- •Проверка законов освещённости, фотометрирование источников света.
- •Энергетические величины: мощность излучения, интенсивность излучения, энергетическая освещенность, энергетическая светимость, энергетическая яркость.
- •Фотометрические величины: световой поток, сила света, освещенность, светимость, яркость.
- •Законы освещенности. Закон Ламберта.
- •3. Соотношения между энергетическими и фотометрическими величинами. Кривая видности.
- •Методы измерения световых величин. Объективные и субъективные фотометры.
- •3. Связь фокусного расстояния с показателем преломления стекла и радиусами кривизны линзы. Оптическая сила линзы.
- •4. Поперечное увеличение линзы
- •6. Аберрации линз.
- •Лабораторная работа №3
- •Изучение микроскопа.
- •Определение показателя преломления стекла при помощи микроскопа
- •Вопросы для теоретической подготовки:
- •1. Глаз. Угол зрения.
- •2. Лупа. Ход лучей в лупе. Вывести формулу увеличения лупы.
- •3. Микроскоп. Ход лучей в микроскопе. Вывести формулу увеличения микроскопа
- •Числовая апертура объектива и разрешающая способность микроскопа
- •Показатель преломления. Его физический смысл.
- •Почему, камень лежащий на дне водоема камень, кажется ближе?
- •Основные законы геометрической оптики.
- •Измерение показателя преломления жидкостей рефрактометром Аббе и определение показателя преломления твердых тел.
- •Абсолютный и относительный показатели преломления вещества, их физический смысл.
- •Граничные условия для векторов электрического и магнитного полей волны. Вывод законов преломления и отражения света.
- •Отражение и преломление света на границе двух однородных прозрачных диэлектриков
- •Вывод формул Френеля для отраженного и преломленного света. Угол Брюстера.
- •Полное внутреннее отражение. Наблюдение проникновения света во вторую среду при полном внутреннем отражении. Световоды.
- •Полное внутреннее отражение.
- •Применения явления полного внутреннего отражения.
- •Рефракторетр Аббе, устройство и его работа. Призма Амичи.
- •Принцип работы рефрактометра
- •Призма прямого зрения - призма Амичи.
- •Оптическая схема рефрактометра.
- •Методика работы с рефрактометром ирф-23.
- •Фазовая и групповая скорость волны, формула Рэлея.
- •Распространение электромагнитной волны. Фазовая и групповая скорости Фазовая скорость.
- •Групповая скорость.
- •Лабораторная работа № 5 Определение дисперсии стеклянных призм с помощью гониометра Вопросы для теоретической подготовки:
- •1. Вывести соотношение для угла наименьшего отклонения луча в призме.
- •2. Устройство гониометра и принципы измерения преломляющих углов и углов наименьшего отклонения стеклянных призм.
- •3. В чем состоит явление дисперсии. Нормальная и аномальная дисперсия. Электронная теория дисперсии (с выводом).
- •4. Разрешающая сила призмы.
3. В чем состоит явление дисперсии. Нормальная и аномальная дисперсия. Электронная теория дисперсии (с выводом).
Дисперсия света – зависимость показателя преломления вещества от длины волны или частоты света.
Все электроны, входящие в атом, можно разделить на периферийные, или оптические, и электроны внутренних оболочек. На излучение и поглощение света в оптической области спектра оказывают влияние практически одни только оптические электроны. Собственные частоты электронов внутренних оболочек слишком велики, так что их колебания в поле световой волны практически не возбуждаются. Поэтому в теории дисперсии можно ограничиться рассмотрением одних только оптических электронов.
Для простоты предположим сначала, что в атоме есть всего один оптический электрон. В классической теории дисперсии оптический электрон рассматривается как. затухающий гармонический осциллятор, колебания которого в поле световой волны описываются уравнением
(5.6)
где m — масса, е — заряд электрона, –kr — квазиупругая возвращающая сила, стремящаяся вернуть электрон в положение равновесия, — сила, аналогичная силе трения и введенная для учета поглощения света, — напряженность электрического поля, действующего на электрон.
