Световые волны. Взаимодействие света с веществом (4).

1. Световая волна, ее уравнение, основные параметры и скорость распространения. Взаимная ориентация электрического и магнитного полей в волне. Свет может рассматриваться либо как электромагнитная волна, скорость распространения в вакууме которой постоянна, либо как поток фотонов — частиц, обладающих определённой энергией, импульсом, собственным моментом импульса и нулевой массой. Уравнение световой волны:

Acos(wt-kr+a)

A=Emax - амплитуда световой волны,

k – волновое число, k = w/v

r – расстояние вдоль направления распространения волны.

Для плоской волны – A=const

Для сферической A/r

Cветовая волна представляет собой колебания электрического и магнитного полей, распространяющиеся в пространстве; оба поля совершают колебания во взаимно перпендикулярных плоскостях, которые перпендикулярны также и направлению распространения волны. В действительности световые волны являются одним из типов электромагнитных волн, включающих также рентгеновское, ультрафиолетовое, инфракрасное излучения и радиоволны.

Характеристики световых волн1)длина волны2)скорость распространения3)частота

длинноволновую — 760 - 600 нм (красный — оранж.)средневолновую — 600 - 500 нм (оранжевый — голубой)коротковолновую — 500 - 380 нм (голубой — фиолетовый).

2. Интерференция световых волн (условия усиления и ослабления интенсивности). Когерентные источники. Разность фаз и разность хода волн.

Интерференция возникает, когда две волны с одинаковой длиной волны (1, 2) Движутся по одному пути. Они взаимо- действуют, образуя новую волну (3). Если волны совпадают по фазе(А), то интенсивность результирующей волны оказы- вается выше, чем каждой из них. Если волны слегка сдвинуты по фазе (В), то интенсивность результирующей волны близка к интенсивности исходных волн. Если исходные волны нахо- дятся в противофазе (B), то они полностью гасят друг друга.

Результат интерференции (интерференционная картина) зависит от разности фаз накладывающихся волн.

Оптическая разность хода - это разность оптических длин путей световых волн, имеющих общие начальную и конечную точки.

Когерентные источники - такие источники, которые обеспечивают постоянную во времени разность фаз слагаемых волн в различных точках.  Когерентные источники являются источниками когерентных волн. Когерентные источники в оптике могут быть созданы только искусственным путем.

3. Интерференция света в тонких пленках. Роль толщины слоя.

Интерференция возникает при разделении первоначального луча света на два луча при его прохождении через тонкую плёнку, например плёнку, наносимую на поверхность линз у просветлённых объективов. Луч света, проходя через плёнку толщиной  , отразится дважды — от внутренней и наружной её поверхностей. Отражённые лучи будут иметь постоянную разность фаз, равную удвоенной толщине плёнки, отчего лучи становятся когерентными и будут интерферировать. Полное гашение лучей произойдет при

  ,

где   — длина волны. Явление интерференции наблюдается в тонком слое несмешивающихся жидкостей (керосина или масла на поверхности воды), в мыльных пузырях, бензине, на крыльях бабочек, в цветах побежалости, и т. д.

4. Дифракция света. Принцип Гюйгенса и Зоны Френеля.

Дифракция света – это отклонение световых лучей от прямолинейного распространения при прохождении сквозь узкие щели, малые отверстия или при огибании малых препятствий. Явление дифракции света доказывает, что свет обладает волновыми свойствами.

Для наблюдения дифракции  можно: -  пропустить свет от источника через  очень малое отверстие или расположить экран на большом расстоянии от отверстия.  Тогда на экране наблюдается  сложная картина  из светлых и темных концентрических колец. - или  направить свет на тонкую проволоку, тогда на экране будут наблюдаться  светлые и темные полосы, а в случае белого света – радужная полоса.

Принцип Гюйгенса-Френеля дает объяснение  явлению дифракции: 1. вторичные волны, исходя из точек одного и того же волнового фронта  (волновой фронт – это множество точек, до которых дошло колебание в данный момент времени) , когерентны, т.к. все точки фронта колеблются с одной и той же частотой и в одной и той же фазе; 2. вторичные волны, являясь когерентными, интерферируют. Явление дифракции накладывает ограничения на применение законов геометрической оптики: Закон прямолинейного  распространения света, законы отражения и преломления света выполняются достаточно точно только , если размеры препятствий много больше длины световой волны. Дифракция накладывает предел на разрешающую способность оптических  приборов: - в микроскопе при наблюдении очень мелких предметов изображение получается размытым -  в телескопе при наблюдении звезд вместо изображения точки получаем систему светлых и темных полос.

6. Дифракционная решетка.

Дифракционная решетка - это  оптический прибор для измерения длины световой волны. Дифракционная решетка представляет собой совокупность большого числа очень узких щелей, разделенных непрозрачными промежутками. Если на решетку падает монохроматическая волна . то щели (вторичные источники)  создают когерентные волны. За решеткой ставится собирающая линза, далее – экран. В результате интерференции света от различных щелей решетки на экране наблюдается система максимумов и минимумов.

7. Дифракция рентгеновских лучей на микроструктурах и ее использование для анализа этих структур.

В природе в роли дифракционных решёток выступают вещества, имеющие кристаллическую структуру. Для таких веществ характерно упорядоченное расположение атомов или молекул в пространстве. При их облучении электромагнитными волнами последние испытывают явление дифракции на атомах или молекулах, в результате становится возможными наблюдать перераспределение интенсивности падающей волны. Структура наблюдаемой дифракционной картины определяется закономерностями расположения атомов и молекул. По этой причине явление дифракции электромагнитных волн может быть использовано для исследования структуры строения вещества, а при известной структуре кристалла - для изучения спектрального состава излучения естественных и искусственных источников излучения.