- •Часть II
- •Эдс индукции
- •Взаимная индукция
- •Трансформатор
- •Явление самоиндукции
- •Лекция 2. (2 часа) Уравнения Максвелла
- •Теорема Гаусса для электрического поля
- •Теорема Гаусса для магнитного поля
- •Циркуляция вектора электрического поля
- •Циркуляция вектора магнитного поля
- •Ток смещения
- •Пружинный маятник (рис. 3)
- •Физический маятник (рис. 4)
- •Математический маятник (рис. 5)
- •Гармонический осциллятор при наличии сил сопротивления
- •Лекция 4.( 2часа) Вынужденные механические колебания. Упругие волны
- •Упругие волны
- •Уравнение бегущей волны
- •Принцип суперпозиции. Интерференция волн
- •1) Если колебания происходят в одинаковой фазе, т.Е. ( , (5)
- •Стоячие волны
- •Эффект Доплера
- •Затухающие электрические колебания
- •Лекция 6. (2 часа) Вынужденные электромагнитные колебания. Электромагнитные волны
- •Вынужденные электрические колебания
- •Резонансные явления в колебательном контуре. Резонанс напряжений и резонанс токов.
- •Электромагнитные волны.
- •Характеристики электромагнитной волны
- •Энергия, поток энергии электромагнитной волны
- •Лекция 7. (2 часа) Интерференция света
- •Когерентность и монохроматичность световых волн
- •Некоторые методы наблюдения интерференции света
- •Применение интерференции света
- •Лекция 8. ( 2 часа) Дифракция света
- •Принцип Гюйгенса — Френеля
- •Метод зон Френеля
- •Дифракция Френеля на круглом отверстии
- •Дифракция Френеля на диске
- •Дифракция Фраунгофера на одной щели
- •Дифракция Фраунгофера на дифракционной решетке
- •Дифракция на пространственной решетке
- •Лекция 9. (2 часа)
- •Дисперсия и поглощение света в веществе.
- •Поглощение света
- •Естественный и поляризованный свет
- •Поляризация света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков
- •Двойное лучепреломление. Призма Николя
- •Искусственная оптическая анизотропия
- •Вращение плоскости поляризации
- •Лекция 10. (2 часа) Тепловое излучение
- •Понятие о равновесном тепловом излучении
- •Характеристики теплового излучения
- •Закон Кирхгофа
- •Законы излучения абсолютно черного тела
- •Квантовый характер излучения
- •Лекция 11. (2 часа) Фотоэлектрический эффект
- •Внешний фотоэффект
- •Внутренний фотоэффект
- •Вентильный фотоэффект
- •Корпускулярно-волновой дуализм
- •Лекция 12. (2 часа) Теория атома водорода по Бору
- •Закономерности линейчатых спектров водорода
- •Модель атома Томсона
- •Опыты Резерфорда
- •Планетарная модель атома Резерфорда
- •Постулаты Бора
- •Опыты Франка и Герца
- •Лекция 13. (2 часа) Элементы квантовой механики
- •Гипотеза Луи-де-Бройля
- •Корпускулярно-волновые свойства частиц
- •Соотношение неопределенностей
- •Электрон в электронно-лучевой трубке и в атоме
- •Длина волны де-Бройля покоящихся тел
- •Физический смысл волновой функции
- •Волновая функция заряженной частицы
- •Операторы импульса и энергии
- •Уравнение Шредингера
- •Лекция 14. (2 часа) Оптические квантовые генераторы
- •Спонтанные и вынужденные переходы, их вероятность
- •Инверсная населенность уровней
- •Лекция 15. (2 часа) Элементы зонной теории твердых тел
- •Лекция 16. (2 часа) Радиоактивность
- •Радиоактивность
- •Методы регистрации радиоактивного излучения
- •Правила радиоактивного смещения
- •Изотопы, изобары, изотоны, изомеры
- •Закон радиоактивного распада, активность
- •Атомное ядро
- •Ядерные силы
- •Современные представления о природе электромагнитных и ядерных сил
- •Туннельный эффект
- •Понятие об устойчивости ядра
- •Ядерные реакции и элементарные частицы
- •Ядерные реакции
- •Реакции с медленными частицами
- •Реакции с быстрыми нейтронами
- •Деление тяжелых ядер
- •Ядерное оружие и ядерная энергетика
- •Термоядерные реакции
- •Водородная бомба
- •Управляемые термоядерные реакции
- •Элементарные частицы Виды взаимодействий элементарных частиц
- •Систематика элементарных частиц
- •Частицы и античастицы
- •Законы сохранения
Лекция 9. (2 часа)
Дисперсия и поляризация света.