Поле , вообще говоря, отличается от среднего макроскопического поля Е, входящего в уравнения Максвелла, но в случае неплотных газов этим различием можно пренебречь. Разделив на т, приведем предыдущее уравнение к виду
(5.7)
где , . Магнитной силой , действующей на электрон, мы пренебрегли, так как скорость электрона υ пренебрежимо мала по сравнению со скоростью света с. Эта сила проявляется лишь в световом давлении, которое в обычных условиях мало и в разбираемом нами вопросе не играет существенной роли.
Все силы, действующие внутри атомов и молекул, имеют электрическую природу. Такими силами определяется и внутренняя структура этих частиц. Однако объяснить этими силами существование и структуру атомов и молекул на основе классических представлений оказалось невозможным. Это было сделано только в рамках квантовой физики. Никаких квазиупругих сил и сил трения, пропорциональных скорости заряженных частиц, в атомах и молекулах нет. Правильная теория дисперсии должна принимать во внимание только реально существующие силы и основываться на квантовых законах. Такую теорию дает квантовая механика. Однако она приводит к поразительному результату, что в отношении дисперсии и поглощения света атомы и молекулы ведут себя так, как если бы среда представляла собой набор осцилляторов с различными собственными частотами и коэффициентами затухания, подчиняющихся классическим уравнениям движения Ньютона.
Собственные частоты и коэффициенты затухания не могут быть вычислены на основе классической модели. В классической теории на них надо смотреть как на формально введенные постоянные. Вычисление этих постоянных и раскрытие их истинного физического смысла возможно только в рамках квантовой теории. На классическую же теорию надо смотреть как на теорию, дающую модель диспергирующей среды, которая приводит к правильным окончательным результатам, если к ней применять законы классической механики.
После этого замечания можно перейти к изложению классической теории дисперсии, не опасаясь, что смысл этой теории будет понят неправильно.
Предположим, что поле Е представляется плоской волной
(5.8)
Амплитуда поля меняется от точки к точке. Значит, в различных точках траектории электрон подвергается действию поля различной амплитуды. (Указанное обстоятельство приводит к явлению так называемой пространственной дисперсии.) Однако мы пренебрежем этим обстоятельством, предполагая, что амплитуда колебаний электрона r0 мала по сравнению с длиной волны λ. Для теории дисперсии имеет значение не общее, а только частное решение уравнения (5.7), представляющее вынужденные колебания осциллятора Амплитуда r0 найдется подстановкой этого выражения в (5.7) если пренебречь различием между и , то получится
. (5.9)
Атом в электрическом поле приобретает дипольный момент P=er=βE, где β — поляризуемость атома, определяемая формулой
. (5.10)
Если N — число атомов в единице объема, то вектор поляризации среды будет P=Np=NβE , индукция D=E+4πP=εE, где
. (5.11)
М атериальное уравнение D=εE принимает такой же вид, как и в формальной теории Максвелла, с тем существенным отличием, что диэлектрическая проницаемость ε теперь зависит от частоты ω. Поэтому сохраняют силу все ранее полученные результаты, если в них постоянную ε заменить функцией ε(ω). Функция ε(ω) получилась комплексной. Этого и следовало ожидать, так как в нашей модели учтено поглощение света. Введем комплексный показатель преломления по формуле
, (5.12)
где n — вещественный показатель преломления, а κ — показатель затухания среды. Обе функции n(ω) и κ(ω) зависят от частоты.
Таким образом, получают принципиальное, хотя и формальное объяснение не только дисперсия, но и абсорбция света.
