наложении в пространстве.

Когерентностью называется согласованное протекание во време­ни и в пространстве нескольких колебательных или волновых процес­сов. Рассмотрим условия наблюдения интерференции, т.е. попытаемся сформулировать условия когерентности.

Пусть в некоторой точке пространства Р одновременно сущест­вуют две произвольные (в общем случае немонохроматические) элек­тромагнитные волны, характеризуемые векторами напряжённостей электрических полей Е1 и Е2.

Френель и Араго обнаружили на опыте, что две световые волны, распространяющиеся в одном направлении, никогда не интерферируют между собой, если Е1 и Е2 перпендикулярны друг к другу, т.е. интерферируют лишь волны, возбуждающие’ в некоторой точке прост­ранства колебания одинакового направления.

Е1=Е0соs (1t +1) 1t +1= 1

E2=E0cos (2t +2) 2t +2= 2

еслиl 2, то амплитуда результирующего колебания, возникаю­щего в точке Р, находится помощью векторной диаграммы (см. рис .1)и определяется выражением

(1)

Так как средний период колебаний электромагнитного­ поля в оптической области спект­ра 10-15с, то ни один приёмник света из-за своей инерционности не позволяет измерить мгновенное значение напряжённости электрического и магнитного поля в све­товой волне, а также освещённости поверхности. Все приёмники могут измерять толь­ко величины, усреднённые за время, не меньше времени разрешения приемника. Усреднён­ное по времени значение квадрата напряжённости электрического поля называют интенсивностью света, поэтому из (1)

1) (2)

При изменении средней суммарной энергии , мы неизбежно встречаемся с двумя различными результатами опыта в зависимости оттого, что получается при усреднении , на­зываемого интерференционным членом. Результат будет существенно зависеть от разности фаз складывающихся колебаний и изменения этой разности фаз во времени. Если разность фаз 2-1 беспорядочно и случайным образом меняется во времени, то она может в выделенном конечном интервале времени принимать любые значения от 0 до 2, поэтому соs принимает значения. ог -1 до +1 и среднее его значение равно 0. В этом случае из уравнения (2) следует, что I=I1+I2.. Если 2-1=const, то среднее значение cos(2-1) равно самому значению cos(2-1), поэтому

(3)

Анализируя уравнение (3) сделаем выводы

1) если (2-1)=0,2,4. 2к(к=0,1,2,3 и т.д), тоcos(2-1)=1

Е0=Е01+Е02, а , т.е.

2) если (2-1)= , 3, 5 . (2к+1)  , то cos(2-1)= -1, Е0=Е01-Е02

, т.е.

В первом случае происходит усиление результирующего колебания, во втором- ослабление. Если Е01=Е02, то Е0max=2Е01, I=4I1, а Е0min=0, I=0.

Таким образом, усиление или ослабление интенсивности света происходит при определенных условиях, которые можно сформулировать следующим образом:

складываемые световые волны должны иметь близкие частоты ()

разность фаз 2-1=const

векторы напряженности Е01 и Е02 не должны быть взаимноперпендикулярны.

Колебания или волны, которые удовлетворяют этим условиям называются когерентными.

Так как при cos(2-1)=1 наблюдается усиление интенсивности, то условие (2-1)= 2кназывается условием максиму интенсивности, а условие(2-1)= (2к+1)-условие минимума интенсивности.

Обычно эти условия формулируются не через разность фаз, а через разность хода волн .

Пусть S1 и S2 источники света, в точке Р , волны идущие от этих источников накладываются, при этом первая волна проходит путь S1P, а вторая путь S2Р, если волны распространяются в воздухе, то =S2Р- S1P, если волны распространяются в различных средах, то

= (S2Р)n2- (S1P)n1, где n1 и n2 показатели преломления соответствующих сред.

