Оптика и квантовая физика

государственный строительный университет
Институт фундаментального образования
Кафедра физики

света, а также законы его распространения и взаимодействия с веществом
Геометрическая

в основе – представление о световых лучах, как направлениях переноса световой энергии

Волновая оптика

изучает явления, в которых проявляются волновые свойства света – интерференция, дифракция, поляризация и др.

Фотометрия

рассматривает энергетические характеристики светового излучения в процессах его испускания, распространения и взаимодействия с веществом

Квантовая оптика

изучает явления, в которых проявляются корпускулярные свойства света, а также взаимодействие света с веществом,
в основе – понятие фотона, как кванта ЭМ излучения

Оптика двужущихся сред

Экспериментальные основы специальной теории относительности

физическая оптика

в вакууме
В любой точке векторы
напряженности ЭП Е,
магнитной индукции В

ЭМ волна поперечная

ε0 = 8,85419·10–12 Ф/м μ0 = 1,25664·10–6 Гн/м

n показывает, во сколько раз скорость света в среде МЕНЬШЕ, чем в вакууме

Скорость ЭМ волн в среде

!

С =299 792 456,2  1,1 м/с
Ивенсон, США (1972)

≈ 760 нм
Видимый диапазон

излучение
12…380
3,2…100
Видимое излучение
380…760
1,6…3,2
Инфракрасное излучение
760…106
1,2∙10-3…1,6
Радиоволны
>106

длинам или частотам
Монохроматическая волна
волна, имеющая постоянную амплитуду и постоянную частоту

за счет тепловой энергии
лампы накаливания, расплавленный металл
Светящиеся разряженные газы
излучение за

ртутная лампа

Светящиеся разряженные газы

излучение за счет разного рода люминесценции – катодолюминесценция, химическая, механическая

люминесцентные лампы

Лазеры

источники когерентного монохроматического излучения

спектральный состав излучения

световая отдача

яркость источника

использующие фотоэлектрические явления
фотоумножитель, фотодиод, фоторезистор
принимаемый спектр
инерционность
интегральная чувствительность
приемники, использующие фотохимические явления
фотобумага,

приемники, использующие люминесценцию

экраны, светящиеся под действием света

приемники, использующие термоэлектрические явления

термопары, термостолбики

человеческий глаз

излучение
Эффект Доплера
Определение скорости света
Элементы квантовой физики

распространения и взаимодействия с веществом

излучения
Световые величины
характеризуют физиологическое действие света, оцениваемое по воздействию на

с учетом спектральной чувствительности

не зависящие от частоты

объективные

субъективные

излучения, распространяющийся внутри единичного телесного угла dΩ
Сила излучения
Понятие силы излучения

Точечный источник

если его размеры малы по сравнению с расстоянием до наблюдателя

Энергетическая сила света

ватт на стерадиан

равная отношению энергетической силы света элемента излучающей поверхности к площади

Лучистость

Энергетическая светимость

поток излучения, исходящий с единицы площади

характеризует приемник

характеризует источник

характеризует источник

равна силе света, излучаемого в заданном направлении источником монохроматического излучения

Кандела от лат. candela — свеча

cd, кд

выбранная частота соответствует зеленому цвету

В современном определении коэффициент 1/683 выбран т.о., чтобы новое определение соответствовало старому

сила света, излучаемого абсолютно чёрным телом нормально () к поверхности площадью 1/60 см²
при температуре плавления платины (2042,5 К)

Свеча (до 1967 г.)

Сила света типовых источников

(по его действию на селективный приемник света с заданной спектральной

люмен

Сила света

величина равная отношению светового потока к телесному углу, в котором распределен этот поток

кандела

1 лм – световой поток, излучаемый точечным источником света силой света 1 кд внутри телесного угла 1 ср

1 лм=1 кд∙ср

этой поверхности
Яркость



величина, равная отношению силы света в данном направлении к

Освещенность

величина, равная отношению светового потока, падающего на поверхность, к площади этой поверхности

люкс

Освещенность равна 1 лк, если поверхностная плотность светового потока в 1 лм равномерно распределена по площади S=1 м2

показывает, насколько сильно освещена поверхность

λ=555 нм вызывает световое ощущение в 1 Лм
Переход от энергетических

и ослаблении – в других
Интерференция света
От лат. inter – взаимно,

Частный случай общего явления интерференции волн

Явление пространственного перераспределения энергии светового излучения при наложении двух или нескольких световых волн

Наблюдается устойчивая картина чередующихся максимумов и минимумов интенсивности света

процессов
При суперпозиции (наложении) таких волн
и наблюдается интерференционная картина
У двух разных

Интерференцию можно наблюдать также при разделении первоначального луча света на два луча

монохроматичность волн

1.