Возведем (5.12) в квадрат и сравним вещественные и мнимые части полученного соотношения и соотношения (5.11). Тогда получим
(5.13)
(5.14)
С помощью этих формул показатели преломления и затухания n и х. можно выразить через частоту ω и молекулярные параметры N и e2/m
Вдали от собственной частоты ω0, где , мнимой частью в (5.11) можно пренебречь и получить приближенную формулу:
. (5.15)
Формула для n такого вида впервые была получена Зельмейером в 1871 г. в механической теории эфира. Конечно, в формуле самого Зельмейера нет никакого намека на связь показателя преломления с диэлектрической проницаемостью ε и вообще со всякими величинами, характеризующими электрические свойства среды.
Н а Рис.5.5 сплошной линией представлен график функции ε=ε(ω). При переходе через точку ω=ω0 эта функция претерпевает скачок от +∞ до −∞.
Показатель преломления n представлен штриховой, а показатель затухания κ — штрихпунктирной линией. Величина n обращается в нуль на участке, где ε(ω)<0.
Показатель затухания κ, наоборот, на этом участке отличен от нуля, обращаясь в нуль при всех остальных частотах. Величина κ описывает именно затухание, а не поглощение волн, так как кривые Рис. 5.5 относятся к модели непоглощающей среды (диэлектрическая проницаемость ε всюду вещественна).
Впрочем, эти выводы имеют формальный характер, так как вблизи собственной частоты ω0 соотношение не выполняется, а потому формула (5.15) неприменима. В действительности при переходе через точку ω=ω0 величины ε,n,κ должны меняться непрерывно, нигде не обращаясь в бесконечность.
В частности, поднимающаяся ветвь кривой ε=ε(ω) левее точки ω=ω0 должна переходить в опускающуюся, чтобы сомкнуться с другой поднимающейся ветвью, расположенной правее той же точки.
Это замечание позволяет без особого труда представить ход кривых n и κ в окрестности полосы поглощения. Типичный вид кривых n=n(ω) и κ=κ(ω) приведен на Рис.5.6. Там, где поглощение невелико, показатель преломления n(ω) возрастает с частотой. В этом случае говорят, что дисперсия нормальная. В области сильного поглощения n(ω) уменьшается с частотой. Такую дисперсию называют аномальной. Ее трудно наблюдать из-за сильного поглощения.
Теоретические соображения, изложенные выше, справедливы не только для электронов, но и для ионов, и притом в последнем случае классические представления более обоснованы ввиду относительно больших масс ионов. Во всех телах наблюдается не одна, а несколько полос поглощения. Чтобы это \честь, в классической модельной теории принимается, что вещество построено из частиц различного типа — электронов и ионов, которые ведут себя как затухающие гармонические осцилляторы с различными собственными частотами. В газах можно пренебречь их взаимодействием. Тогда формула (5.11) принимает вид
, (5.16)
где Nk, mk, ek, ωk, γk— концентрация, масса, заряд, собственная частота и коэффициент затухания осциллятора k-го типа, а суммирование ведется по всем k. Каждой собственной частоте соответствует своя линия поглощения, вблизи которой показатель преломления меняется аномально. Общий ход показателя преломления в зависимости от частоты представлен схематически на Рис. 5.7.
Сравнивая формулу (5.16) с опытом, можно найти коэффициенты . По этим данным можно оценить удельные заряды ek/mk и вывести заключения относительно природы осцилляторов. Действительно, заряды ek по порядку величины не могут существенно отличаться от элементарного заряда e=4,8·10-9 СГСЭ, а Nk — от числа атомов в единице объема, т.е. от NАв ρ/A, где NАв — число Авогадро, ρ — плотность вещества, А — атомная масса (по старой терминологии — атомный вес).
Таким образом,
, (5.17)
Где F≡NАвe=2,9·10-14 СГС·г·экв-1 — число Фарадея. С помощью этой формулы и можно оценить величины ek/mk. Таким путем, в согласии с теоретическими представлениями, было найдено, что все осцилляторы отчетливо подразделяются на две группы: у одной удельные заряды по порядку величины такие же, как у электронов, у другой — как у ионов. Первым соответствуют полосы поглощения, лежащие в ультрафиолетовой (реже — в видимой), вторым — в инфракрасной области спектра.