Разность хода и разность фаз (2-1) связаны соотношением

Тогда условия максимума и минимума интерференции могут быть записаны следующим образом:

— условие максимума

— условие минимума

О важности и необходимости изучения явления дифракции студентами – медиками говорит тот факт, что в биомедицинской диагностике достаточно широко используются спектрометры и другие спектральные приборы, составной частью которых является дифракционная решетка. В настоящее время разрабатываются методики, основанные на оптической голографии (см. курс лекций), дающие возможность получения трехмерных изображений исследуемых объектов с хорошей разрешающей способностью и контрастностью. Контуры этих биообъектов могут быть картированны, а их деформации проанализированны в реальном масштабе времени. Эти новые возможности могут оказать влияние на развитие многих разделов медицины: ортопедию, радиологию, офтальмологию, урологию и отологию. В настоящее время в Англии разработана методика диагностики онкологических заболеваний по дифракции рентгеновских лучей на волосе человека. Это совершенно безвредная и безболезненная для человека диагностика, дает возможность распознать заболевание на очень ранних стадиях. Особенностью лабораторной работы, посвященной проверке соотношения неопределенности Гейзенберга, является взгляд на дифракцию как на проявление чисто квантовых свойств света на макроскопическом уровне. Кроме того, в ней затронуты некоторые философские аспекты квантовой теории, вопросы связанные с понятиями наблюдения и измерения.

Во всех лабораторных работах по дифракции света в качестве источника света используется лазер. В настоящее время лазер достаточно широко используется в медицине, поэтому авторы сочли необходимым включить в это методическое пособие описание принципа работы лазера и привести краткие сведения по его использованию в диагностике, терапии и хирургии.

Дифракцией света называется явление отклонения света от прямолинейного распространения, когда свет, огибая препятствие, проникает в область геометрической тени.

Качественно поведение света за препятствием может быть объяснено с помощью принципа Гюйгенса, который устанавливает способ построения фронта волны в момент времени t + t по известному положению фронта волны в момент времени t. Согласно принципу Гюйгенса каждую точку на первичном волновом фронте следует рассматривать как источник вторичной сферической волны. Поэтому изобразив ряд сферических волн, исходящих из первичного волнового фронта, а затем построив их огибающую, мы получим форму и положение всей волны в более поздний момент времени (рис. 1, среда предполагается неоднородной – скорость волны в нижней части рисунка больше, чем в верхней). На рисунке 2 приведен пример распространения плоской волны через узкую щель.

Однако принцип Гюйгенса не дает сведений об амплитуде, а следовательно и об интенсивности волн, распространяющихся в различных направлениях. Френель дополнил принцип Гюйгенса представлением об интерференции вторичных волн. Учет амплитуд и фаз вторичных волн позволяет найти амплитуду результирующей волны в любой точке пространства, Развитый таким способом принцип Гюйгенса получил название принципа Гюйгенса – Френеля. Согласно принципу Гюйгенса-Френеля:

а) каждый элемент волновой поверхности служит источником вторичных сферических волн;

б) амплитуда вторичной волны пропорциональна площади элемента S;

в) амплитуда вторичной волны убывает с расстоянием r от источника по закону 1/r;

г) все вторичные источники являются когерентными.

При вычислении амплитуды колебания, порождаемого световой волной, распространяющейся от реального источника, можно заменить этот источник совокупностью вторичных источников, расположенных непрерывно вдоль волновой поверхности. Определение результирующей амплитуды колебания от всех вторичных источников может быть осуществлено аналитически, методом графического сложения амплитуд или методом зон Френеля.

Различают два случая дифракции света: дифракцию Френеля — дифракцию в сходящихся лучах, и дифракцию Фраунгофера — дифракцию в параллельных лучах. В первом случае на препятствие падает сферическая или плоская волна, а дифракционная картина наблюдается на экране, находящемся позади препятствия на конечном расстоянии от него. Во втором случае на препятствие падает плоская волна, а дифракционная картина наблюдается на экране, который находится в фокальной плоскости собирающей линзы, установленной на пути прошедшего через препятствие света. Дифракцию Фраунгофера можно наблюдать при использовании в качестве источника света лазера, т.к. излучаемые лазером когерентные световые пучки являются коллимированными.

ДИФРАКЦИЯ НА НЕКОГЕРЕНТНЫХ ИСТОЧНИКАХ

Целью настоящей работы является изучение дифракции от непрозрачных мелких частиц диаметром несколько микрон (например, эритроцитов), а также измерение их диаметров дифракционным методом. Определение размеров таких меленьких частиц является сложной задачей вследствие невозможности применения обычных средств (микроскопа, проектора, контактных приборов), дающих погрешности, соизмеримые с размерами частиц.

Приборы и принадлежности: лазер, оптическая скамья, дифракционная решетка, стекла с мазками крови, экран со шкалой.

