Показатель преломления среды с точки зрения волновой теории

Явление полного внутреннего отражения находит применение во многих оптических устройствах. Наиболее интересным и практически важным применением является создание волоконных световодов , которые представляют собой тонкие (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 (рис 3.1.3). Научно-техническое направление, занимающееся разработкой и применением оптических световодов, называется волоконной оптикой .

Показатель преломления среды с точки зрения волновой теории

Вы ошиблись: , где длина волны в вакууме, длина волны в среде. Но это равенство нельзя принимать за определение показателя преломления. Оно является следствием определения показателя преломления через отношение скоростей распространения, а скорость распространения волны связана с длиной волны и ее частотой.

Частота волны в среде не должна меняться, поскольку частицы среды совершают под действием поля проходящей волны вынужденные колебания такой же частоты, что и в первичной волне. Поэтому отношение частот не может являться характеристикой преломляющих свойств среды.

Формула верна и может использоваться для экспериментального нахождения показателя преломления непрозрачных сред, но это равенство нельзя принимать за определение показателя преломления. Оно является следствием не только закона преломления, но и свойства поперечности световых волн.

3.2. Законы отражения и преломления света

Корпускулярная теория очень просто объясняла явления геометрической оптики, описываемые в терминах распространения световых лучей. С точки зрения волновой теории, лучи — это нормали к фронту волны. Принцип Гюйгенса также позволяет объяснить законы геометрической оптики на основе волновых представлений о природе света.

Закон отражения

Когда световые волны достигают границы раздела двух сред, направление их распространения изменяется. Если они остаются в той же среде, то происходит отражение света.

Отражение света — это изменение направления световой волны при падении на границу раздела двух сред, в результате чего волна продолжает распространяться в первой среде.

Закон отражения света хорошо известен:

Падающий луч, перпендикуляр к границе раздела двух сред в точке падения и отраженный луч лежат в одной плоскости, причем угол падения равен углу отражения.

Направления распространения падающей и отраженной волн показаны на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Отражение света от плоской поверхности

Закон отражения может быть выведен из принципа Гюйгенса. Действительно, допустим, что плоская волна, распространяющаяся в изотропной среде, падает на границу раздела двух сред АС (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Применение принципа Гюйгенса к выводу закона отражения

Достаточно рассмотреть два параллельных луча I и в падающем пучке. Углом падения называют угол между нормалью п к поверхности раздела и падающим лучом I. Плоский фронт AD падающей волны сначала достигнет границы раздела двух сред в точке А, которая станет источником вторичных волн. Согласно принципу Гюйгенса, из нее, как из центра, будет распространяться сферическая волна. Через время

,

то есть с запаздыванием во времени на , луч из падающего пучка придет в точку С, которая в этот момент времени также станет источником вторичной волны. Но, к этому моменту вторичная сферическая волна, распространяющаяся из точки А, уже будет иметь радиус (как и должно быть: ). Мы знаем теперь положение двух точек фронта отраженной волны — С и В. Чтобы не загромождать рисунок, мы не показываем вторичных волн, испущенных точками между А и С, но линия CD будет касательной (огибающей) ко всем из них. Стало быть, CВ действительно является фронтом отраженной волны. Направление ее распространения (лучи II и ) ортогонально фронту CD. Из равенства треугольников ABC и ADC вытекает равенство углов

что, в свою очередь, приводит к закону отражения

На рис. 3.4 представлена интерактивная модель отражения света.

Рис. 3.4. Изучение закона отражения света

Закон преломления

Если световые волны достигают границы раздела двух сред и проникают в другую среду, то направление их распространения также изменяется — происходит преломление света.

Преломление света — это изменение направления распространения световой волны при переходе из одной прозрачной среды в другую.

Направление распространения падающей и преломленной волны показано на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Преломление света на плоской границе раздела двух прозрачных сред

Закон преломления гласит:

Падающий луч, перпендикуляр к границе раздела сред в точке падения и преломленный луч лежат в одной плоскости, причем отношение синуса угла падения к синусу угла преломления постоянно для данной пары сред и равно показателю преломления второй среды относительно первой

Здесь показатель преломления среды, в которой распространяется преломленная волна, показатель преломления среды, в которой распространяется падающая волна.

