- •Волновая и квантовая оптика
- •1. Основные законы оптики.@
- •1. 1. Элементы геометрической оптики.@
- •1. 2. Явление полного внутреннего отражения.@
- •1. 3. Электромагнитная теория света.@
- •1. 4. Принцип Гюйгенса. @
- •2. Интерференция световых волн.@
- •2. 1. Расчет интерференционной картины.@
- •2. 2. Метод Юнга. Получение интерференционной картины.@
- •2. 3. Интерференция света в тонких пленках.@
- •2. 4. Применение интерференции.@
- •3.Дифракция света. @
- •3. 1. Принцип Гюйгенса-Френеля.@
- •3. 2. Метод зон Френеля.@
- •3. 3. Дифракция Френеля на круглом отверстии и диске.@
- •3. 4. Дифракция Фраунгофера на прямоугольной щели.@
- •3. 5. Дифракция Фраунгофера на дифракционной решетке.@
- •3. 6. Дифракция рентгеновских лучей.@
- •3. 7. Дисперсия и разрешающая сила спектрального прибора.@
- •4. Поляризация света.@
- •4. 1. Естественный и поляризованный свет.@
- •4. 2. Поляризация света при отражении и преломлениина границе раздела двух диэлектрических сред. Закон Брюстера. @
- •4. 3. Поляризация света при двойном лучепреломлении.@
- •4. 4. Поляризация света.@
- •4. 5. Анализ плоскополяризованного света. Закон Малюса.@
- •4. 6. Интерференция поляризованных лучей.@
- •4. 7. Искусственная оптическая анизотропия.@
- •4. 8. Оптическая активность веществ.@
- •5. Взаимодействие электромегнитных волн с веществом.@
- •5. 1. Поглощение света.@
- •5. 2. Дисперсия света.@
- •5. 3. Отражение и пропускание света. Окраска тел в природе.@
- •6. Тепловое излучение тел.@
- •6. 1. Характеристики теплового излучения.@
- •6. 2. Закон Кирхгофа.@
- •6. 3. Законы Стефана-Больцмана и Вина.@
- •6. 4. Квантовый характер излучения.@
- •6. 5. Пирометрия и пирометры.@
- •7. Фотоэлектрический эффект.@
- •А.Г.Столетов два года исследовал новое явление и установил следующие закономерности внешнего фотоэффекта:
2. Интерференция световых волн.@
Если монохроматические световые волны имеют постоянную во времени разность фаз и колебания их световых векторов происходят в одной плоскости, то они называются когерентными (от греч. cohereus - согласованный). Такие согласованные когерентные волны при наложении их друг на друга могут создать в пространстве картину, заключающуюся в чередовании светлых и темных областей. Данное явление перераспределения интенсивности световой волны в пространстве при наложении двух или нескольких когерентных волн называется интерференцией света.
Любое светящееся тело состоит из огромного количества светящихся атомов, каждый из которых излучает лишь очень короткое время τ = 10- с и затем «потухает». За это время атом испускает кусок волны приблизительно 3 м, называемый волновым цугом. Затем возбуждение атома повторяется, но излучаемый волновой цуг будет иметь другую начальную фазу, которая задается случайным образом. Следовательно, цуги одного атома, а тем более цуги разных атомов, принадлежащих одному источнику, будут некогерентными. По этой причине в результате наложения световых волн от двух независимых источников (например, двух электрических ламп накаливания) явление интерференции никогда не наблюдается.
2. 1. Расчет интерференционной картины.@
Пусть в некоторую точку А одновременно приходят две световые волны от когерентных источников светаS1 и S2, световые векторы которых колеблются в одной плоскости (рис. 2.1). Пусть источники начинают излучать одновременно, начальные фазы волн равны нулю и амплитуды одинаковы. Тогда уравнения волн можно записать следующим образом:
Складывая эти выражения, можно получить что результирующая величина Е в точке А будет равна:
.
Величина не зависит от времени и является амплитудой суммарного колебания в точке А. Амплитуда может принимать нулевое значение, еслиа это выполняется если аргумент косинуса равен нечетному числу π/2. При этом происходит взаимное «гашение» волн и мы наблюдаем ослабление интенсивности суммарной волны, то естьинтерференционный минимум. Определим положение в пространстве таких точек:
, где m = 0, 1, 2…. - любое целое число, которое называется порядком интерференции, запись означает нечетное число.х1 и х2 – геометрические пути световых волн от источников света S1 и S2 соответственно, до произвольной точки А (рис. 2.1). Разность х2 - х1 = Δ называется геометрической разностью хода волн. Если свет распространяется в среде с показателем преломления n, необходимо рассматривать оптический путь волн l = xn. Если световые волны проходят в разных средах, их оптические пути будут l1=x1n1 и l2=x2n2 и оптическая разность хода Δ = l2 - l1. Таким образом, если в произвольной точке пространства оптическая разность хода накладываемых волн равна нечетному числу полуволн, то в ней наблюдается минимум интерференции. Условие естьусловие интерференционного минимума.
Если что возможно при равенстве аргумента нулю или четному числу π/2, амплитуда светового вектора для данной точки будет в любой момент времени равна 2Е0. Определим положение этих точек:
.
Если в произвольной точке пространства оптическая разность хода накладываемых волн равна четному числу полуволн или целому числу длин волн, то в ней наблюдается максимум интерференции и условие являетсяусловием интерференционного максимума. Если между световыми волнами существует разность хода, то они также обладают разностью фаз.
Получим условия интерференционных максимумов и минимумов для разности фаз δ:
.
Если вместо Δ подставить значения Δmax и Δ min, то мы получим условия максимума и минимума интерференции для разности фаз δ max = ±2πm и δ min = ±(2m+1)π, ( m = 0,1,2…).
Если амплитудные значения светового вектора не равны друг другу, т.е. Е01 ≠ Е02, то квадрат результирующей амплитуды определяется по формуле:
Е2 = Е012 + Е022 + 2Е01Е02cos (φ2 – φ1),
где (φ2 – φ1) – разность фаз колебаний. Поскольку интенсивность света I пропорциональна квадрату амплитудного значения Е, то
.
В точках пространства, где cos (φ2 – φ1) > 0, результирующая интенсивность I > I1 + I2. Если cos (φ2 – φ1) < 0, то I < I1 + I2. Таким образом, мы наблюдаем перераспределение интенсивности и интерференционную картину.