Разделы презентаций


Оптика и атомная физика

Содержание

В основу настоящего конспекта лекций положен курс лекций по оптике, разработанный профессором кафедры оптики Н.К. Сидоровым и заведующим кафедры оптики и биомедицинской физики профессором В.В. Тучиным

Слайды и текст этой презентации

Слайд 1Оптика и атомная физика
Лектор: профессор кафедры оптики и биомедицинской физики

СГУ, д.ф.м.н., Dr. Habilit
Проф. С.С.Ульянов
pptcloud.ru

Оптика и атомная физикаЛектор: профессор кафедры оптики и биомедицинской физики СГУ, д.ф.м.н., Dr. HabilitПроф. С.С.Ульянов pptcloud.ru

Слайд 2В основу настоящего конспекта лекций положен курс лекций по оптике,

разработанный профессором кафедры оптики Н.К. Сидоровым и заведующим кафедры оптики и

биомедицинской физики профессором В.В. Тучиным
В основу настоящего конспекта лекций положен курс лекций по оптике, разработанный профессором кафедры оптики  Н.К. Сидоровым

Слайд 3Лекция 1
Введение

Лекция 1 Введение

Слайд 4Оптикой называют учение о свете. В процессе исторического развития оптика

неоднократно занимала лидирующие позиции в познании окружающего нас мира, создании

методов и устройств для улучшения жизни человека. В настоящее время в связи с появлением лазеров и волоконной оптики оптика переживает очередной период бурного развития.
Оптикой называют учение о свете. В процессе исторического развития оптика неоднократно занимала лидирующие позиции в познании окружающего

Слайд 5В свое время оптика сыграла решающую роль в познании строения

атома, строения вещества. До сих пор оптическая спектроскопия является одним

из наиболее эффективных средств изучения строения сложных биологических объектов, вновь синтезированных материалов, контроля загрязнения окружающей среды и пр.
В свое время оптика сыграла решающую роль в познании строения атома, строения вещества. До сих пор оптическая

Слайд 6В технике и технологии, особенно в микроэлектронике, существенную роль играют

оптические методы контроля и измерения (неразрушающие методы), а также технологические

процессы с использованием света (например, фотолитография).
В технике и технологии, особенно в микроэлектронике, существенную роль играют оптические методы контроля и измерения (неразрушающие методы),

Слайд 7Немного истории. Еще у древних людей в разных формах существовали

два подхода к проблеме передачи энергии от Солнца к Земле

светом: либо свет должен быть потоком частиц (типа летящей пули, среда не нужна), либо свет является системой волн (аналогично морской волне, акустическим волнам) и должен переносить энергию посредством среды.
Немного истории. Еще у древних людей в разных формах существовали два подхода к проблеме передачи энергии от

Слайд 8Первая научная теория света была предложена Ньютоном во второй половине

17 века. Ньютон отстаивал корпускулярную теорию - теорию истечения световых

частиц, летящих прямолинейно, согласно законам механики. Главные аргументы для Ньютона - это прямолинейность распространения света, отражение света, как механических частиц (угол падения равен углу отражения).
Первая научная теория света была предложена Ньютоном во второй половине 17 века. Ньютон отстаивал корпускулярную теорию -

Слайд 9Против волновой теории - это необходимость наличия среды - эфира,

что затрудняло бы движение планет. Преломление света Ньютон объяснял притяжением

световых частиц преломляющей средой (силы притяжения действуют по нормали), теория дает, что скорость света в среде больше, чем в воздухе. У самого Ньютона, однако, были экспериментальные факты, не укладывающиеся в корпускулярную теорию - кольца Ньютона.
Против волновой теории - это необходимость наличия среды - эфира, что затрудняло бы движение планет. Преломление света

Слайд 10Основы волновой теории были заложены Гюйгенсом (хотя он не может

считаться творцом волновой теории света). Всякий волновой процесс характеризуется пространственно-временной

периодичностью, но Гюйгенс не считал световой импульс периодическим. Под волной он понимал сферическую поверхность, подобную волнам на воде.
Основы волновой теории были заложены Гюйгенсом (хотя он не может считаться творцом волновой теории света). Всякий волновой

Слайд 11Из идей Гюйгенса наибольшую ценность представляет общий принцип, носящий его