постоянство разности фаз

2.

параллельность световых векторов

3.

их лучи НЕ интерферируют

полей без их искажения
S1
S2
I2
I1
A
экран
S1, S2 – источники света
I1, I2 –

r1, r2 – геометрическая длина пути

 – оптическая разность хода

n1r1

n2r2

 = n2r2 - n1r1

n1, n2 – показатели преломления сред

n1r1 – оптическая длина пути

min на max происходит при изменении Δ на λ/2

хода
Положение min
Положение max
х
r1n1
r2n2

h – толщина пластинки
n – показатель преломления
β – угол

полосы равного наклона (α = const)

Типы интерференции в тонких пленках

полосы равной толщины (h = const)

кольца Ньютона

λ/2 обусловлена потерей полуволны при отражении света от оптически более плотной среды (в т. А)

результате наложения лучей, падающих на плоскопараллельную пластинку под одинаковыми углами
Толщина

результате интерференции от мест одинаковой толщины
Угол падения лучей одинаковый

m-го светлого кольца
для m-го темного кольца
m = 0,1,2,…
max интерференции в

min интерференции в проходящем свете

R – радиус кривизны линзы

в отраженном свете:

Исследовательские задания

и проходящем свете при медленном удалении линзы от пластинки
h
Направление движения

в отраженном и проходящем свете при увеличении радиуса интерференционного кольца
r
δx

с помощью ДВУХ ВЫПУКЛЫХ ЛИНЗ
R1
R2

помощью ВЫПУКЛОЙ и ВОГНУТОЙ ЛИНЗ
R2

помощью ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ЛИНЗЫ и пластины
пластина
цилиндрическая линза

пластинку, обладают высоким коэффициентом отражения
1, 2, 3, …, N –

света
измерения показателей преломления
получения высокоотражающих покрытий
Просветление оптики
контроля качества обработки поверхностей
интерференция в

улучшения качества оптических приборов

Интерференционные рефрактометры

с точностью до 10-8 м

различные оптические пути и при наложении создают интерференционную картину, по которой

По числу
интерферирующих
пучков света

двухлучевые

многолучевые

Интерферометр

измерительный прибор, использующий явление интерференции

тонкая клиновидная прослойка воздуха между поверхностью образца S2 и изображением

сдвиг интерференционных полос

Используется в фурье-спектроскопии
Для измерения спектральных характеристик небесных тел

поверхностей пластины P2, попадают в зрительную трубу T, где интерферируют,

Пучок света S после отражения от передней и задней поверхностей пластины P1 разделяется на два пучка S1 и S2

Если одна из кювет наполнена веществом с показателем преломления n1, а другая с n2, то по смещению интерференционной картины на число полос m по сравнению со случаем, когда обе кюветы наполнены одним и тем же веществом, можно найти неизвестный n

2.

3.

Измерение длин волн
Измерение показателей преломления
Контроль качества обработки поверхностей

между двойными звездами
Свет от звезды, отразившись от зеркал M1, M2,

Угловое расстояние между соседними максимумами q = l/D

При наличии двух близких звезд, находящихся на угловом расстоянии j, в телескопе образуются две интерференционные картины, также смещенные на угол j

определение j

Изменяя D добиваются наилучшей видимости картины, что будет при условии j = 1/2q = l/2D

разрешающей силы
используется для исследования спектров в видимой, ИК и сантиметровой

Разновидность интерферометра Фабри-Перо

оптические резонаторы лазеров, излучающая среда которых располагается между зеркалами интерферометра

выполнялось условие интерференционного минимума
для длин волн средней части спектра (λз~555

потери энергии при отражении уменьшаются

доля энергии проходящего света возрастает

max
Интерференционные светофильтры
многолучевая интерференция

препятствий сравнимы с длиной волны
огибание световыми волнами препятствий
Виды дифракции
дифракция Френеля
в

дифракция Фраунгофера

в параллельных лучах (∞ удаленный источник)

совокупность явлений, возникающих при прохождении света вблизи границ с резкими неоднородностями

лат. diffractus – разломанный, переломанный

дифракция выражена наиболее сильно

Ньютона
но объяснить их на основе корпускулярной теории света оказалось невозможным
Томас Юнг
Первое

Огюсте́н Жан Френе́ль

Количественная теория дифракционных явлений

на основе волновых представлений

Независимо от Т.Юнга 1818 г.

