13. Эффект Доплера. Красное и фиолетовое смещение спектральных линий.

Согласно принципу относительности Эйнштейна, уравнение световой волны во всех инерциальных системах отсчёта одинаково по форме. Используя преобразования Лоренца, можно получить уравнение волны, посылаемой источником, в направлении приёмника, в другой инерциальной системе отсчёта, а следовательно и связать частоты световых волн, излучаемых источником (₀) и воспринимаемых источником (). Теория относительности приводит уравнение описывающее эффект Доплера для электромагнитных волн в вакууме:

, где v- скорость источника света относительно приёмника, с- скорость света в вакууме. , θ- угол между вектором скорости v и направлением наблюдения, измеряемый в системе отсчёта связанной с наблюдением.

По смещению линий спектра определяют скорость движения звёзд. С помощью ЭД по спектру небесных тел определяется их лучевая скорость. Изменение длин волн световых колебаний приводит к тому, что все спектральные линии в спектре источника смещаются в сторону длинных волн, если лучевая скорость его направлена от наблюдателя (красное смещение), и в сторону коротких, если направление лучевой скорости - к наблюдателю (фиолетовое смещение). Если скорость источника мала по сравнению со скоростью света (300000км/с), то лучевая скорость равна скорости света, умноженной на изменение длины волны любой спектральной линии и деленной на длину волны этой же линии в неподвижном источнике. По увеличению ширины линий спектра определяют температуру звезд

14. Дайте определение светового потока и наименование световой и энергетической единиц измерения его в си.

Световой поток — поток световой энергии, оцениваемый по производимому им на нормальный человеческий глаз световому ощущению ; соответствующая энергетическому потоку излучения световая величина, то есть мощность излучения, воспринимаемая нормальным человеческим глазом. Обозначение: Φ_ν Единица измерения СИ: люмен

Для вычисления величины светового потока необходимо проинтегрировать в диапазоне от 380 до 780 нм спектральную мощность излучения Φ_eλ (измеряется в Вт/нм), помноженную на кривую спектральной чувствительности глаза V_λ; результат следует умножить на фотометрический эквивалент излучения K_m=683 лм/Вт:

15. Дайте определение светимости и наименование световой и энергетической еди­ниц измерения ее в СИ. Светимость в точке поверхности, отношение светового потока, исходящего от малого элемента поверхности, который содержит данную точку, к площади этого элемента. Одна из световых величин. Единица С. в системе СИ — люмен на квадратный метр (лм/м²).Аналогичная величина в системе энергетических величин называется энергетической С. и измеряется в вт/м^-2..

16. Дайте определение силы света и наименование световой и энергетической еди­ниц измерения ее в СИ. Сила света, одна из основных световых величин, характеризующая источник видимого излучения. С. с. в общем случае различна для различных направлений от источника; она равна отношению светового потока, распространяющегося от источника внутри элементарного (т. е. очень малого) телесного угла, который содержит данное направление, к этому телесному углу. Единица С. с. в Международной системе единиц СИ — кандела (кд). Понятие С. с. применимо только на таких удалениях от источника, которые намного превышают его размеры. В системе энергетических фотометрических величин Энергетическая сила света (сила излучения)= вт·ср^—1

17. Дайте определение яркости и наименование световой и энергетической единиц измерения ее в СИ. Я́ркость — это поток, посылаемый в данном направлении единицей видимой поверхности в единичном телесном угле. Отношение силы света, излучаемого поверхностью, к площади её проекции на плоскости, перпендикулярной оси наблюдения.

Из всех световых величин Я. наиболее непосредственно связана со зрительными ощущениями, так как освещённости изображений предметов на сетчатке пропорциональны яркостям этих предметов. Единица измерения СИ служит нит (1нт=1кд/1м²). Существуют также другие единицы измерения яркости - стильб и апостильб. В системе энергетических фотометрических величин аналогичная Я. величина называется энергетической Я. и измеряется в вт·ср^-1·м^-2.

18. Дайте определение освещенности и наименование световой и энергетической единиц измерения ее в СИ. Освещённость — физическая величина, численно равная световому потоку, падающему на единицу поверхности:

Единицей измерения освещенности в системе СИ служит люкс (1 люкс = 1 люмену на квадратный метр), в СГС — фот (один фот равен 10 000 люксов).

Энергетическая освещенность (облученность)=вт·м^—2

Освещённость прямо пропорциональна силе света источника света. При удалении его от освещаемой поверхности её освещённость уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния Освещённость в фототехнике определяют с помощью экспонометров и экспозиметров, в фотометрии — с помощью люксметров.