Дифракция Френеля от круглого диска

Рассмотрим сферическую волну, распространяющуюся в изотропной однородной среде от точечного источника S. Поместим между источником S и точкой наблюдения P непрозрачный круглый диск радиуса r (рис. 3).

Согласно принципу Гюйгенса-Френеля каждая точка волновой поверхности является источником элементарных вторичных волн, распространяющихся во всех направлениях, причем эти вторичные волны интерферируют между собой. Рассмотрим волны, идущие от открытой части волновой поверхности, собирающиеся в точке Р экрана. Они являются когерентными и интерферируют. Интенсивность света в точке наблюдения Р, как результат интерференции, можно легко определить с помощью метода зон Френеля, который заключается в следующем.

Фронт распространяющийся волны разбивается на области, называемые зонами, так чтобы разность хода вторичных волн от соответствующих точек двух соседних зон до рассматриваемой точки Р были равны половине длины волны. Таким образом, в точку наблюдения волны от соседних зон приходят с противоположными фазами и при наложении они будут ослаблять друг друга. Задача расчета интерференции вторичных волн фактически сводится к определению количества зон Френеля. В соответствии с определением зоны Френеля следует, что расстояния bm от внешнего края m-ой зоны до точки P равно

где b — расстояние от вершины волновой поверхности O до точки P, m — целое число, соответствующее номеру зоны Френеля.

Волны, приходящие в точку P из двух соседних зон, находятся в противофазе, т.е. их разность фаз в точке наблюдения равна .. Площади зон Френеля примерно одинаковы. Расстояние bm от зоны до точки P медленно растет с ростом номера зоны m, поэтому ( вторичная волна — сферическая) амплитуда Am колебания, возбуждаемого m-ой зоной в точке P, монотонно убывает.

A1  A2  A 3  ……..  Am-1  Am  Am+1 ….

Т. к. фазы колебаний, возбуждаемые соседними зонами, отличаются на , то амплитуда результирующего колебания в точке Р может быть представлена

A = A1 — A2 + A3 – A4 +………..

Если диск закроет m первых зон Френеля, амплитуда в точке P будет равна

A = Am+1 – Am+2 +Am+3 – Am+4 + ….

Запишем это выражение в следующем виде:

A = Am+1 / 2 + ( Am+1 / 2 – Am+2 + Am+3 / 2) +….

Вследствие монотонного убывания Am , приближенно можно считать, что

Am+1 / 2 + Am+3 / 2 = Am+2 ,

тогда все выражения в скобках равны 0, следовательно

Эта формула дает результирующую амплитуду волн, достигших экрана в точке Р. Так как интенсивность I пропорциональна амплитуде в квадрате A2, то получается результат парадоксальный с точки зрения геометрической оптики. За непрозрачным диском, на его оси всегда будет светлое пятно. Его называют пятном Пуассона. Это светлое пятно имеет вид круглого пятнышка, если рассматривалась дифракция на круглом диске и прямой полоски, если рассматривалась дифракция на прямоугольной пластинке. Это значит, что световые волны огибают круглый диск по всему его краю и вследствие симметрии встречаются на оси диска. Это дает возможность по­лучить изображение какого-либо предмета без оптической линзы с помощью круга или шара.

Рассмотрим результат действия открытой волновой поверхности для точки Pi, смещенной относительно точки Р в любом радиальном направлении, диск будет перекрывать часть (m + 1)-й зоны Френеля, одновременно откроется часть m-ой зоны. Это вызовет уменьшение интенсивности. При некотором

положении точки Рi интенсивность достигнет минимума. Если сместиться из центра еще дальше, диск перекроет дополнительно часть ( m + 2)-oй зоны, одновременно откроется часть (m — 1)-oй зоны. В результате интенсивность возрастет и в точке P достигнет максимума.

Дифракционная картина, которая будет наблюдаться на экране, помещенном за диском, может быть изображена зависимостью интенсивности света I от расстояния R (рис. 4), отсчитанного от точки Р до точки Pi (рис. 3,а). Если обозначим интенсивность центрального максимума I0, то интенсивность последующих максимумов определяется следующими соотношениями I1 = 0,045I0; I2 = 0,016I0; I2 = 0,008I0 и т.д.