В основе теории Френеля

принцип Гюйгенса, дополненный идеей об интерференции вторичных волн

принцип Гюйгенса-Френеля

Каждая точка волнового фронта является источником вторичных волн

Исаак Ньютон (1642-1727
Англия)

Томас Юнг
(1773-1829
Англия)

Огюсте́н Жан Френе́ль
(1788-1827
Франция)

Христиан Гю́йгенс ван Зёйлихем

1629-1695
Нидерланды

Амплитуда и фаза волны в любой точке пространства – результат интерференции волн, излучаемых вторичными источниками

Все вторичные источники на поверхности фронта волны, когерентны между собой

становится точечным источником света, излучающим сферическую волну
Огибающая (новый волновой фронт)
Вторичные

Первичный волновой фронт

явление дифракции объясняет лишь КАЧЕСТВЕННО

Огибающая всех вторичных волн представляет собой фронт действительно распространяющейся волны

фронта волны площадью dS
Вторичные источники dS – когерентные и результат

Принцип Гюйгенса-Френеля позволяет объяснить дифракцию КОЛИЧЕСТВЕННО и решить любую задачу на дифракцию света

dE ~ dS

dE ~ A0

A0 – амплитуда световой волны в месте, где находится площадка

dE ~ α

α – угол между нормалью к площадке dS и направлением на точку P

r – расстояние от площадки dS до точки P

dE ~ 1/r

картина наблюдается на конечном расстоянии от препятствия
1.
Разобьем открытую часть волновой

Границы зон в плоскости отверстия

 к поверхности зоны и направлением к точке наблюдения
Расстояния от соседних

~1 мм

открыты все зоны Френеля

половине действия центральной зоны

Объяснение прямолинейности распространения света

оценка размера центральной зоны Френеля:

колебания от точек двух соседних зон приходят в т.P в противофазе

A=А1-A2+A3-А4+A5-A6 …

A1>A2>A3>…>Аm

действие всей волновой поверхности

эквивалентно

Если

центре дифракционной картины
одна
нечетное
четное
БОЛЬШЕ, чем при свободном распространении волны
A=0
свободный фронт
А0=½А1
Действие всей

темное пятно

Амплитуда результирующего колебания

«+» m – нечетные
«-» m – четные

I=4I0

I0=¼I1

А=A1=2А0

I=4I0=0

выполняется условие min интерференции

m – нечетное

m – четное

две

I=0

А=A1-А2=0

выполняется условие max интерференции

А=6A0

I=36I0

Например, открыты три зоны:1, 3, 5

Объяснение прямолинейности распространения света

и считать свет распространяющимся прямолинейно
в центре всегда наблюдается интерференционный max

первая открытая зона Френеля удаляется от центра и увеличивается угол т

D велик

А=½А1

D ↑

интенсивность центрального max ↓

за центральным max наблюдается тень, вблизи границ которой имеет место слабая дифракционная картина

D мал

D

отверстия
интенсивность такая же, как при полностью открытом волновом фронте
дифракционной картины

свет распространяется прямолинейно

Немонохроматичность света

Интенсивность в max ↓ с расстоянием от центра

объяснение прямолинейности распространения света

Зонная пластинка

Использование

В рентгеновском диапазоне являются дифракционным аналогом обычных линз и обладают наивысшим из рентгенооптических элементов пространственным разрешением.
Служат основным элементом в сканирующих и изображающих рентгеновских микроскопах с использованием синхротронного излучения.

действует подобно собирающей линзе – линза Френеля

точке Р будет наблюдаться МАКСИМУМ
Если
в щели укладывается ЧЕТНОЕ число зон

в точке Р будет наблюдаться МИНИМУМ

k=1, 2, 3, …

k=1, 2, 3, …

друг от друга на одинаковом расстоянии
d – постоянная (или период)

k=1, 2, 3, …

с ↑ числа щелей в дифракционной решетке:
амплитуды добавочных max ↓
угловая ширина центрального max ↓

порядка
k=-2
спектр второго порядка
k=2
спектр первого порядка
k=1
спектр третьего порядка
k=-3
спектр третьего порядка
k=3

линейное расстояние между двумя спектральными линиями
Угловая дисперсия численно равна углу

Линейная дисперсия численно равна расстоянию на экране между двумя max одного порядка, отличающихся по λ на 1 м

угловое расстояние между спектральными линиями, отличающимися по длине волны на dλ

…

порядок max

период решетки

линейное расстояние между соседними max одного порядка, отличающимися по длине волны на dλ

фокусное расстояние линзы

которой две линии воспринимаются на спектре раздельно
Критерий Рэлея
две спектральные линии

Разрешающая сила спектрального прибора

Разрешающая сила дифракционной решетки

количество щелей

с d – периодом кристаллической решетки
Х-лучи
дифракция рентгеновских лучей в кристалле
λ