Закон отражения также вытекает из принципа Гюйгенса. Рассмотрим (рис. 3.6) плоскую волну (фронт АВ), которая распространяется в среде с показателем преломления , вдоль направления I со скоростью

Эта волна падает на границу раздела со средой, в которой показатель преломления равен , а скорость распространения

Рис. 3.6. К выводу закона преломления света с помощью принципа Гюйгенса

Время, затрачиваемое падающей волной для прохождения пути ВС, равно

За это же время фронт вторичной волны, возбуждаемой в точке А во второй среде, достигнет точек полусферы с радиусом

В соответствии с принципом Гюйгенса положение фронта преломленной волны в этот момент времени задается плоскостью DC, а направление ее распространения — лучом III, перпендикулярным к DC. Из треугольников и следует

Таким образом, закон преломления света записывается так:

На рис. 3.7 представлена интерактивная модель преломления света на границе раздела двух сред.

Рис. 3.7. Изучение закона преломления

Для еще одной иллюстрации применения принципа Гюйгенса рассмотрим пример.

Пример. На плоскую границу раздела двух сред падает нормально луч света. Показатель преломления среды непрерывно увеличивается от ее левого края к правому (рис. 3.8). Определим, как будет идти луч света в этой неоднородной среде.

Рис. 3.8. Искривление луча света в неоднородной среде

Пусть фронт волны АА подошел к границе раздела сред. Точки раздела сред можно рассматривать как центры вторичных волн. Через время испущенные вторичные сферические волны достигают точек на расстоянии от фронта АА. Поскольку показатель преломления среды растет слева направо, эти расстояния убывают слева направо. Огибающая к вторичным волнам — новый фронт ВВ — повернется. Если теперь взять точки фронта ВВ за источники вторичных волн, то за время они породят волны, образующие фронт СС. Он еще более повернут. Его точки порождают фронт DD и т. д. Проводя нормаль к волновым фронтам в разные моменты времени, получаем путь светового луча в среде с переменным показателем преломления (зеленая линия). Видно, что луч искривляется в сторону увеличения показателя преломления. Аналогия: если притормозить левые колеса автомобиля, его повернет налево. Для света степень «торможения» растет с ростом показателя преломления среды: .

Эта задача имеет отношение к явлению, наблюдающемуся на море. Когда ветер дует с берега, иногда возникает так называемая «зона молчания»: звук колокола с судна не достигает берега. Обычно говорят, что звук относится ветром. Но даже при сильном урагане скорость ветра примерно в 10 раз меньше скорости звука, так что «отнести» звук ветер никак не может. Объяснение заключается в том, что скорость встречного ветра у поверхности моря вследствие трения меньше, чем на высоте. Поэтому скорость звука у поверхности больше, и линия распространения звука загибается кверху, не попадая на берег.

http://www.nvtc.ee/e-oppe/Sidorova/objects/index.html – Законы преломления, отражения света. Зеркала. Теория и примеры задач. В «Итоговых заданиях» — кроссворд.

http://publ.lib.ru/ARCHIVES/B/. – Тарасов Л.В., Тарасова А.Н., «Беседы о преломлении света».

Принцип Ферма.

Итак, волновая оптика способна объяснить явления отражения и преломления света столь же успешно, как и геометрическая оптика. В основу последней, трактующей явления на основе законов распространения лучей, положен принцип Ферма:

Свет распространяется по такому пути, для прохождения которого требуется минимальное время.

Для прохождения участка пути свету требуется время

где v=с/п — скорость света в среде. Таким образом, время t, затрачиваемое светом на путь от точки 1 до точки 2, равно

Введем величину с размерностью длины, которая называется оптической длиной пути:

Пропорциональность t и L позволяет сформулировать принцип Ферма следующим образом:

Свет распространяется по такому пути, оптическая длина которого минимальна.