Таким образом, центральный максимум значительно превосходит по интенсивности остальные максимумы; в нем сосредотачивается основная доля светового потока открытой волновой поверхности.

Можно найти и аналитическое выражение зависимости IPi от R. Это достаточно сложное выражение, анализ которого дает возможность найти условия минимума и максимума для данной дифракционной картины. В случае непрозрачного круглого диска дифракционная картина имеет вид чередующихся светлых и темных концентрических колец. Если круглый диск имеет радиус r , то положение минимумов интенсивности определяется следующими выражениями:

r sin 1 = 0,61 ; r sin 3 = 1,11  ; r sin 5 = 1,62  (1)

r sin 2 = 0,81  ; r sin 4 = 1,33  ; r sin6 = 1,86  (2).

Углы i — это углы наблюдения соответствующих минимумов и максимумов. Роль круглого диска могут выполнить эритроциты крови. Но один-единственный диск столь малого размера (6 — 8 мкм) даст крайне слабую дифракционную картину. Картина будет проектироваться на светлый фон, создаваемый прямым недифрагированным пучком света. Только тысячи таких частичек способны дать картину, хорошо видимую глазом. Если взять мазок крови, то мы получим слой беспорядочно расположенных непрозрачных дисков. При одновременном присутствии в сечении светового пучка многих частиц, угловое распределение дифрагированного света, создаваемого каждой частицей в отдельности, не нарушается, если нет интерференционного эффекта между световыми пучками, дифрагировавшими на разных частицах. Если в плоскости поперечного сечения светового пучка частицы расположены хаотично, то разность фаз между дифрагированными пучками от разных частиц будет меняться также хаотично и интерференция будет отсутствовать. Тогда интенсивность дифрагированного в данном направлении света равна сумме интенсивностей световых пучков, дифрагированных на разных частицах. Поэтому дифракционная картина, создаваемая одним эритроцитом будет усилена в N раз ( N — число частиц).

Наблюдая дифракционную картину от N эритроцитов на экране и используя соотношения (1) и (2), можно определить размеры частиц, на которых наблюдалась дифракция.

Определение размеров мелких частиц

Для определения размеров мелких частиц составим следующую схему эксперимента — рис. 5.

На рисунке цифрами обозначены: 1 — Лазер непрерывного излучения; 2 — Стеклянная пластинка с мазком крови, которую вставляют в рейтер, легко перемещающийся вдоль оптической схемы; 3 — Непрозрачный экран с миллиметровой шкалой.

1. Включить лазер с помощью тумблера «Сеть» на панели блока питания лазера.

2. Установить экран так, чтобы пучок света лазера был направлен точно в центр экрана.

3. На расстоянии примерно 0.5 м от экрана установить рейтер со стеклянной пластинкой. На экране должна быть видна дифракционная картина, представляющая собой яркое пятно, окруженное концентрическими темными и светлыми окружностями. Дифракционная картина должна быть симметрична относительно перекрестия шкалы экрана.

4. Измерить диаметры темных и светлых дифракционных колец D . Измерения производятся по серединам колец.

5. Измерить расстояние L от плоскости стеклянной пластинки с мазком крови до экрана по шкале оптической скамьи.

6. Результаты измерения занести в таблицу 1.

7. Поскольку диаметры дифракционных колец, наблюдаемых на экране много меньше расстояния L, можно считать что

(3)

и, используя условия минимумов и максимумов получим соотношения для нахождения радиуса эритроцитов

D1 / 2L = 0.61  / r ; D2 / 2L = 0.82  / r ; D3 = 1.11  / r (4) D1, D3, D5,…- диаметры темных дифракционных колец;

D0, D2, D4, D6,…- диаметры светлых дифракционных колец.

Длина волны излучения лазера  = 633 нм. Найдем по формулам (4) радиус эритроцитов, а затем средний радиус.

Радиус частиц (м)

8. Переместить пластинку с мазком крови вдоль оптической скамьи.

9. Повторить пункты 4-7 при трех положениях пластинки с мазком крови относительно экрана.

10. Сравнить полученные результаты и сделать вывод зависит ли диаметр дифракционных колец от размеров частиц, от расстояния от частиц до экрана.

11. Оценить погрешность измерения радиусов эритроцитов для любого опыта.

12. Записать конечный ответ в форме при =

13. Найти относительную погрешность.