вторичные волны

падающие рентгеновские лучи

период кристаллической решетки

формула Вульфа-Брегга

угол скольжения лучей

m = 1, 2, 3,…

атомы крист.решетки – источники вторичных волн

λ
+
Рентгеновская спектроскопия
рентгеновское излучение
кристалл
экран
рентгеновское излучение
метод Лауэ – кристалл
метод Дебая-Шерера –

лежат в плоскости,  вектору скорости
Естественный свет
Свет
суммарное электромагнитное излучение множества атомов
Световой

представляет собой

Естественный свет

направление распространения волны  рисунку

ЭМ волна – волна ПОПЕРЕЧНАЯ

для описания закономерностей поляризации света достаточно знать поведение лишь одного из векторов

при действии света на вещество основное значение имеет ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ составляющая поля волны, действующая на электроны в атомах вещества

Атомы излучают световые волны независимо друг от друга

световая волна, излучаемая источником, характеризуется равновероятными колебаниями светового вектора

свет с равновероятными ориентациями вектора Е

Плоскость колебаний

плоскость, в которой колеблется световой вектор

определенном направлении
Поляризованный свет
свет, в котором направления колебаний светового вектора каким-либо

Плоско (линейно) поляризованный

световой вектор колеблется в одной плоскости

Эллиптически поляризованный

результат наложения двух когерентных плоскополяризованных волн со взаимно  плоскостями поляризации, в случае, когда конец вектора Е описывает эллипс

Поляризованный по кругу

конец вектора Е описывает окружность

Плоскость поляризации

плоскость колебания светового вектора Е

частный случай

соответственно max и min интенсивности частично поляризованного света, пропускаемого анализатором
Imax

Р = 0

Imin = 0

Р = 1

0 < Р < 1

Е только определенного направления
?
поляри-заторы
среды, анизотропные в отношении колебаний Е, напр.,

турмалин

поляризатор

анализатор

I~ E2

закон Малюса

1810 г.

φ=0°

I =I’0

оси поляризатора и анализатора

φ=90°

I= 0

Закон Малюса

I0

I’0

I

границе двух диэлектриков
Фильтр повёрнут так, что полностью пропускает отражённый от

Две фотографии одного места, сделанные фотоаппаратом с поляризующим фильтром, повёрнутым под разными углами

Фильтр повёрнут на 90°: отражённый свет почти полностью отфильтровывается и блики исчезают

и показателя преломления
падающий неполяризованный свет
Степень поляризации преломленного света м.б. значительно

стопа Столетова

отраженный плоскополяризованный содержит только колебания,  плоскости падения

преломленный поляризован максимально, но не полностью

n1

n2

средах луча света на две составляющие
оптическая анизотропия
кроме кристаллов кубической системы
Впервые

е

о

е – extraordinary необыкновенный

о – ordinary обыкновенный

1662 г.

призма Николя

в общем случае не выполняется
1.
В кристаллах существует направление, при распространении

2.

О

О’

Плоскость, проходящая через световой луч и оптическую ось кристалла – главная оптическая ось или плоскость главного сечения

3.

о-луч и е-луч поляризованы во взаимно  плоскостях
плоскость поляризации о-луча  плоскости главного сечения

4.

лучепреломление
П и А скрещены (φ=90°)
I = 0
напряжение
оптическая ось ОО’ по

Мера оптической анизотропии

Фотоупругий эффект

возникновение оптической анизотропии в первоначально изотропных твёрдых телах (в том числе полимерах) под действием механических напряжений

Фотоэластический

Пьезооптический

Д. Брюстер (1815)

Т.И. Зеебек (1813)

I  0

в жидкостях под действием электрического поля
Эффект Керра
Мера оптической анизотропии
время срабатывания

в качестве быстродействующего светового затвора

МП
Эффект Фарадея
Мера оптической анизотропии
возникновение двойного лучепреломления в жидкостях под действием

Эффект Коттона-Мутона

Постоянная Верде

(растяжения)
электрического поля
магнитного поля
название эффекта
фотоупругий, фотопластический
Керра
Фарадея
Коттона-Мутона
k1, k2, k3 – постоянные, характеризующие

наблюдается вращение плоскости поляризации
Оптические активные вещества (ОАВ)
Вещества, при прохождении через

кварц, скипидар, водный раствор сахара и др.

