- •Федеральное агентство морского и речного транспорта
- •Предисловие
- •Лекция 1 Элементы геометрической оптики.
- •Основные законы геометрической оптики.
- •Тонкие линзы. Изображение предметов с помощью собирающей линзы.
- •Лекция 2 Волновая оптика
- •Интерференция света.
- •Получение когерентных источников. Оптическая разность хода.
- •Расчет интерференции в опыте Юнга.
- •Лекция 3. Интерференция света
- •Интерференция в тонких пленках
- •2. Кольца Ньютона
- •3. Применение интерференции
- •Лекция 4. Дифракция света
- •Принцип Гюйгенса – Френеля.
- •Дифракция Френеля на круглом отверстии.
- •Дифракция Френеля на небольшом диске.
- •Лекция 5 Дифракция Фраунгофера
- •Дифракция от одной прямоугольной щели
- •Дифракционная решетка
- •Голография
- •Лекция 6 Поляризация света
- •Естественный и поляризованный свет
- •Поляризация света при отражении. Закон Брюстера.
- •Явление двойного лучепреломления и его особенности. Дихроизм.
- •Природа двойного лучепреломления.
- •Применение поляризованного света.
- •Лекция 7 Распространение света в веществе
- •Дисперсия света.
- •Поглощение света.
- •Рассеяние света.
- •Лекция 8 Тепловое излучение
- •Характеристики теплового излучения.
- •2. Поглощательная и отражательная способности тел.
- •3. 3Аконы теплового излучения.
- •4. Оптическая пирометрия
- •Лекция 9 Фотоэффект
- •Законы внешнего фотоэффекта
- •Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта
- •Фотон и его свойства
- •Эффект Комптона
- •Люминесценция, фотолюминесценция и ее основные закономерности
- •Физические принципы устройства приборов ночного видения
- •Лекция 10 Теория атома водорода по Бору
- •Линейчатый спектр атома водорода
- •Модели атома Томсона и Резерфорда
- •Постулаты Бора
- •Спектр атома водорода по Бору
- •Лекция 11 Элементы квантовой механики
- •Корпускулярно-волновой дуализм свойств вещества. Гипотеза де Бройля.
- •Природа волн де Бройля
- •Соотношение неопределенностей Гейзенберга
- •Уравнение Шредингера. Волновая функция.
- •Физический смысл волновой функции
- •Лекция 12 Атом водорода в квантовой механике
- •Уравнение Шредингера для атома водорода
- •Квантовые числа.
- •Спин электрона.
- •Лекция 13 Оптические квантовые генераторы
- •Физические основы работы окг. Спонтанное и индуцированное излучение.
- •Термодинамическое равновесие. Нормальная населенность уровней.
- •Неравновесное состояние. Инверсия населенности уровней.
- •Рубиновый лазер
- •Газовый лазер
- •Лекция 14 Атомное ядро и основы ядерной энергетики
- •Состав и характеристики ядра
- •Энергия связи и дефект масс
- •Ядерные силы
- •Радиоактивность
- •Лекция 15
- •Реакция деления тяжелых ядер
- •Цепная реакция деления
- •Управляемая цепная реакция. Ядерные реакторы.
- •Термоядерная реакция синтеза легких ядер
- •Принципиальная схема устройства термоядерной бомбы
- •Проблемы управления термоядерной реакцией
- •Лекция 16 Элементарные частицы
- •Космические лучи
- •Элементарные частицы
- •Основные свойства.
- •Характеристики элементарных частиц.
- •Мюоны и их свойства.
- •Мезоны и их свойства.
- •Частицы и античастицы
- •Классификация элементарных частиц. Кварки.
Природа двойного лучепреломления.
Явление лучепреломления связано с анизотропией кристаллов. В кристаллах некубической симметрии диэлектрическая проницаемость в различных направлениях разная. В одноосных кристаллах она принимает значения от(вдоль оси) до(перпендикулярно главной оптической оси). При промежуточных направленияхпринимает промежуточные значения междуи.
Показатель преломления (), а от него зависит скорость электромагнитной волны (). В итоге электромагнитные волны с разными направлениями колебаний вектораимеют разные скорости распространения.
Для обыкновенного луча колебания светового вектора перпендикулярны главной плоскости. Независимо от направления распространения волны направление колебаний перпендикулярно оптической оси:,. Скоростьодинакова для всех направлений. Во всех направлениях за одно время луч пройдет одинаковые пути. Изображая скорость в виде отрезков, отложенных по разным направлениям, получим сферу в пространстве.
Для луча «е» колебания светового вектора проходят в плоскости главного сечения. При изменении направления распространения луча меняется и угол между световым вектором и оптической осью, а поэтому меняются ,и.
Рассмотрим три направления распространения 1,2,3.
При направлении 1, когда , при 2, когда, а при других направленияхзаключается в интервале междуи.
В направлении 1, вдоль оптической оси . Для луча 2 уголи скорость. Для луча 3 скорость имеет промежуточное значение. Можно показать, что волновая поверхность необыкновенных лучей эллипсоид. В местах пересечения с оптической осью кристалла этот эллипсоид и сфера, построенная для обыкновенных лучей, соприкасаются.