имя и выдвинутый им для отыскания направления распространения света. При

помощи принципа Гюйгенса легко объяснялись законы преломления и отражения.
Из идей Гюйгенса наибольшую ценность представляет общий принцип, носящий его имя и выдвинутый им для отыскания направления

Слайд 12Он гласит: каждая точка, до которой доходит световое возмущение, является,

в свою очередь, центром вторичных волн; поверхность, огибающая эти вторичные

волны, указывает положение фронта действительно распространяющейся волны.
Он гласит: каждая точка, до которой доходит световое возмущение, является, в свою очередь, центром вторичных волн; поверхность,

Слайд 13В отличие от теории корпускул волновая теория дает, что скорость

света в оптически более плотной среде 2 меньше, чем в

оптически менее плотной 1. Для разрешения противоречия нужны были прямые измерения 1 и 2.
В отличие от теории корпускул волновая теория дает, что скорость света в оптически более плотной среде 2

Слайд 14
Интерференционные опыты Юнга и Френеля противоречили механистической теории корпускул (

и ).
Было также обнаружено, что свет (подобно звуку) может отклоняться от прямолинейного распространения, огибать препятствия. Это явление дифракции, которое в полной мере не объясняется корпускулярной теорией.

Интерференционные опыты Юнга и Френеля противоречили механистической теории корпускул  (

Слайд 15Дальнейшее развитие волновая теория света получила в работах Эйлера и

Ломоносова. Эйлер критиковал теорию истечения - Солнце испускает непрерывно и

должно иссякнуть. Ломоносов - свет есть колебательное движение в эфире, и цвет определяется длиной волны, при поглощении света вес вещества не увеличивается. Развитие волновой теории - Юнг и Френель.
Дальнейшее развитие волновая теория света получила в работах Эйлера и Ломоносова. Эйлер критиковал теорию истечения - Солнце

Слайд 16Волновая теория прекрасно объясняет явления дифракции, интерференции (и поляризации), законы

отражения и преломления, и даже прямолинейное распространение света.

Волновая теория прекрасно объясняет явления дифракции, интерференции (и поляризации), законы отражения и преломления, и даже прямолинейное распространение

Слайд 17Шла постоянная борьба между сторонниками корпускулярной и волновой теорий. Решающий

опыт - это прямое измерение скорости света в среде. В

1862 году Фуко произвел такой опыт, и оказалось, что в воде скорость света меньше, чем в воздухе. Волновая теория победила теорию истечения. Но насколько прочна была эта победа?
Шла постоянная борьба между сторонниками корпускулярной и волновой теорий. Решающий опыт - это прямое измерение скорости света

Слайд 18Все дифракционные опыты в том виде, как они производились со

времен Юнга и Френеля, описывались волновым дифференциальным уравнением при данных

граничных и начальных условиях
Все дифракционные опыты в том виде, как они производились со времен Юнга и Френеля, описывались волновым дифференциальным

Слайд 19Все дифракционные опыты в том виде, как они производились со

времен Юнга и Френеля, описывались волновым дифференциальным уравнением при данных

граничных и начальных условиях
Все дифракционные опыты в том виде, как они производились со времен Юнга и Френеля, описывались волновым дифференциальным

Слайд 20Само уравнение легко выводится в теории упругости сплошной среды. Если

бы удалось независимо доказать существование среды - эфира, то волновая

механистическая теория света была бы доказана. Два главных возражения - движение небесных тел, и необходимость (из-за большой частоты световых колебаний ~1015 с-1) высокой упругости, следовательно, и плотности среды (на уровне стали). Что доказывает немеханистическую природу света.
Само уравнение легко выводится в теории упругости сплошной среды. Если бы удалось независимо доказать существование среды -

Слайд 21Волновая теория света получила неожиданную поддержку в области электрических и

магнитных явлений, в области электродинамики, немеханистической теории Максвелла. Путем, совершенно независимым

от классической механики, математическим обобщением опытных законов электромагнетизма Максвелл получил основные уравнения электродинамики, из которых однозначно вытекало волновое уравнение света.
Волновая теория света получила неожиданную поддержку в области электрических и магнитных явлений, в области электродинамики, немеханистической теории

Слайд 22На опыте было показано, что электрические и магнитные возмущения распространяются