α – коэффициент пропорциональности, постоянная вращения

для растворов

для твердых веществ

С – концентрация вещества

Используется, например, для измерения концентрации вещества в растворе

Сахариметр

изображений, предназначенных правому и левому глазу
в технологии RealD и MasterImage: подобна IMAX, но

переноса световой энергии

на основе представления о световых лучах, как направлениях переноса световой

Луч

геометрическая линия, вдоль которой переносится энергия электромагнитными волнами

Основное понятие геометрической оптики

Световой пучок, исходящий из отверстия бесконечно малого размера
Направления, вдоль которых переносится световая энергия
Нормаль к фронту волны

распространение света в однородных средах и предметах, состоящих из однородных сред

 << х, где х – размеры оптических приборов

Область использования

Границы применимости законов геометрической оптики

прямолинейно
Независимости световых пучков
эффект, производимый отдельным пучком, не зависит от действия

Отражения

падающий, отраженный и преломленный лучи и перпендикуляр к границе раздела сред в точке падения лежат в одной плоскости

Преломления

Исследовательские задания

Закон Снелиуса

явлении преломления света на границе раздела двух сред
1.
Рассмотрите случаи с

Обоснуйте возникновение явления полного внутреннего отражения

Постройте ход лучей в поворотных и оборотных призмах и перископе

Рассмотрите случай падения на границу раздела двух сред широкого пучка параллельных световых лучей

Рассмотрите и объясните принцип действия рефрактометра

a)

b)

c)

e)

f)

α

β

γ

n1

n2

Рассмотрите случай падения на границу раздела двух сред пучка световых лучей от точечного источника света

d)

зависимость бокового смещения падающего луча от угла падения
a)
b)
α
β
γ
Рассмотрите случаи

α

d

n1

n2

n3

Рассмотрите случай падения на пластинку широкого пучка параллельных лучей

с)

Рассмотрите случай освещения пластинки рассеянным светом

d)

Рассмотрите случай падения пучка световых лучей от точечного источника света

e)

При изучении интерференции в тонких пленках

(тонкую призму)
3.
Выведите формулу и найдите зависимость угла смещения светового

a)

b)

Какие эффекты будут наблюдаться при прохождении кварцевой клинообразной пластинки линейно поляризованного света?

Рассмотрите случаи падения на клин широкого пучка параллельных световых лучей и освещение клинообразной пластинки рассеянным светом

с)

A

1

2

1

2



n1

n2

A

n3

При изучении дисперсии

в оптически менее плотную n2 

волоконный световод

Полное внутреннее отражение

Использование световода

изображение т. S

фокус зеркала
OP – главная оптическая ось
R – радиус кривизны зеркала
f

Исследовательские задания

от вершины ВЫПУКЛОГО сферического зеркала в бесконечность?
Исследуйте, как будут меняться

Отражение параллельного пучка лучей от вогнутого (1) и выпуклого (2) сферического зеркала

пучка лучей в собирающей (a) и рассеивающей (b) линзах
O1 и O2 –

параметры изображения, если предмет удалять от СОБИРАЮЩЕЙ линзы в бесконечность?

параметры изображения, если предмет удалять от РАССЕИВАЮЩЕЙ линзы в бесконечность?

оболочка со зрачком (от 2 до 8 мм, т.е. действует

Дефекты зрения и их коррекция

дальнозоркость

близорукость

оси системы
Лучи, проходящие через края линзы, преломляются сильнее лучей, проходящих

Перераспределение освещенности в изображении светящейся точки

Аберрация – от лат. aberratio «уклонение, удаление, отвлечение» – отклонение от нормы, ошибка, погрешность

Применение оптических стёкол с высокими n позволяют ↓ сферическую аберрацию, посредством ↑ радиусов поверхностей линзы при сохранении её оптической силы
Диафрагмирование
Дефокусировка
Применение нескольких линз
Может быть исправлена только для узких зон

Исправление

Снижение резкости изображения

разном расстоянии от линзы
постороннее окрашивание изображения
снижение чёткости изображения
Ахроматические линзы
Исправление
обусловлена дисперсией

отклоняется от своего идеального положения
изображение точки предмета, далекой от оптической

подушкообразная дисторсия

различие линейного увеличения для точек предмета, находящихся на разных расстояниях от главной оптической оси

нарушение геометрического подобия между предметом и его изображением

при больших углах падения лучей на линзу

бочкообразная дисторсия

Дисторсия

источника в виде освещенного пятнышка, напоминающего кометный хвост
Устранение комы –

Астигматизм

обусловлен неодинаковостью кривизны линзы в разных плоскостях сечения падающего на нее светового пучка

Исправляется с помощью цилиндрических линз

Одновременное исправление всех погрешностей – задача крайне сложная, а иногда неразрешимая

При прохождении через оптическую систему внеосевого узкого светового пучка его лучи испытывают неодинаковое преломление в различных плоскостях

кривизна фронта световой волны в разных плоскостях преломления различна

изображение точки предмета в разных плоскостях также получаются в различных местах

!