1. В чем заключается явление дифракции света?

2. Как зависит характер дифракционной картины от числа частиц, падающих в пучок лучей?

3. С помощью метода зон Френеля оцените результат действия неограниченной сферической волны на экране в точке Р.

4. Почему размеры очень маленьких частиц порядка нескольких (мк) нельзя измерять микроскопом?

5. Изобразите зоны Френеля на плоском фронте волны.

6. Можно ли изменяя расстояние L, получить в центре дифракционной картины темное пятно?

ДИФРАКЦИЯ НА ОДНОЙ ЩЕЛИ И СИСТЕМЕ С БОЛЬШИМ

ЧИСЛОМ ЩЕЛЕЙ – ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКЕ

Цель работы: научиться по дифракционной картине определять длину волны когерентного излучения и измерять размеры малых объектов.

Приборы и принадлежности: лазер, оптическая скамья, дифракционная решетка, прямоугольная щель, экран, линейка.

ДИФРАКЦИЯ ФРАУНГОФЕРА НА ЩЕЛИ

Пусть на очень длинную прямоугольную щель ширины b падает по нормали к ней плоская световая волна. Если экран расположен бесконечно далеко от щели или за щелью находится линза, направляющая на экран пучки параллельных лучей, то наблюдается дифракция Фраунгофера. Поместим за щелью собирающую линзу, а в фокальной плоскости линзы экран (рис. 1):

Волновые поверхности падающей волны, плоскость щели и экран параллельны друг другу. Согласно принципу Гюйгенса-Френеля элементарные участки открытой части волновой поверхности являются источниками вторичных волн, распространяющихся в разных направлениях.

Лучи, образующие угол  с нормалью к плоскости щели, собираются в точке P экрана. Они являются когерентными и интерферируют. Результат интерференции легко определить с помощью метода зон Френеля, который заключается в следующем.

Разобьем открытую часть волновой поверхности на зоны параллельные краям щели так, чтобы разность хода лучей от краев соседних зон до точки наблюдения была равна половине длины световой волны  / 2. Такие зоны называются зонами Френеля.

Колебания, приходящие в точку наблюдения от каждой пары соседних зон взаимно погашают друг друга, так как находятся в противофазе. Разность хода от краев щели  = b sin. Если для точки наблюдения Р разность хода равна четному числу  / 2, т.е. в щели укладывается четное число зон Френеля, амплитуда колебаний в этой точке равна нулю. Таким образом, условием минимума интерференции является равенство разности хода лучей от краев щели четному числу полуволн или целому числу длин волн

b sin = ± m ; (m = 1, 2, 3, . ) . (1)

Если для точки Р разность хода равна нечетному числу полуволн, число зон Френеля будет нечетным, действие одной из них окажется неcкомпенсированным и наблюдается максимум интенсивности.

В случае  = 0 все колебания оказываются в фазе, поэтому в центре экрана наблюдается светлая полоса, соответствующая максимуму нулевого порядка. Интенсивность этого максимума наибольшая. При

sin  =   / b,  2 / b,  4 / b

наблюдаются минимумы соответственно 1-го, 2-го и. т.д. порядков. При

sin  =  3 / b, 5 / b, 7 / b

наблюдаются максимумы 1-го, 2-го и т.д. порядков. График зависимости интенсивности от угла дифракции изображен на рис. 2.

Sin 

Дифракционной решеткой называется совокупность большого числа N отстоящих друг от друга на одно и то же расстояние щелей. Расстояние между серединами соседних щелей d называется периодом решетки (рис. 3). Выясним характер дифракционной картины, получающейся на экране при падении на решетку параллельных световых волн.

Каждая из щелей даст на экране картину, описываемую графиком приведенным на рис. 2. Картины от всех щелей придутся на одно и то же место экрана. Если бы колебания, приходящие в точку P от различных щелей были некогерентными, результирующая картина от N щелей отличалась бы от картины, создаваемой одной щелью, лишь тем, что все интенсивности возросли бы в N раз. Однако, колебания от различных щелей будут интерферировать между собой, Поэтому дифракционная картина от дифракционной решетки будет иной, чем от одной щели.