со скоростью света, при этом связь электрических и магнитных состояний

такова, что в пространстве должны распространяться электромагнитные волны. Эти волны, предсказанные теоретически Максвеллом, были на опыте обнаружены Герцем.
На опыте было показано, что электрические и магнитные возмущения распространяются со скоростью света, при этом связь электрических

Слайд 23В изолирующей среде распространяются электромагнитные волны; изменение скорости движущегося электрона

(а движение заряда под действием сил всегда ускоренное) можно рассматривать

как ослабление или усиление электрического тока; оно сопровождается ослаблением (или усилением) связанного с движущимся электроном магнитного поля.
В изолирующей среде распространяются электромагнитные волны; изменение скорости движущегося электрона (а движение заряда под действием сил всегда

Слайд 24Изменение магнитного поля индуцирует в окружающем пространстве переменное электрическое поле,

которое образует вокруг себя свое магнитное поле и т.д.

Изменение магнитного поля индуцирует в окружающем пространстве переменное электрическое поле, которое образует вокруг себя свое магнитное поле

Слайд 25Свет - электромагнитная волна. Это объясняло и взаимодействие света с

веществом: движение заряженных частиц - излучение света; поглощение и рассеяние

света - это взаимодействие электромагнитной волны с заряженными частицами внутри атома.
Свет - электромагнитная волна. Это объясняло и взаимодействие света с веществом: движение заряженных частиц - излучение света;

Слайд 26Волновая теория света на электромагнитной основе к концу 19 века

была доказана, отпало главное возражение Ньютона о необходимости эфира для

механической волновой теории. Казалось бы, это окончательная победа волновой теории.
Волновая теория света на электромагнитной основе к концу 19 века была доказана, отпало главное возражение Ньютона о

Слайд 27Однако новые факты и осмысления хорошо известных фактов по взаимодействию

света с веществом, а именно давление света, химическое действие света

(например, выцветание ткани, которое идет постепенно), фотоэффект, поглощение света, рассеяние, флуоресценция, нагрев и пр. привели к тому, что гипотеза о корпускулах - квантах света - получила новое развитие.
Однако новые факты и осмысления хорошо известных фактов по взаимодействию света с веществом, а именно давление света,

Слайд 28В самом начале 20 века Макс Планк, рассматривая излучение нагретого

тела, сделал замечательное открытие. Оказалось, что свет может поглощаться и

излучаться лишь вполне определенными порциями энергии, названными квантами:
В самом начале 20 века Макс Планк, рассматривая излучение нагретого тела, сделал замечательное открытие. Оказалось, что свет

Слайд 29В 1887 году Герц открыл фотоэффект, который детально был изучен

Столетовым. Энергия выбитых электронов не зависит от интенсивности, а определяется

лишь частотой (длиной волны) света
В 1887 году Герц открыл фотоэффект, который детально был изучен Столетовым. Энергия выбитых электронов не зависит от

Слайд 30Красная граница фотоэффекта. Нет объяснений со стороны волновой теории. Эйнштейн

в 1905 году построил теорию фотоэффекта, согласно которой свет -

это поток частиц квантов или фотонов с энергией h каждого, следовательно, энергия выбитых электронов пропорциональна частоте света, что и имеет место на опыте:
Красная граница фотоэффекта. Нет объяснений со стороны волновой теории. Эйнштейн в 1905 году построил теорию фотоэффекта, согласно

Слайд 32Квантовый характер света можно наблюдать визуально - опыты Вавилова (малые

интенсивности в затемненной комнате, т.к. в темноте глаз имеет чрезвычайно

высокую чувствительность, наблюдается прерывистость потока, флуктуации, шумы).
Квантовый характер света можно наблюдать визуально - опыты Вавилова (малые интенсивности в затемненной комнате, т.к. в темноте

Слайд 33Итак, снова возродилась идея квантовой природы света. Но это не

было возвратом к ньютоновским представлениям. Это было формирование новых, более

глубоких и сложных понятий. Налицо противоречие, которое не укладывается в нашу систему привычных понятий.
Итак, снова возродилась идея квантовой природы света. Но это не было возвратом к ньютоновским представлениям. Это было

Слайд 34Кажущиеся непреодолимыми внутренние противоречия были обнаружены на пороге 19 -