волны
Дисперсия
Поглощение
Рассеяние
Рассеяние света на пространственных неоднородностях в оптически неоднородной среде
Уменьшение энергии световой

Несобственное свечение вещества

h

Какие явления наблюдаются при взаимодействии света с веществом?

чему это приводит?
Разложение белого света в спектр

больше преломляющий угол призмы
или:
А↑
↑
=f(n)
n=f()
но:
лучи разных длин волн после прохождения призмы

2

=f()

разложение белого света в спектр

=f(А)

т.е:

A

1

2

1

2



n1

n2

A

n1

=const

А – преломляющий угол призмы
ϕ – угол отклонения лучей

формирования первичной радуги
область формирования вторичной радуги
облако капелек
Угловой радиус радуги:
первичной – 40-42°
вторичной

2

4

3

Первичная радуга:

Вторичная радуга:

2

3

3

3

4

4

5

6

7

8

9

10

при формировании первичной радуги
ход лучей при формировании вторичной радуги
наблюдатель
область формирования первичной

Угловой радиус радуги:
первичной – 40-42°
вторичной – 50-53°

1

2

1

с помощью дифракционной решетки
Дифракционный спектр
Дисперсионный спектр
разложение по длинам волн
измерить 
определить

разложение

дифракционная решетка

призма

?

можно определить его спектральный состав

Спектральный анализ

надо знать

2.

1.

Расположение составных цветов в спектрах

кр > ф

sin   

красные лучи отклоняются

дифракционной решеткой сильнее

↑

n↓

т.к:

красные лучи отклоняются

призмой меньше

?

?

Определение спектрального состава света
Спектральный анализ
Достоинства
изготовление хороших призм значительно проще, чем изготовление

Недостатки

в призменных спектрографах легче получить большую светосилу

веществ 1
противоречие с опытом
Теория Максвелла НЕ объясняет явление дисперсии
n –

?

n – величина постоянная

численные значения n – теоретические и опытные различаются

2.

1.

!

Теория Лоренца

Дисперсия света

результат взаимодействия ЭМ волн с электронами атома, совершающими вынужденные колебания в переменном ЭМ поле волны

вынужденные колебания с частотой ν
переизлучает вторичные ЭМ волны той

зависит от частоты света ν

объяснение зависимости скорости ЭМ волны от её частоты

время распространения волны

Время возбуждения атома

Время переизлучения ЭМ волны

расстояние z между центрами «+» и «-» зарядов
F возбуждающая
F возвращающая
F

на е- действуют силы:

n>1

нормальная дисперсия

поглощение ЭМ волн

без учета сил сопротивления при колебаниях электронов

с учетом сил сопротивления при колебаниях электронов

аномальная дисперсия

область I:

нормальная дисперсия

область II:

n → ∞

0 ≤ ω ≤ ω0

ω → ω0

область III:

n>1

0 ≤ ω ≤ ω0

волны
Дисперсия вещества
Для прозрачных веществ
Нормальная дисперсия
НО!
вблизи линий и полос поглощения: n увеличивается

Аномальная дисперсия

!

ее распространении в веществе
?
вещество
явление ↓ интенсивности света, проходящего через вещество

или

I0

hν

I

hν

l

I < I0

поглощение

I = I0

отсутствие поглощения

I > I0

работают оптические квантовые генераторы (лазеры)

Объяснение с т.з. волновой и квантовой природы света

Энергия ЭМ волны → в энергию е-

Часть энергии ЭМ волны предается ионам и кристаллической решетке

hν ↓, энергия е- ↑

↓ интенсивности света, проходящего через вещество

нагрев кристалла

форме
численно равен относительному уменьшению интенсивности излучения при прохождении слоя диэлектрика

интегрируя:

Поглощение происходит вблизи собственных резонансных частот колебаний е-
Вещество поглощает ЭМ излучение только лишь на определенных (дискретных) частотах
Излучать данный диэлектрик может только на этих частотах

При х=1/ интенсивность света I по сравнению с I0 уменьшается в е раз

физический смысл 

природы
состояния вещества
 НЕ зависит от:
Типичные зависимости  от 
и n

полоса поглощения

аномальная дисперсия

Для больших значений интенсивности

явление открыто Вавиловым в 30-е гг. XX века, положило начало возникновению нелинейной оптики

большее количество е- будет находиться в возбужденном состоянии

фотоны поглощаться не будут

α будет уменьшаться при дальнейшем ↑ I

окрашенности поглощающих тел

разнообразие и богатство цветов и красок в окружающем мире

Разнообразие пределов избирательного поглощения у различных веществ

объяснение

сильно поглощающее зеленые и синие, при освещении белым светом будет

Светофильтры

в зависимости от химического состава фильтры пропускают свет только определенных длин волн, поглощая остальные