Проанализируем распределение интенсивности в этой картине. Для нахождения интенсивности в каждой точке экрана мы должны найти результирующую амплитуду колебаний в этой точке. Арез =  Аi , (2)

где Ai — результирующая амплитуда от каждой отдельной щели.

Для направлений, удовлетворяющих условию минимума для каждой отдельной щели (1), все Ai равны 0, поэтому и амплитуда результирующего колебания в соответствующей точке экрана будет равна нулю. Таким образом, условие минимума (1) для одной щели является также условием минимума для решетки

Это условие так называемых главных минимумов. Из рис. 3 видно, что разность хода лучей от соседних щелей равна  = d sin . Если  равно целому числу длин воли, колебания от отдельных щелей приходят в фазе и суммарная амплитуда колебаний в соответствующей точке экрана равна Амакс. = N Аi. Поэтому условием главных максимумов является

Число m дает порядок главного максимума. В центре экрана образуется самый интенсивный максимум нулевого порядка, по обе стороны от него располагаются максимумы, первого, второго и т.д. порядков. В направлениях, определяемых формулой (3), при отдельных значениях m могут и не возникать максимумы. Это будет в направлениях, для которых каждая отдельная щель решетки имеет минимум. Допустим d = 2b , тогда условие появления главного максимума m = 2 имеет вид d sin  = 2 или b sin  = , т.е. переходит в условие минимума (1). Отсюда следует, что в этом слу­чае все главные максимумы четных порядков не появятся.

Кроме главных минимумов, определяемых условием (1), в промежутках между соседними главными максимумами имеется по (N-1)-му добавочному минимуму. Эти минимумы возникают в тех направлениях, для которых колебания от отдельных щелей погашают друг друга.

Условие добавочных минимумов легко получить методом графического сложения колебаний. Колебания от отдельных щелей изображаются векторами одинаковой длины. Каждый из последующих векторов повернут относительно предыдущего на один и тот же угол  равный разности фаз колебаний, приходящих от соседних щелей. Если ломаная линия, составленная из этих векторов, замкнутая (рис. 4), то амплитуда колебаний, возбуждаемых всей решеткой в соответствующей точке равна нулю, т.е. получается дифракционный минимум.

.

Произведение  на число щелей N в этом случае кратно 2

N = 2k или  = 2k / N .

получаем условие добавочных минимумов

d sin  =  k / N , (4)

где k = 1,2,……N-1, N+1, …..2N-1,2N+1,… принимает все целочисленные значения кроме 0, N, 2N, . при которых условие (4) переходит в (3).

Между добавочными минимумами располагаются слабые дополнительные максимумы. Распределение интенсивности в дифракционной картине от решетки для N = 6 и d / b = 3 приведено на рис. 5. Штриховой линией показана интенсивность I() от одной щели, умноженной на N2.

Sin 

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Используя условие главных максимумов (3), определить длину волны лазера

Для этого в соответствии со схемой эксперимента (рис. 6), поставить дифракционную решетку на пути лазерного луча, так чтобы на экране были отчетливо видны дифракционные максимумы 1-го и 2-го порядков.

2. Измерить расстояние L от решетки до максимума m-го порядка.

3. Определить Xm — расстояние от центра экрана до максимума m-го порядка как половину расстояния между симметрично расположенными максимумами (для большей точности).

4. Рассчитать длину волны лазера по формуле

Примечание: Постоянная решетки d указана на дифракционной решетке.

5. Данные измерений и расчетов записать в таблицу 1.

6. Оценить погрешность измерения  и округлить результат в соответствии с погрешностью.

Определение ширины узкой щели.

1. На пути луча лазера поместить узкую щели и получить на экране картину чередующихся дифракционных минимумов и максимумов.

2. измерить расстояние между щелью и минимумом m-го порядка.

3. Измерить расстояние 2Хm между симметрично расположенными минимумами 1-го, 2-го и т.д. порядков.

4. Записать в таблицу 2 данные измерений и значение , полученное в опыте 1.

5. Рассчитать ширину щели b по формуле (6). Из формулы (1)

b = m / sin или b = mL / Xm

6. Оценить погрешность измерения b.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1. В чем заключается явление дифракции?

2. Выведите условие минимума при дифракции на щели методом зон Френеля.

3. Что наблюдается на экране при ширине щели b   ? Почему?

4. Нарисуйте график зависимости интенсивности от sin при дифракции на щели.