В зависимости от того, какая из скоростей илибольше, различают положительные и отрицательные одноосные кристаллы.
Примерами положительных кристаллов являются : киноварь, , кварц. Для них. Примерами отрицательных кристаллов являются турмалин и бензол. Для них.
Применение поляризованного света.
Поляроиды защищают от ослепительных солнечных лучей и от фар встречного транспорта. Различные кристаллы создают различное двойное лучепреломление, поэтому по вышедшему свету судят о природе минерала. В морской авиации стекла со скрещенными поляроидами используются для гашения бликов от воды.
Лекция 7 Распространение света в веществе
На этой лекции будут изучены явления, возникающие при распространении электромагнитных волн в веществе, такие как дисперсия, поглощение и рассеяние света.
Дисперсия света.
Дисперсией света называется зависимость показателя преломления вещества от частотыили от длины волны. В результате дисперсии света происходит разложение белого света в спектр при прохождении его через призму. Впервые дисперсию наблюдал Ньютон.
Рассмотрим дисперсию света в призме (рис.1.).
Рис.1. |
Монохроматический пучок света падает на призму с показателем преломления под углом. После двукратного преломления на левой и правой гранях призмы, луч отклоняется от первоначального направления на угол.
.
По построению угол и.
Рассмотрим случай, когда ималы, тогда малы и остальные углы,и. Значение синусов малых углов можно поменять на значения углов.
,, но, отсюда.
Подставим выражение для угла в выражение для:
.
Из этого выражения следует, что угол отклонения зависит от преломляющего угла призмы и показателя преломления. Еслизависит от длины волны (), то лучи с разными длинами волн отклоняются на разные углы.
Из теории Максвелла следует, что , где- магнитная, а- диэлектрическая проницаемость среды. Оптически прозрачные среды не намагничены, поэтому в оптической области спектра для всех веществи. Экспериментальные данные противоречат теории Максвелла:- переменная величина, а- постоянная. Значениетакже не согласуется с опытом. Эти противоречия устраняются электронной теорией Лоренца. Дисперсия света рассматривается как результат взаимодействия электромагнитных волн с заряженными частицами, входящими в состав вещества и совершающими вынужденные колебания в переменном электромагнитном поле.
Рассмотрим однородный диэлектрик, предположив, что дисперсия света является следствием зависимости от частотысветовых волн. Диэлектрическая проницаемость вещества равна:
,
где - мгновенное значение поляризованности,- напряженность электрического поля. Тогда. Из этого выражения видно, чтозависит от. Основное значение в данном случае имеет электронная поляризация, то есть вынужденные колебания электронов под действием электрической составляющей поля волны. Для ориентационной поляризации молекул частота колебаний в световой волне очень высока (Гц). Молекулы просто не успевают повернуться по полю.
В первом приближении можно считать, что вынужденные колебания совершают только внешние, наиболее слабо связанные ядром электроны – оптические электроны. Для простоты рассмотрим колебания только одного оптического электрона. Наведенный дипольный момент электрона, совершающего вынужденные колебания, равен , где- заряд электрона,- смещение электрона под действием электрического поля световой волны. Если концентрация атомов в диэлектрике равно, то мгновенное значение поляризованности равно:. Подставив это значение в предыдущую формулу, получим:.
Задача сводиться к определению смещения электрона под действием электрического поля. Поле световой волны является функцией частоты и меняется по гармоническому закону:. Уравнение вынужденных колебаний электрона для простейшего случая (без учета силы сопротивления, обуславливающей поглощения энергии падающей полны) записывается в виде:
,
где - амплитудное значение силы, действующей на электрон со стороны поля волны,- собственная частота колебаний электрона,- масса электрона. Решив это уравнение, найдемв зависимости от констант электрона (,,) и частоты внешнего поля, то есть решим задачу дисперсии.
Решение уравнения имеет вид , где. Подставляем это значение в выражение для, получим:. Итак квадрат показателя преломления равен:
.
Если в веществе имеются различные заряды , совершающие колебания с различными собственными частотами, то
,
где - масса-ого заряда.
Из последних выражений вытекает, что показатель преломления зависит от частоты внешнего поля, то есть полученные зависимости подтверждают явление дисперсии. На рис.2. приведен график зависимости от.
Рис.2. |
В области от до,больше единицы и возрастает с увеличением(нормальная дисперсия). При,. В области отдо,меньше единицы и возрастает отдо 1 (нормальная дисперсия). Стремлениевблизи собственной частотык бесконечности получилась в результате допущения об отсутствии сил сопротивления при колебаниях электрона. Если учесть силы сопротивления, то график функцииотвблизи точкизадается штрихованной линией. Область- это область аномальной дисперсии (убывает при возрастании).
При нормальной дисперсии возрастает с увеличением(уменьшением). Зависимость показателя преломления от длины волны приведена на рис. 3.
Рис.3 |
Это и приводит к появлению спектра (радуги).