Абсорбционный спектральный анализ

измерение частот и интенсивностей линий (полос) в спектре поглощения

излучения
hν
Q

в молекулах
сложные газы, молекулы
Линейчатый
собственные колебания электронов в атомах
Селективное поглощение (излучение)

Резкие max для очень узких спектральных областей

нет свободных е-

явление резонанса при вынужденных колебаниях электронов в атомах и атомов в молекулах диэлектрика

Вещество

Чем обусловлен

Вид спектра

10–10-10–7 м-1

Полосатый

диэлектрики твердые и жидкие тела, вещества, находящиеся в конденси-рованном состоянии

10–5- 10–3 см-1

Сплошной

металлы

103- 105 см-1

непрозрачны для света

объяснение - ?

исследовании его спектров
КАЧЕСТВЕННЫЙ спектральный анализ
КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ спектральный анализ
Анализ химического состава вещества

Определение концентрации веществ в смесях по их спектрам поглощения и излучения

КАКИЕ химические элементы?

Сравнение интенсивности линий искомого вещества с интенсивностью линий стандартного вещества

Сопоставление с известными спектрами химических элементов

Какова КОНЦЕНТРАЦИЯ элементов?

Структура спектров определяется составом и строением молекул

изучение спектров поглощения – один из основных методов исследования веществ

заряженных частиц со скоростями большими, чем фазовая скорость световой волны

заряженная частица, попадая в т.А, вызывает поляризацию среды

Смещение электрических зарядов за счет поляризации и деполяризации среды

в т.В снова происходит поляризация среды другими молекулами

в т.А среда возвращается к исходному равновесному состоянию

источник излучения Вавилова–Черенкова

и поглощение света приводит к ↓ I света, проходящего через

Однако, при рассеянии

энергия НЕ идет на ↑ внутренней энергии вещества

Если в веществе наблюдается и поглощение, и рассеяние, то:

α1 – коэф. поглощения
α2 – коэф. рассеяния

обусловленное дифракционными эффектами
Рассеяние, обусловленное законами геометрической оптики
светящийся конус на тёмном

Виды мутных сред

Дым

взвесь твердых частичек в воздухе

Туман

взвесь капелек жидкости в воздухе

Суспензия

взвесь твердых частичек в жидкости

Эмульсия

взвесь капелек одной жидкости в другой

max поляризация при θ < π/2

Зависимость интенсивности рассеянного света от угла

В общем случае рассеянный свет оказывается поляризованным

света в чистых жидкостях и газах происходит на флуктуациях плотности
1908

Флуктуации плотности

Среда является оптически неоднородной

Флуктуации показателя преломления n

вызывает появление

в глаз человека
глаз, регистрирующий световую энергию
система передачи информации по нервным

Цвет – есть нечто субъективное, не существующее без человека

Все тела в природе делятся на:

светят отраженным светом

несамосветящиеся

самосветящиеся

цвет тел обусловлен

цвет обусловлен спектральным составом излучения

спектральным составом излучения, падающего на тело

поглощательной (отражательной) способностью тела

константа
299 792 456,21,1 м/с
3·108 м/с
Экспериментальные измерения, 1972 г. Ивенсон, США
Группы

Лабораторные

Астрономические

Современные

Метод Ремера, 1676

Метод Брадлея. Аберрация света, 1727

Метод зубчатого колеса (метод Физо)

Метод ячеек Керра

Метод световой или радиолокации

Метод объемного резонатора

Метод Ивенсона

спутника Юпитера Ио
Метод Брадлея. Аберрация света , 1727
Наблюдение кажущегося смещения

Основа метода

Керра

объемном резонаторе возбуждают стоячие ЭМ волны, измеряются резонансные частоты. Скорость

Метод Ивенсона

Первый способ измерения фазовой скорости света

 с большой точностью измерялась интерференционными методами
 - методом деления частоты

вакууме
0 – излучаемая частота
 – частота, воспринимаемая приемником
 – скорость

Изменение частоты волны, воспринимаемой приемником при движении источника и приемника относительно друг друга

для волн различной природы (гудок поезда)

при  = 0

наблюдение вдоль распространения волн

при  = /2

наблюдение в направлении перпендикулярном распространению волн

при  << c

при  > 0

 <0, >0

сдвиг в более длинноволновую область

Красное смещение

удаление

при  < 0

 >0, <0

сдвиг в более коротковолновую область

Фиолетовое смещение

сближение

обнаружение поперечного эффекта Доплера связано с большими трудностями

не наблюдается в акустике

релятивистский эффект

связан с замедлением течения времени движущегося наблюдателя

Обнаружен в 1938 г. в опытах американского физика Г. Айвса

Обнаружен в 1900 г. русским астрофизиком А. А. Белопольским

проверена в 1907 г. в опытах Белопольского:
Со скоростью  перемещался

Смещение – в сторону красной части спектра

Опыты Белопольского подтвердили справедливость эффекта Доплера с погрешностью ≈ 20%