5. Объясните условия возникновения главных максимумов и минимумов при дифракции на решетке.

6. Объясните с помощью векторной диаграммы условие дополнительных минимумов при дифракции на решетке.

7. Нарисуйте примерный график зависимости интенсивности от sin для дифракционной решетки с N = 4 и d / b = 2.

8. Как определяется в работе длина волны лазерного излучения?

9. Как определяется ширина щели?

10. Почему максимумы дифракционной картины от решетки более яркие и узкие, чем щели?

Лабораторная работа №6

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ В ДИФРАКЦИОННОЙ

КАРТИНЕ ОТ ОДНОЙ ЩЕЛИ

Цель работы: изучение распределения интенсивности в картине дифракции от узкой щели при наблюдении в свете лазера.

Приборы и принадлежности: лазер, узкая щель с параллельными краями, экран, оптическая скамья с линейкой, фоторегистратор — фотодиод с электронным усилителем и микроамперметром.

Изучение распределения интенсивности в дифракционной картине от одной щели рассмотрим на примере дифракции Фраунгофера. Схема наблюдения дифракции Фраунгофера представлена на рис. 1. Параллельный пучок от Не — Ne- лазера 1 падает нормально на щель 2, длина которой много больше ее ширины b. Согласно принципу Гюйгенса-Френеля, каждая точка плоскости щели, до которой дошло световое колебание, становится источником вторичных сферических волн. Вторичные волны являются когерентными и интерферируют при наложении. Результат интерференции в виде периодического распределения интенсивности наблюдается на экране 3, находящемся на расстоянии l > b2/ от щели 2.

Распределение интенсивно­сти в получаемой картине определяется суммированием вторичных волн, пришедших в данную точку экрана от всех элементов щели, с учетом их амплитуды и фазы по принципу Гюйгенса — Френеля.

При небольших углах дифракции наиболее просто рассчитать интенсивность света на экране графическим методом, предложенным Френелем. Для этого разобьем открытую часть волнового фронта в плоскости щели на равные по площади узкие полоски (подзоны), аналогичные зонам Френеля, но гораздо меньше по ширине, полоски параллельны краям щели. В данном случае фронт волны – плоскость, т.к. используется коллимированный пучок. Каждая полоска (подзона) будет играть роль элементарного вторичного источника волн. Волна от каждой полоски (подзоны) имеет одинаковую амплитуду А, а разность фаз от соседних полосок (подзон) обозначим , она зависит от угла дифракции  (см. рис. 2), определяющего направление на точку наблюдения Р.

Колебание, создаваемое в точке Р каждой такой полоской, можно представить в виде вектора, длина которого равна амплитуде колебания А, а угол, образуемый вектором с направлением, принятым за начало отсчета, дает начальную фазу колебания. Результирующая амплитуда колебания, создаваемого в точке Р совокупностью всех полосок (подзон), определится векторной диаграммой, получающейся при векторном сложении колебаний, возбуждаемых отдельными подзонами. При  = 0 разность фаз  равна нулю и векторная диаграмма имеет вид, показанный на рис. 3,а. Амплитуда результирующего колебания А0 равна алгебраической сумме амплитуд складываемых колебаний.

Если разность фаз складываемых колебаний, соответствующих краям щели, равна  (т. е. разность хода  = b sin  = /2), то векторы А располагаются вдоль полуокружности длиной А0 (рис. 3,б). Следовательно, для результирующей амплитуды получим значение А = 2А0/. В случае, когда  = b sin  = , колебания от краев щели отличаются по фазе на 2. Соответствующая векторная диаграмма дана на рис. 3, в. Векторы А располагаются вдоль окружности длиной А0. Результирующая амплитуда равна нулю, что соответствует первому минимуму. Второй максимум наблюдается при  = bsin = 3/2. В этом случае колебания от краев щели отличаются по фазе на З. Строя последовательно векторы А, мы обойдем полтора раза окружность диаметра А1 = 2А0/(З) (рис. 3,г) и т.д. Таким образом, амплитуда A1 первого максимума составляет 2/() от амплитуды А0 нулевого максимума, а интенсивность I1 = A= [2/()]A 0,045 I0. Аналогично можно найти и относительную интенсивность остальных максимумов. В результате получаются следующие соотношения интенсивностей:

Таким образом, центральный (нулевой) максимум значительно превосходит по интенсивности остальные максимумы. Ему соответствуют

90 % всего светового потока, выходящего из щели. Строя векторные диаграммы для различных значений угла дифракции , можно заметить, что максимумы (т.е. результирующая амплитуда не равна нулю) получаются при условии

Результирующая амплитуда равна нулю при углах дифракции, определяемых условием

Следовательно, (2) будет условием дифракционного минимума, а k = 1,2,3. — порядок дифракционного минимума. При k = 0, как видно 0 = 0 и условие bsin0 = 0 будет условием максимума нулевого порядка.

