
- •«Тюменский государственный нефтегазовый университет»
- •Физика, часть 3
- •1.Волновая оптика
- •1.1.Световой вектор. Уравнение плоской световой волны
- •1.2. Интерференция световых волн. Условия, необходимые для осуществления интерференции
- •1.3.Условия максимумов и минимумов при интерференции световых волн
- •1.4.Интерференция в тонких пленках
- •1.5. Кольца Ньютона
- •Контрольные вопросы
- •Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля
- •Дифракция от одной щели.
- •Дифракция на одномерной дифракционной решётке
- •Угловая дисперсия и разрешающая способность дифракционной решетки
- •Угловая дисперсия равна:
- •Дифракция рентгеновских лучей на пространственной решетке
- •Поглощение света
- •Поляризация света. Естественный и поляризованный свет
- •Поляризация при отражении и преломлении
- •Двойное лучепpеломление. Поляpизационные пpизмы и поляpоиды. Явление дихpоизма
- •Вpащение плоскости поляpизации. Искуственная оптическая анизотpопия. Эффект Кеppа и его пpименение
- •1.Явления квантовой оптики
- •1.1. Тепловое излучение и его характеристики. Закон Кирхгофа
- •1.2.Законы излучения абсолютно черного тела. Законы Стефана-Больцмана и Вина
- •1.3.Формула Релея-Джинса. Ультрафиолетовая катастрофа. Квантовая гипотеза и формула Планка
- •1.4.Оптическая пирометрия
- •1.5.Квантовая природа света. Фотон и его характеристики.
- •1.6. Виды фотоэффекта. Внешний фотоэффект и его законы.
- •1.7. Эффект Комптона
- •1.8. Коpпускуляpно-волновой дуализм свойств света
- •1.9. Контрольные вопросы и задачи к разделу «Явления квантовой оптики»
- •2.Элементы квантовой механики
- •2.1. Гипотеза де Бройля. Корпускулярно-волновой дуализм микрочастиц
- •Опыты Девиссона и Джермера (1927г.)
- •Опыты Тартаковского и Томсона (1928 г.)
- •2.2. Соотношение неопределенностей
- •Волновая функция
- •Уравнение Шредингера
- •2.5.Задача квантовой механики о движении свободной частицы
- •Задача квантовой механики о частице в одномерной прямоугольной потенциальной яме
- •Понятие о туннельном эффекте
- •1. Автоэлектронная (холодная) эмиссия электронов
- •1.8. Атом водорода в квантовой механике. Квантовые числа
- •Здесь и совпадает с формулой радиуса первой боровской орбиты; численное значение этого параметра равно;a – множитель, который можно определить из условия нормировки волновой функции:
- •2.10. Спин электрона. Принцип Паули
- •2.11. Спектр атома водорода
- •2.12. Распpеделение электpонов в атоме по энеpгетическим состояниям. Пеpиодическая система элементов д.И.Менделеева
- •2.13. Рентгеновское излучение
- •2.14. Поглощение света, спонтанное и вынужденное излучения
- •2.15. Лазеры
- •1. Инверсия населенностей
- •2. 16. Способы создания инверсии населенностей
- •2.17. Положительная обратная связь. Резонатор
- •2.18. Принципиальная схема лазера
- •2.17. Линейный гаpмонический осциллятоp
- •3.6. Понятие о квантовой теории электропроводности металлов
- •3.7. Явление сверхпроводимости. Свойства сверхпроводников
- •Критические температуры перехода для некоторых сверхпроводников
- •4.Зонная теория твёрдых тел
- •4.1. Энергетические зоны электронов в кристалле
- •4.2. Металлы, полупроводники, диэлектрики в зонной теории твёрдых тел
- •4.3.Полупроводники. Собственная проводимость полупроводников
- •4.4. Примесная проводимость полупроводников
- •4.5. Равновесные концентрации носителей заряда в полупроводнике
- •4.6. Зависимость электропроводности полупроводников от температуры
- •Электронно-дырочный переход
- •Внутренний фотоэффект
- •Воздействие излучения на полупроводник. Фоторезистивный эффект
- •Устройство и характеристики фоторезисторов
- •Применение фоторезисторов
- •Фотоэффект в электронно-дырочном переходе. Фото-э.Д.С.
- •Применение вентильного фотоэффекта
- •Биполярный транзистор
- •Состав и характеристики атомного ядра
- •Характеристики атомного ядра
- •Ядерные силы
- •Понятие об обменном характере ядерных сил. Кванты ядерного поля
- •Радиоактивность
- •Ядерные реакции
- •Деление атомных ядер
- •Элементарные частицы
- •2 Кристаллические решетки твердых тел представляют собой периодические структуры и являются естественными трехмерными дифракционными решетками.
Поляризация при отражении и преломлении
Пусть свет падает на границу раздела двух диэлектриков. Если угол падения света не равен нулю, то отражённый и преломлённый луч оказываются частично поляризованными. В отражённом луче преобладают колебания светового вектора в плоскости, перпендикулярной плоскости падения луча, в преломлённой – в плоскости параллельной плоскости падения (рис.). Степень поляризации зависит от угла падения.