Рассмотрим путь света из точки S в точку С после отражения от плоскости АВ (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Применение принципа Ферма к отражению света

Непосредственное попадание света из S в С невозможно из-за экрана. Нам надо найти точку О, отразившись в которой луч попадет в точку С. Среда, в которой проходит луч, однородна. Поэтому минимальность оптической длины пути сводится к минимальности его геометрической длины. Рассмотрим зеркальное изображение S’ точки S. Геометрические длины путей SOC и S’OC равны. Поэтому минимальность длины SOC эквивалентна минимальности длины S’OC. А минимальная геометрическая длина пути из S’ в С будет соответствовать прямой, соединяющей точки S’ и С. Пересечение этой прямой с плоскостью раздела сред дает положение точки О. Отсюда следует равенство углов:

то есть закон отражения света.

Рассмотрим теперь явление преломления света (рис. 3.10).

Рис. 3.10. Применение принципа Ферма к преломлению света

Определим положение точки О, в которой должен преломиться луч, распространяясь от S к С, чтобы оптическая длина пути L была минимальна. Выражение для L имеет вид

Найдем величину х, соответствующую экстремуму оптической длины пути:

С точки зрения волновой теории

Волна с волновым фронтом AC достигает поверхности зеркалы MN и возбуждает вторичные волны неодновременно. В точке A возбуждение колебаний начинается на время Δt=CB/υ раньше, чем в точке B (υ -скорость волны). В момент, когда волна достигает точки B, вторичная волна с центром в точке A уже достигает полусферы с радиусом r=AD= υ . Δt=CB

Волновая поверхность отраженной волны DB– огибающая вторичных волн. AA₂DB, BB₂DB,

∆ADB=∆CAB, т.к. ADB= ACB=90 o , AD=CB и АB общая.

Но CAB=α и DBA=γ, значит α=γ.

б) Законы преломления

AC A₁A; AC B₁B

Луч B₁B достигает поверхности MN спустя ∆t=CB/υ₁после луча A₁A волны (υ₁ — скорость волны в I среде).

Когда в точке B начинается возбуждаться вторичная волна, из точки A вторичная волна уже дошла до точки D

DB AA₂; DB BB₂;

DB — огибающая вторичных волн и волновая поверхность преломленной волны.

CAB=α ; (cтороны перпендикулярны) и CB=υ₁ ∆t=AB sinα

ABD=γ; (перпендикулярные cтороны) и AD=υ₂ ∆t= AB sinβ

←относительный показатель преломления.

Абсолютный показатель преломления n=c/ υ₁.

ОСНОВЫ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ

Физические законы должны быть

§1. Тепловое излучение

Самым распространенным видом электромагнитного излучения в природе является тепловое излучение, которое совершается за счет энергии теплового движения атомов и молекул вещества (т.е. за счет внутренней энергии).Любые физические тела, которые имеют температуру, испускают тепловое излучение и так как абсолютный нуль недостижим ( ; в природе не существуют тела с нулевой температурой Кельвина), то отсюда вытекает, что тепловое излучение присуще всем физическим телам.

Полной лучеиспускательной (или излучательной) способностью E тела называется энергия электромагнитного излучения, испускаемого по всевозможным направлениям, в единицу времени, с единицы площади поверхности тела (иначе называется также энергетической светимостью). [Дж/(с . м 2 )]

Полной поглощательной способностью А тела называется отношение энергии электромагнитного излучения, поглощаемого телом, ко всей падающей на него лучистой энергии (величина безмерная).

E и A зависят от природы тела, Т и или излучения, поэтому вводиться такие физические характеристики как;

Спектральная излучательная способность или спектральная плотность энергетической светимости (излучательность) тела(или)– это мощность излучения с единицы площади поверхности тела в интервале частот единичной ширины (или энергетическая светимость, рассчитанная для узкого интервала длин волн , т. е. от длин волн до ).

Аналогично вводится понятие спектральной поглощательной способности( или ).

Пожалуй, тепловое излучение – практически единственный вид излучение, который может быть равновесным, а это означает, что с течением времени, в результате непрерывного обмена энергией между телом и излучением, может наступать равновесие, т.е. тело в единицу времени будет поглощать столько же энергии, сколько излучает.