Положение минимумов интенсивности определяется выражением

которое следует из (3). Так как модуль sink не может превысить 1, то k/b  1, отсюда k  b/ -этим соотношением определяется количество минимумов интенсивности, которое может наблюдаться на щели данной ширины b.

График распределения интенсивности на экране 3 показан на рис. 4. Вид дифракционной картины Фраунгофера зависит от ширины щели. Если, например, ширина щели b = , то sin1 = 1, а следовательно, и 1= /2, таким образом центральный максимум расплывается на всю плоскость экрана. При b   угол ди-

фракции, соответствующий первому минимуму, значительно меньше /2 и картина может оказаться слишком мелкой для наблюдения.

В настоящей работе предлагается составить схему дифракции от щели, позволяющую отчетливо наблюдать дифракционную картину и построить экспериментальный график распределения интенсивности.

Установка собирается по схеме рис. 5.

Лазер 1 устанавливается на оптической скамье так, чтобы часть скамьи (не менее 1 м) оставалась свободной. На свободном конце скамьи устанавливаются два рейтера: один с державкой для щели 2, другой со сменной державкой для матового экрана 3, а также для фотодиода 4. Державка для щели должна иметь устройство для небольшого перемещения в поперечном направлении при наладке установки. Державка для фотодиода должна быть снабжена поперечными направляющими для перемещения фотодиода в пределах не менее 100 мм в обе стороны от среднего положения (от оптической оси). Для регистрации перемещения фотодиода к направляющим державки крепится линейка с ценой деления не более 1 мм. Для отсчета положения рейтеров и лазера оптическая скамья должна быть снабжена отсчетной линейкой длиной в 1 м с ценой деления не более 1мм.

Задание Изучение углового распределения интенсивности света при дифракции от одной щели.

1. Собрать установку по схеме рис. 5, поместив в рейтере 2 державку со щелью, а в рейтере 3 — матовый экран. Рейтер 2 поместить на расстоянии не менее 200 мм от лазера, а рейтер 3 — на краю оптической скамьи.

2. Включить лазер.

3. Регулировкой ширины щели получить на матовом экране дифракционную картину. Расстояние между минимумами первого порядка должно быть не менее 10 мм. Добиться наибольшей четкости картины. Для этого поперечными перемещениями установить щель так, чтобы пучок от лазера симметрично перекрывал щель. Наклонами плоскости щели добиться перпендикулярности падения пучка. При этом отраженные лучи должны идти в обратном направлении в выходное окно лазера.

4. Снять экран и установить вместо него фотодиод на уровне дифракционной картины.

5. Включить питание фотодиода. Закрыть светоприемное окно фотодиода, измерить темновой ток Iт.

6. Открыть фотодиод. Перемещая фотодиод вдоль дифракционной картины, снять показания токов Iк(х) в прямом и обратном направлении по всей дифракционной картине (х- координата окна фотодиода, отсчитывается по шкале державки).

В случае необходимости чувствительность микроамперметра может быть изменена. Наименьший отсчет должен соответствовать не менее чем пяти делениям шкалы микроамперметра.

7. Построить график распределения интенсивности в дифракционной картине, учитывая темновой ток и считая интенсивность пропорциональной току. Поскольку х  l (l-расстояние от щели до фотоэлемента), то sin = tg = x/l. Поэтому угловое распределение интенсивности можно представить в виде зависимости

8. В тех же координатах построить теоретический график распределения интенсивности (см. рис. 4).В качестве I0 в соотношении (1) следует взять максимальное значение Iк. — Iт. .

9. Сравнить экспериментальную и теоретическую кривые. Рассчитать погрешности по отклонениям экспериментальных точек от теоретической кривой.