20 веков не только в световых явлениях, но и в

свойствах вещества: масса тел оказалась зависящей от их скорости, потребовался пересмотр понятий пространства и времени.
Кажущиеся непреодолимыми внутренние противоречия были обнаружены на пороге 19 - 20 веков не только в световых явлениях,

Слайд 35С этой точки зрения вскрытое в итоге развития оптики "непреодолимое"

противоречие волновых и корпускулярных свойств света - есть новое выражение

диалектики природы, реального единства противоположностей.
С этой точки зрения вскрытое в итоге развития оптики

Слайд 36Упрощенные механистические представления классической физики о непрерывных волнах и частицах,

якобы исключающих друг друга, в действительных явлениях природы уживаются одновременно.


Упрощенные механистические представления классической физики о непрерывных волнах и частицах, якобы исключающих друг друга, в действительных явлениях

Слайд 37Это непривычное для нас противоречивое единство свидетельствует только о недостаточности

и примитивности нашей механистической картины. Материя действительного мира бесконечно сложнее

упрощенных метафизических образов, возникающих у нас в силу привычки и длительного, обыденного опыта.
Это непривычное для нас противоречивое единство свидетельствует только о недостаточности и примитивности нашей механистической картины. Материя действительного

Слайд 38Существующий материальный мир - движущаяся материя - представляется нам в

двух основных формах - как вещество и свет (электромагнитное поле).

Вещество во всем своем многообразии состоит из электронов, протонов и нейтронов. Вещество казалось более понятным, чем свет, который одновременно обнаруживал свойства волн и частиц. Свет всегда отождествлялся с движением. Однако физика вполне примирялась с "покоящимся" веществом.
Существующий материальный мир - движущаяся материя - представляется нам в двух основных формах - как вещество и

Слайд 39Однако с точки зрения диалектического мировоззрения такая форма материи, лишенная

движения, чистая абстракция. Она действительно оказалась таковой, как это показали

совсем неожиданные и удивительные опыты, проведенные в 1927 году. Было обнаружено, что поток электронов, протонов и молекул, встречая малые препятствия и отверстия, дает такие же отчетливые дифракционные явления, как и свет, т.е. обладает теми же основными свойствами волн.
Однако с точки зрения диалектического мировоззрения такая форма материи, лишенная движения, чистая абстракция. Она действительно оказалась таковой,

Слайд 40Таким образом, с механикой случилось то же самое, что с

оптикой - лучевая (геометрическая) оптика  волновая оптика (малые размеры);

механика Ньютона была "лучевой механикой", но открытия нашего времени (в микромасштабе) показали, что за ней скрывается более общая "волновая механика".
Таким образом, с механикой случилось то же самое, что с оптикой - лучевая (геометрическая) оптика  волновая

Слайд 41Не следует, однако, отождествлять "волны вещества" с волнами света. Природа

их различна - свет - это электромагнитные волны. Материя, т.е. вещество

и свет, одновременно обладают свойствами волн и частиц, но в целом это не волны и не частицы и не смесь того и другого. Наши механические понятия не в состоянии полностью охватить реальность, для этого не хватает наглядных образов.
Не следует, однако, отождествлять

Слайд 42Формальная математическая теория света, хотя и не вполне совершенная, в

настоящее время существует, она создана Дираком и охватывает почти весь

круг известных явлений. В частности, на основании этой формальной математической теории света Дираком было предсказано, что в сильном электрическом поле, которое реализуется вблизи атомного ядра, световые кванты с длинами волн не более 0,001 нм могут распадаться на две противоположно заряженные частицы - электрон и позитрон.
Формальная математическая теория света, хотя и не вполне совершенная, в настоящее время существует, она создана Дираком и

Слайд 43Т.е. свет превращается в вещество, возможно и обратное превращение. Это

предсказание блестяще подтвердил эксперимент при облучении свинца -квантами.