Воображаемое тело, полностью поглощающее при любой температуре всю падающую на него лучистую энергию, называется абсолютно черным телом: .

В природе таких тел нет, но некоторые тела по своим поглощательным свойствам близки к абсолютно черным телам, например, для сажи А=0,95[15].

В реальности моделью абсолютно черного тела является небольшое отверстие (дырка) в непрозрачной стенке замкнутой полости. Луч, попавший через отверстие внутрь полости, после многократных отражений от внутренних стенок практически полностью поглощается и не выходить наружу, независимо от материала стенок. После установления равновесного излучения некоторой температуры, излучения, выходящее из отверстия можно считать как излучение абсолютного черного тела. При низкой температуре полости отверстие в ней кажется черным; если же полость нагрета до высокой температуры, то отверстие представляется ярко светящимся. По аналогию с этой моделью в астрофизике «черными дырами» назвали уникальные объекты с колоссальными массами, которые поглощают подающий на них все электромагнитное излучение[16]. Излучение Солнца близко к излучению абсолютного черного тела с температурой Т≈5800 0 К.

Серые тела – это тела, поглощательная способность которого меньше единицы, но одинакова для всех частот и зависит только от температуры, материала и состояния поверхности тела.

Кирхгоф установил (1859г), что у разных тел, в условиях равновесного излучения

··· (Е_λ,Т)_{абс.ч.т.}= ε_λ,T,

где ε_λ,T— спектральная излучательная способность абсолютно черного тела.

Пропорциональность и можно показать следующим опытом: на фарфоровой пластинке зачерняют тушью круг (участок с высоким поглощением). После согревания до высоких температур, в темноте круг будет светлее, чем фон, т.к. он и излучает больше.

Для всех тел при данной температуре Т и для одной и той же длины волны λ, отношение спектральной испускательной способности к спектральной поглощательной способности тела не зависит от природы тела и равняется спектральной излучательной способности абсолютно черного тела при тех же длине волны и температуре (Закон Кирхгофа).

Из закона Кирхгофа вытекает три важных следствия.

1. (Спектральная) испускательная способность любого тела при данной температуре равна произведению его спектральной поглощательной способности на спектральную испускательную способность абсолютно черного тела при той же температуре.

E_λ,T= A_λ,T . ε_λ,T

2. Спектральная испускательная способность любого тела меньше спектральной испускательной способности абсолютного черного тела при той же температуре:

Последнее изменение этой страницы: 2016-08-01; Нарушение авторского права страницы

Электронная теория дисперсии

Лекция «Взаимодействие электромагнитных волн с веществом»

2.Электронная теория дисперсии

3.Поглощение света. Закон Бугера

4.Излучение Вавилова- Черенкова

Дисперсия света

Дисперсия – это зависимость показателя преломления среды от частоты или длины волны. Более физично надо сказать, что дисперсия это зависимость фазовой скорости от частоты.

Следствием дисперсии является разложение призмой белого света в спектр. Данное явление впервые обнаружил Ньютон в 1672г. Угол отклонения Д лучей зависит от преломленного угла призмы Р и показатель преломления n. В призме наиболее сильно отклоняются фиолетовые лучи, а наибольшее слабо– красное. Следовательно, угол отклонения зависит от длины волны света.

D=р(n-1)

Призма, как и дифракционная решетка, является спектральным прибором, но в дифракционной решетке наиболее сильно отклоняются красные лучи. При помощи дифракционной решетки непосредственно определять длину волны падающего света. Призма же дает лишь зависимость угла отклонения от длины волны. Отношение называется дисперсией вещества. Она показывает, как быстро изменяется показатель преломления среды с изменением длины волны. Чем больше длина волны, тем меньше n; или чем больше частота, тем больше n.

Д= (1)

В формуле (1) при уменьшении длины волны увеличивается показатель преломления и соответственно увеличивается дисперсия. Такое поведение дисперсии называется нормальной. Вблизи линий и полос поглощения с уменьшением λ, показатель преломления уменьшается, соответственно уменьшается Д и такая дисперсия называется нормальной.

На явлении нормальной дисперсии основана работа спектрометров.