19. Дайте определение монохроматических волн. Укажите примерные границы оптического диапазона длин волн электромагнитного излучения. Монохроматический свет - электромагнитная волна одной определённой и строго постоянной частоты из диапазона частот, непосредственно воспринимаемых человеческим глазом. Происхождение термина "М. с." связано с тем, что различие в частоте световых волн воспринимается человеком как различие в цвете. Однако по своей физической природе электромагнитные волны видимого диапазона не отличаются от волн др. диапазонов (инфракрасного, ультрафиолетового, рентгеновского и т. д.), и по отношению к ним также используют термин "монохроматический" ("одноцветный"), хотя никакого ощущения цвета эти волны не дают. Понятие "М. с." (как и "монохроматическое излучение" вообще) является идеализацией. Теоретический анализ показывает, что испускание строго монохроматической волны должно продолжаться бесконечно долго. Реальные же процессы излучения ограничены во времени, и поэтому в них одновременно испускаются волны всех частот, принадлежащих некоторому интервалу. Чем уже этот интервал, тем "монохроматичнее" излучение. Так, очень близко к М. с. излучение отдельных линий спектров испускания свободных атомов (например, атомов газа). Каждая из таких линий соответствует переходу атома из состояния m (с большей энергией) в состояние n (с меньшей энергией). Если бы энергии этих состояний имели строго фиксированные значения E_m и E_n, атом излучал бы М. С. частоты n_mn = 2pw_mn = (E_m — E_n)/h (см. Излучение). Здесь h — Планка постоянная, равная 6,624 ×10^-27 эрг ×сек. Однако в состояниях с большей энергией атом может находиться лишь малое время Dt (обычно 10^-8 сек — т. н. время жизни на энергетическом уровне), и, согласно неопределённостей соотношению для энергии и времени жизни квантового состояния (DЕDt ³ h), энергия, например, состояния m может иметь любое значение между E_m + DE и E_m — DЕ. За счёт этого излучение каждой линии спектра приобретает "разброс" частот Dn_mn = 2DЕ/h = 2/Dt

20. Дайте определение когерентных волн. Объясните такие понятая как время и длина когерентности световых волн. Что такое пространственная когерент­ность?

Волны называются когерентными, если они удовлетворяют следующим 3 условиям: Они имеют одинаковую частоту, т.е. они монохроматичны

Разность фаз , является функцией координаты и не является функцией от времени.

Волновые вектора и параллельны друг другу и направлены перпендикулярно фронту волнны. Любой не хроматический свет можно представить в виде совокупности сменяющих друг друга независимых гармонических цугов. Средняя продолжительность одного цуга называется временем когерентности. Когерентность существует только в пределах одного цуга, и время когерентности не может превышать время излучения, т.е. . Прибор обнаружит чёткую интерференционную картину лишь тогда, когда время разрешения прибора значительно меньше времени когерентности накладываемых световых волн. Если волна распространяется в однородной среде, то фаза колебаний в определённой точке пространства сохраняется только в течение время когерентности . За это время волна распространяется в вакууме на расстояние , называемое длиной когерентности. Отсюда следует, что наблюдение интерференции света возможно лишь при оптических разностях хода, меньших длины когерентности для используемого источника света. Когерентность колебаний, которые совершаются в одной и той же точке пространства, определяемая степенью монохроматичности волн, называемая временной когерентностью.Для описания когерентных свойств волн в плоскости, перпендикулярной направлению их распространения, вводится понятие пространственной когерентности. Когерентность колебаний, которые совершаются в один и тот же момент времени в разных точках плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны, называют пространственной когерентностью.

21. Как связаны фазовые скорости распространения световых волн в среде и в ва­кууме? Дайте определение оптической длины пути, а также оптической разности хода двух световых волн. Фазовые скорости V₀ V_e этих волн будут равны соответственно:

V₀ = С/nо И V_е = С/n_е, (где С - скорость света в вакууме.)

Оптическую разность хода (∆), - это разность оптических длин путей двух волн ( L ₀₁ и L₀₂ ): ∆φ = k (Lo₁- Lo₂ ) = k ∆

Оптическая длина пути волны, прошедшей несколько различных сред , находится как сумма произведений показателя преломления среды (n ₁) на геометрическое расстояние, пройденное волной в данной среде (z₁):

L₀ = n₁ z₁ + n₂ z₂ + ... + n₁ z₁ +... (8)

Оптической длиной пути световой волны называется произведение геометрической длины пути (z₁) световой волны в среде на абсолютный показатель преломления (n₁) данной среды: Loпт = zi · ni

22. Сформулируйте и запишите условия максимумов и минимумов интерференции света. Для появления минимума интенсивности волн в какой-то точке пpостpанства необходимо, чтобы в этой точке складываемые волны постоянно гасили дpуг дpуга. Т.е. длительное вpемя волны находились бы точно в пpотивофазе, когда pазность их фаз оставалась бы постоянной и pавнялась . Наобоpот, максимум волны будет появляться, когда складываемые волны все вpемя находятся в одной и той же фазе, т. е. когда они постоянно усиливают дpуг дpуга. Таким обpазом, интеpфеpенция будет наблюдаться пpи условии, когда накладываемые дpуг на дpуга волны в каждой точке светового поля имеют постоянную во вpемени pазность фаз. Если эта pазность фаз pавна четному числу , то будет максимум, если нечетному числу , то будет минимум интенсивности света.. Максимумы интенсивности волны будут наблюдаться в точках, где выполняется условие .

Минимумы - в точках, где