(Дисперсия света. Опыт Ньютона. Нормальная и аномальная дисперсии. Поляризация света. Естественный и поляризованный свет. Поляризация света при отражении и преломлении. Законы Брюстера и Малюса.)
Дисперсия и поглощение света в веществе.
Опыт показывает, что скорость света в среде зависит от длины волны света ( - расстояние, которое световая волна проходит за один период. Период - время одного полного колебания). В видимом диапазоне длин волн, скорость минимальна для фиолетовых лучей ( ф ≈ 400 нм) и максимальна для красных лучей ( кр ≈ 760 нм).
Дисперсия света – это явление, обусловленное зависимостью показателя преломления n от частоты (длины волны ) света или зависимостью фазовой скорости световых волн от их частоты (смотри приложение). Все среды, за исключением абсолютного вакуума, обладают дисперсией.
Абсолютным показателем преломления среды n называется физическая величина, определяемая отношением скорости света в вакууме с (с ≈ 3∙108 м/с) к фазовой скорости света в среде
Таким образом, скорость света в среде связана с показателем преломления вещества соотношением:
=c/n.
Согласно электромагнитной теории Максвелла абсолютный показатель преломления среды
,
где -диэлектрическая проницаемость среды, -магнитная проницаемость. В оптической области спектра для всех прозрачных диэлектриков , поэтому имеем
или
Дисперсия света может быть охарактеризована функцией = ( ) или = ( ), поскольку длина волны и частота связаны соотношением .
Дисперсией вещества называется величина , определяющая степень растянутости спектра вблизи данной длины волны . Дисперсия называется нормальной, если с ростом длины волны показатель преломления уменьшается, т.е. и аномальной, если (рис.1 и рис.3). Для прозрачных веществ характерно монотонное возрастание показателя преломления с уменьшением длины волны (рис. 1).
Рис. 1. Зависимость показателя преломления среды от длины световой волны и ее частоты в случае нормальной дисперсии.
В своем, ставшим классическим, опыте по разложению белого света Ньютон столкнулся с дисперсией света, еще не подозревая об электромагнитной природе световых волн. Опыт Ньютона состоял в том, что узкий пучок солнечного света он направил на боковую грань трехгранной призмы, а при выходе пучка из противоположной боковой грани наблюдались разноцветные лучи в следующей последовательности – красный(К), оранжевый(О), желтый(Ж), зеленый(З), голубой(Г), синий(С), фиолетовый (Ф) (рис.2). Полученную им цветную полоску Ньютон назвал спектром.
Рис.2. Разложение белого света в спектр 3-хгранной призмой.
а
а
(участки
" а " )
Рис. 3. Зависимость показателя преломления среды от длины световой волны в случае нормальной и аномальной дисперсии.
Основы теории дисперсии света могут быть получены, если рассматривать взаимодействие световых волн с электронами атомов. Теоретическому рассмотрению проще всего поддается дисперсия в газах, т.к. в этом случае в первом приближении можно не учитывать сложное взаимодействие атомов и молекул среды. Согласно современным научным представлениям, движение электронов в атоме подчиняется законам квантовой механики, а не классической физики, тем не менее, как показал Лоренц, для качественного понимания многих оптических явлений достаточно ограничится гипотезой о существовании внутри атомов квазиупруго связанных электронов. Электроны, входящие в состав атомов, можно разделить на периферийные, так называемые, оптические, и электроны внутренних оболочек. На излучение и поглощение света в оптическом диапазоне влияние оказывают лишь оптические электроны. Для простоты предположим сначала, что в атоме есть всего один оптический электрон. В классической теории оптический электрон можно рассматривать как затухающий гармонический осциллятор, вынужденные колебания которого происходят под действием переменного поля электромагнитной световой волны и описываются дифференциальным уравнением, представляющим собой уравнение движения электрона:
где m – масса электрона, e – его заряд, k – константа, аналогичная коэффициенту упругости, x – смещение электрона, kx - квазиупругая возвращающая сила, стремящаяся вернуть электрон в положение равновесия, - константа, аналогичная коэффициенту сопротивления при рассмотрении затухающих колебаний, - сила, аналогичная силе трения и формально введенная для учета поглощения света, – напряженность действующего на электрон электрического поля световой волны, имеющей циклическую частоту и амплитуду E0
Уравнения движения электрона можно также переписать в виде:
где введены следующие обозначения: и - собственная частота осциллятора, - коэффициент затухания.