Электронная теория дисперсии

При изучении электромагнитной природы световых волн Максвеллом, им была получена формула, связывающая оптические, магнитные и электрические свойства среды.

(1) — формула Максвелла

Для видимого спектра для всех длин волн магнитная проницаемость µ, µ=1, а это значит, что показатель преломления , так как ε считается . На самом деле n зависит от частоты или λ, то есть электромагнитная теория Максвелла не объясняет явление дисперсии. Трудность объяснения дисперсии с точки зрения теории Максвелла устраняется в электронной теории дисперсии Лоренца. В теории Лоренца дисперсия рассматривается как результат взаимодействия электромагнитной волны с заряженными частицами, входящими в состав вещества и совершающими вынужденные колебания под действием переменного электрического поля.

Рассмотрим электронную теорию дисперсии и предположим, что электрическая проницаемость зависит от частоты проницаемости

χ- электрическая восприимчивость вещества

где р — вектор мгновенной поляризации

ε— диэлектрическая проницаемость вакуума

Е- напряженность электрического поля

(2)

(3)

Мы будем рассматривать прозрачный диэлектрик, в котором поляризуются электроны, то есть мы будем рассматривать электронную поляризацию. Электронная поляризация, то есть вынужденные колебания электронов под действием падающей электромагнитной волны будет играть преобладающую роль по сравнению со всеми другими видами поляризации, так как частота падающего света приблизительно 10 15 Гц, то это слишком большая частота, чтобы поляризовать атомы в молекулы. В первом приближении можно считать, что вынужденные колебания совершает только самый внешний электрон. Этот электрон наиболее слабо связан с ядром атома и поэтому под действием оптической электромагнитной волны. Он начинает совершать вынужденные колебания. Внешний электрон в атоме называется оптический электрон, приобретает наведенный дипольный момент, который определяется формулой (4)

(4)

е— заряд электрона

х – смещение электрона

Р — вектор мгновенной поляризации и р- наведенный дипольный момент связаны между собой формулой (5); n— концентрация атомов в диэлектрике. Тогда формула (3) с учетом формул (4), (5) запишется как

(6)

Падающая световая волна описывается выражением E=Ecoswt

E— амплитудное значение напряженности электрического поля. Эта световая волна создает внешнюю вынуждающую силу, которая будет периодическим

Тогда запишем все силы, движущие на электрон и найдем равнодействующую этих сил.

(8)

Формула (8) можно переписать в виде:

(9)

Так как мы рассматриваем прозрачный диэлектрик, то мы предполагаем, что затухание световых волн при прохождении через диэлектрик будет крайне незначительно, а это значит, что γ ≈→0 следовательно уравнение (9) можно записать как:

(9а)

Решением уравнения (9а) получено нами в классической механике и называется уравнение вынужденного колебания, его решением будет выражение

А- амплитуда незатухающего колебания

(11)

m- масса электрона

w— собственная частота внешнего электрона

w- частота падающей электромагнитной волны

Подставим в уравнение (6) формулу (10), (11)

(12)

Формула (12) описывает явления электронной дисперсии учитывающей колебания внешнего электрона. Если усложнить рассмотрение, то есть рассмотрим поляризацию не только внешнего электрона, но и всех имеющихся электрических зарядов, то формула, выражающая дисперсию примет вид:

(13)

N-число разных электрических зарядов

Формула (13) отражает явление дисперсии в наиболее общем виде. Рассмотрим дисперсию для газов, у которых n≈1. Будем работать с (12)

(14) — показатель преломления в газах

Проанализируем графически формулу (12), то есть рассмотрим, как изменится показатель преломления от частоты, падающей электромагнитной волны.

Рассмотрим изменение частоты внешней электромагнитной волны от w=0, w= w

в формуле (12) n 2 >1. При росте частоты от 0 до w знаменатель формулы (12) уменьшится, сама дробь увеличится, соответственно увеличится n. Он больше 1, то есть с ростом w до w увеличиться n среды, следовательно, наблюдается нормальная дисперсия. В точке w= w происходит разрыв функции и . При частоте w> w второе слагаемое в формуле (12) идет со знаком «- » и, следовательно, n 2