Формула (5.16) и соответствующие ей формулы для пик применимы и в случае металлов. В инфракрасной области спектра основную роль играют свободные электроны, для которых следует положить ωk =0. Влияют также ионы вблизи их собственных частот. В видимой и примыкающей к ней ультрафиолетовой областях спектра формула (5.16) удовлетворительно согласуется с опытом, если наряду со свободными учесть также электроны, связанные в ионах металла (колебания самих ионов в этих областях спектра не играют роли).
Учтем теперь, хотя далеко не безупречным способом, взаимодействие молекул, поляризованных электрическим полем световой волны. Для этого воспользуемся методом действующего поля. В кристаллах кубической системы, построенных из точечных и изотропных атомов, поле , действующее на молекулу, связано со средним максвелловским полем Е соотношением
. (5.18)
То же соотношение приближенно справедливо для изотропных газов и жидкостей, построенных из изотропных молекул, если под понимать действующее поле, усредненное по положениям центров молекул в физически бесконечно малом объеме среды. Формула (5.18) выведена в электростатике, но ею можно приближенно пользоваться и в случае переменных полей, когда длина волны велика по сравнению с межмолекулярными расстояниями.
Будем предполагать, что все молекулы одинаковы и каждая из них содержит только один оптический электрон. Кроме того, пренебрежем затуханием, предполагая, что частота ω далека от полосы поглощения. В этих предположениях все, что нужно сделать, — это заменить в уравнении (5.7) выражением (5.18). Последующие вычисления крайне элементарны, но мы опустим их, так как они уже были выполнены в электростатике. Там по методу, в точности совпадающему с излагаемым здесь, была получена формула Мосотти — Клаузиуса:
. (5.19)
Дисперсия спектральных приборов. Спектральные приборы, как известно, служат для обнаружения излучения и анализа распределения его по длинам волн. Отдельным длинам волн соответствует определенный максимум. Контур максимума зависит от характеристик данного спектрального прибора. В зависимости от контура соседние близлежащие максимумы, перекрываясь друг с другом, могут образовать один результирующий максимум. Очевидно, что для данной формы криво интенсивности расстояние между максимумами соседних длин, волн следует принять за параметр, характеризующий спектральный прибор. В зависимости от величины этого параметра, который называют дисперсией прибора, соседние линии можно наблюдать либо как самостоятельные, либо как одну линию.
Поскольку положение спектральных линий в приборе определяется направлением лучей, а на экране (или на фотопластинке) — расстоянием между соответствующими спектральными линиями, вводятся соответственно такие характеристики прибора, как угловая (D) и линейная (D*) дисперсии.
Угловая дисперсия и определяется отношением углового расстояния линии, отличающихся по длине на δλ, к величине этого интервала:
D= δφ/ δλ. (5.20)
Если расстояние между линиями, отличающимися по длине на δλ обозначить через δS, то согласно определению линейной дисперсии имеем:
D*= δS/δλ. (5.21)
При известном фокусном расстоянии (f) линзы, проектирующей спектр на экран, исходя из соотношения δS=fδφ, можно найти связь между D и D*:
D*=fD. (5.22)
В качестве примера найдем дисперсию дифракционной решетки, призмы и интерферометра Фабри-Перо.
Дисперсия призмы. В спектрографах призма располагается так, чтобы угол отклонения луча был минимальным. Поэтому, волны различной длины отклоняются под разными углами φмин (из-за зависимости n от λ). Принимая во внимание зависимость φ от n, а также зависимость n от λ и подставляя φ=φмин имеем
. (5.23)
Так как
, (5.24)
то
. (5.25)
Так как , то для дисперсии призмы имеем
(5.26)
Отношение δn/δλ называется дисперсией призмы и зависит от материала призмы.