В предположении, что сила сопротивления незначительна (коэффициент сопротивления =0, что приводит и к = 0), уравнение движения электрона можно упростить и записать его в виде:
Теория дифференциальных уравнений позволяет найти решение этого уравнения в виде: , где амплитуда вынужденных колебаний электрона:
Таким образом, амплитуда вынужденных колебаний оптического электрона зависит от соотношения частот и .
Если рассматривать молекулы или атомы диэлектрика как системы, в состав которых входят электроны, находящиеся в молекулах в состоянии равновесия, то под влиянием электрического поля световой волны эти заряды смещаются из положения равновесия на расстояние x , превращая таким образом молекулу в электрическую систему с электрическим моментом (дипольный момент). Поляризованность, определяется как дипольный момент единицы объема диэлектрика . При концентрации атомов в диэлектрике равной численное значение поляризованности единицы объема можно рассчитать по формуле: .
Для изотропных диэлектриков (исключая сегнетоэлектрики) поляризованность линейно зависит от напряженности электрического поля : . По определению, диэлектрическая восприимчивость среды и диэлектрическая проницаемость связаны соотношением: и тогда можно записать, что
Поскольку , то
Теперь, чтобы получить выражение для определения показателя преломления, необходимо подставить вместо x его значение, ранее полученное из решения соответствующего дифференциального уравнения. Окончательно получим выражение для зависимости показателя преломления от частоты световой волны в виде
или
Рис.4 дает графическое представление этой зависимости.
Рис. 4. Зависимость показателя преломления n от частоты вблизи одной из резонансных частот .
Если в веществе имеются электроны, совершающие вынужденные колебания с различными собственными частотами ωоi , то
где no – концентрация атомов, ωоi – собственные частоты колебаний электронов, m – масса электрона, εо – электрическая постоянная.
Рассмотрение всего ансамбля оптических электронов приводит к заключению, что электроны в атомах обладают определенным набором собственных частот колебаний ωоi . Графическая зависимость такого рассмотрения дана на рис. 5.
Рис.5. Зависимость показателя преломления от частоты при наличии нескольких резонансных частот .
Все силы, действующие внутри атомов и молекул, имеют электрическую природу. Однако объяснить этими силами существование и структуру атомов и молекул классическая физика не в состоянии. Это было сделано в рамках квантовой механики и привело 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, подчиняющимися классическим уравнениям Ньютона, т.е., законам классической физики. Однако нужно не забывать, что собственные частоты и коэффициенты затухания не могут быть вычислены на основе классической модели. Их нужно рассматривать как формально введенные постоянные, а их истинный физический смысл может быть раскрыт только в рамках квантовой теории. Классическая теория представляет лишь модель, которая, тем не менее, приводит к правильным окончательным результатам.
Итак, теория предполагает, что электроны, обладающие в атомах и молекулах набором собственных частот колебаний ωоi , под действием падающей световой волны совершают вынужденные колебания с частотой ω, совпадающей с частотой падающей световой волны.
Первичная электромагнитная волна, распространяясь в веществе, вызывает вынужденные колебания электронов, и они становятся источниками вторичных волн. Вторичные волны, складываясь с первичной, образуют результирующую волну с амплитудой и фазой, отличными от амплитуды и фазы первичных волн. В результате волна проходит через вещество с фазовой скоростью, отличной от скорости, с которой она распространялась бы в вакууме.
Все изложенное относится к излучению изолированного атома. В случае среды, состоящей из близко расположенных атомов, надо принять во внимание, что атом не только теряет энергию на излучение, но и получает энергию, излучаемую другими атомами. Если среда оптически однородна, то оба эти процесса в точности компенсировали бы друг друга. В отсутствие других причин затухания колебания атома были бы незатухающими. Таким образом, плоская бегущая световая волна распространялась бы в идеализированной среде без ослабления.