Пусть угол падения удовлетворяет условию:
,
где
. ()
В этом случае отражённый луч полностью поляризован (степень поляризации его составляет100).
Соотношение
() называется законом Брюстера. Угол
называется углом Брюстера или углом
полной поляризации.
Физическая сущность явлений, приводящих к поляризации отраженного и преломлённого лучей, заключается в следующем. Падающая на диэлектрик световая волна вызывает вынужденные колебания атомных электронов. Колеблющиеся заряды излучают электромагнитные волны. Вне диэлектрика вторичные волны дают отражённую волну. Преломлённая волна является суперпозицией падающей и вторичной волны.
Рассмотрим
диаграмму направленности излучения
колеблющегося заряда (рис.). Сильнее
всего колеблющийся заряд излучает в
направлении перпендикулярном направлению
колебаний. В направлении колебаний
заряд не излучает совсем.
Если естественный свет падает на границу раздела вакуум-диэлектрик под углом Брюстера, то из соотношения () следует, что угол между преломлённым и отражённым лучом составляет 90о. В этом случае отражённый луч содержит колебания светового вектора только в плоскости, перпендикулярной плоскости падения луча, и будет полностью поляризован. Преломлённый луч будет поляризован частично.
Степень поляризации проходящего света можно повысить, если использовать стопу из нескольких одинаковых пластинок (например, стеклянных), установленных под углом Брюстера к падающему пучку света. Если число пластинок велико, то степень поляризации близка к единице, и такое устройство можно использовать в качестве поляризатора.
Двойное лучепpеломление. Поляpизационные пpизмы и поляpоиды. Явление дихpоизма
Большинство
кристаллов электрически анизотропно.
Их диэлектрическая проницаемость и
показатель преломления зависят от
направления векторасветовой волны. В таких кристаллах имеет
местоявление двойного лучепреломления.Луч света, падающий на поверхность
кристалла, раздваивается на 2 преломлённых
луча (рис.).
Один
из лучей удовлетворяет обычному закону
преломления света и лежит в одной
плоскости с падающим лучом и нормалью
к нему. Его называютобыкновенными обозначают на схемах символомо.
Второй луч называют необыкновенными обозначают на схемах символоме.Необыкновенный луч не подчиняется закону преломления света и не лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью к нему.
Оптической осьюкристалла называют направление, вдоль которого свет распространяется, не испытывая двойного лучепреломления.
В зависимости от типа симметрии кристаллы бывают одноосными либодвухосными(то есть имеют одну или две оптические оси). Примером одноосного кристалла являетсяисландский шпат (CaCO3). В дальнейшем мы будем рассматривать только одноосные кристаллы.
Главным сечением или главной плоскостью одноосного кристалла для какого-либо луча называют плоскость, проходящую через этот луч и оптическую ось.
Исследования обыкновенного и необыкновенного лучей показывают, что оба эти луча поляризованы во взаимно-перпендикулярных плоскостях.
Плоскость
колебаний светового вектора обыкновенного
луча перпендикулярна главному сечению
кристалла. Колебания светового вектора
в необыкновенном луче происходят в
плоскости, совпадающей с главным сечением
кристалла.
Двойное лучепpеломление объясняется анизотропией кристаллов, в частности, зависимостью диэлектрической проницаемости от направления. В одноосных кристаллах эту зависимость можно показать с помощью эллипсоида вращения (рис.).
Отрезок
от центра эллипсоида до некоторой точки
на его поверхности равен диэлектрической
проницаемости .
Показатель преломления,
следовательно, электромагнитным волнам
с различным направлением колебаний
светового вектора
соответствуют различные значения
показателя преломления
.
Например, показатель преломления
обыкновенного луча в исландском шпате
.
Показатель преломления необыкновенного
луча
непостоянен и зависит от его направления.
Чтобы отделить друг от друга обыкновенный и необыкновенный луч используется поляризационная призма Николя. Она состоит из двух частей кристалла исландского шпата, распиленного и склеенного затем канадским бальзамом (смолой канадской сосны) (рис.).
Луч
естественного света, входя в призму
Николя, делится на обыкновенный и
необыкновенный (рис.). Обыкновенный луч
испытывает полное отражение на слое
канадского бальзама, так как его
показатель преломления (
)
больше показателя преломления канадского
бальзама (
),
а угол падения больше предельного угла,
после которого начинается полное
отражение.
Необыкновенный
луч проходит слой канадского бальзама,
не испытывая полного отражения, так
как для него в данном направлении
показатель преломления ()
меньше показателя преломления канадского
бальзама (
).
Призма Николя используется как поляризатордля получения поляризованного света из естественного. Она используется такжекак анализатордля определения плоскости поляризации поляризованного света.
В некоторых кристаллах один из лучей поглощается значительно сильнее другого. Это явление называется дихроизмом. Пример сильно дихроичного кристалла – кристалл турмалина. В нём обыкновенный луч практически полностью поглощается на длине1 мм. Это же явление имеет место вполяроидных плёнках.