Т.е. свет превращается в вещество, возможно и обратное превращение. Это предсказание блестяще подтвердил эксперимент при облучении свинца

Слайд 44История исследования света, его природы и сущности далеко не закончена;

несомненно, что впереди науку ждут новые открытия в этой области,

что мы ближе подойдем к истине, а техника обогатится новыми средствами. К наиболее революционным достижениям 20-го века в области оптики - это, конечно, создание лазеров и разработка волоконно-оптических технологий.
История исследования света, его природы и сущности далеко не закончена; несомненно, что впереди науку ждут новые открытия

Слайд 45Уравнения Максвелла для изотропного однородного незаряженного диэлектрика
e, m - cкаляры

, e=const,
m=1, r=0, j=0

Уравнения Максвелла для изотропного однородного незаряженного диэлектрикаe, m - cкаляры , e=const, m=1, r=0, j=0

Слайд 47CGSE (СГСЭ)
Для анизотропного диэлектрика

CGSE (СГСЭ) Для анизотропного диэлектрика

Слайд 48e=const, m=1, r=0, j=0

e=const, m=1, r=0, j=0

Слайд 50Волновое уравнение

Волновое уравнение

Слайд 51Или: волновое уравнение

Или: волновое уравнение

Слайд 52Или: волновое уравнение
Здесь:
(СИ)

Или: волновое уравнение Здесь:      (СИ)

Слайд 53Скалярные волны
Плоские волны
Сферические волны
Цилиндрические волны

Скалярные волныПлоские волныСферические волныЦилиндрические волны

Слайд 54Плоские волны. Рассмотрим волновое уравнение:

Плоские волны. Рассмотрим волновое уравнение:

Слайд 55уравнение плоской волны, распространяющейся вдоль единичного вектора n, т.к. в

каждый момент времени величина Е постоянна в плоскостях nr=const (уравнение

плоскости). Поверхностью одинаковой фазы является плоскость.
уравнение плоской волны, распространяющейся вдоль единичного вектора n, т.к. в каждый момент времени величина Е постоянна в

Слайд 57Если вместо трехмерного волнового уравнения взять одномерное:
то ему удовлетворяет

плоская волна, распространяющаяся вдоль оси z:

Если вместо трехмерного волнового уравнения взять одномерное: то ему удовлетворяет плоская волна, распространяющаяся вдоль оси z:

Слайд 58Если n направлен вдоль r , то nr = r

и решением волнового уравнения является выражение:
представляющее собой уравнение сферической волны,

т.к. в каждый момент времени Е постоянна на поверхности сферы r=const.
Если n направлен вдоль r , то nr = r и решением волнового уравнения является выражение:представляющее собой

Слайд 59Решение в виде
представляет собой волну, т.е. процесс распространения колебаний.

Решение в виде представляет собой волну, т.е. процесс распространения колебаний.

Слайд 60Для описания сферических волн пользуются сферической системой координат:

Для описания сферических волн пользуются сферической системой координат:

Слайд 61Тогда волновое уравнение

Тогда волновое уравнение

Слайд 62приобретает вид

приобретает вид

Слайд 63В частном случае, когда Е не зависит от угловых координат,

 и  , волновое уравнение можно записать в

виде:
В частном случае, когда Е не зависит от угловых координат,   и  , волновое уравнение

Слайд 65Замена переменных u=rE, дает:

Замена переменных u=rE, дает:

Слайд 66После подстановки в
Получаем:

После подстановки в Получаем:

Слайд 67Решением этого уравнения
является

Решением этого уравненияявляется

Слайд 68Тогда, окончательно, выражение для Е примет вид:

Тогда, окончательно, выражение для Е примет вид:

Слайд 69цилиндрическая система координат:

цилиндрическая система координат:

Слайд 70В частном случае, когда Е не зависит от азимутального угла

 и от координаты z, решением волнового уравнения, имеющего вид:


В частном случае, когда Е не зависит от азимутального угла  и от координаты z, решением волнового

Слайд 71решением волнового уравнения
является:

решением волнового уравненияявляется:

Обратная связь

Если не удалось найти и скачать доклад-презентацию, Вы можете заказать его на нашем сайте. Мы постараемся найти нужный Вам материал и отправим по электронной почте. Не стесняйтесь обращаться к нам, если у вас возникли вопросы или пожелания:

Email: Нажмите что бы посмотреть 

Что такое TheSlide.ru?

Это сайт презентации, докладов, проектов в PowerPoint. Здесь удобно  хранить и делиться своими презентациями с другими пользователями.


Для правообладателей

Яндекс.Метрика