объектов
Радиоастрономия
Для определения лучевой скорости звезд
Существует так называемое красное смещение в

Для определения естественной ширины спектральных линий

Естественная ширина спектральных линий обусловлена скоростью теплового движения атомов и молекул

сорбата всем объёмом сорбента
Сорбция
Адсорбция (лат. ad — на, при; sorbeo

Процесс, обратный адсорбции, то есть перенос вещества с поверхности раздела фаз в объём фазы, называется десорбция

физическое сцепление ионов и молекул на поверхности тела другого состояния (напр., реагенты адсорбируются к целой поверхности катализатора)

Адсорбция

Абсорбция

объёмное слияние двух веществ, находящихся в разных агрегатных состояниях
(напр., жидкости, абсорбирующиеся твёрдыми телами или газами, газы, абсорбирующиеся жидкостями и т.д.)

явление фотоэффекта
Генрих Герц
металлическая пластинка
q > 0
УФ свет
1888 г.
Столетов
создание первого

применение фотоэлемента на практике

установление прямой зависимости силы фототока от интенсивности падающего света

1899 г.

Дж.Дж. Томпсон и Ф. Ленард

доказали, что при фотоэффекте свет выбивает из вещества электроны

вещества под действием света
Внутренний фотоэффект
возникновение фото ЭДС под действием света
Вентильный

h

е-

h

 ↑

h

 ↑

Фотоэлектронная эмиссия

выход электронов за пределы металла

↑ концентрации свободных электронов

фотоэффект в запирающем слое

частный случай внутреннего фотоэффекта

металл

полупроводник

p-n переход

частотой света и НЕ зависит от его интенсивности
1-й закон (закон

Фототок насыщения прямо пропорционален световому потоку

для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота света 0 (или максимальная длина волны), при которой ещё возможен фотоэффект, и если 0 < 0, то фотоэффект уже не происходит

2-й закон

3-й закон

Количество фотоэлектронов, выбиваемых из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности излучения

или

вещества и на работу, необходимую для «вырывания» электрона, а остаток

1905 г.

А.Эйнштейн

Нобелевская премия 1921 г. «За заслуги перед теоретической физикой и особенно за объяснение закона фотоэлектрического эффекта»

Закон сохранения энергии для фотоэффекта

возрастает с частотой света и НЕ зависит от его интенсивности
1-й

Фототок насыщения прямо пропорционален световому потоку

для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота света 0 (или максимальная длина волны), при которой ещё возможен фотоэффект, и если  < кр, то фотоэффект уже не происходит

2-й закон

3-й закон

Количество фотоэлектронов, выбиваемых из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности излучения

отталкивание от е-, находящихся в наружном электронном слое
Часть падающего ЭМ

Часть проникает внутрь поверхностного слоя металла и там поглощается

Поглотив фотон, электрон получает от него энергию и, совершая работу выхода, покидает металл

теплового движения некоторые е- достигают А
Ток насыщения – все е-

I0 при U=0

I2

I1

Максимальная кинетическая энергия, которую может иметь электрон при вылете из металла

работу выхода, покидает металл
Максимальная кинетическая энергия, которую может иметь электрон

Напряжение, при котором анодный ток прекращается

давлении увеличивает силу тока за счет ударной ионизации
Фотосопротивления
Вентильные элементы –

С.И.Вавилов:
в области наибольшей чувствительности (λ=555 нм) глаз начинает реагировать на свет при попадании на зрачок примерно 100 фотонов в секунду

отдельные молекулы и атомы
Давление света
Впервые гипотеза светового давления
И.Кеплер для объяснения

1899 г. – П.Н.Лебедев
первые опыты по исследованию светового давления

Крутильные весы

Вакуумированный сосуд
Тонкие диски из слюды и различных металлов на тонкой проволоке

Попеременное облучение разных сторон крылышек – нивелирование радиометрических сил

Удовлетворительное (±20%) совпадение с теорией Максвелла

Одно из явлений, подтверждающих теорию Максвелла

электромагнитной так и фотонной теории
!
заряды приходят в движение
с т.з. электромагнитной

Со стороны ЭМ волны на заряды действуют силы F+ и F-

заряды вдавливаются в вещество

На движущиеся заряды действует сила Лоренца

Сила, создающая давление света

электромагнитной так и фотонной тории
!
с т.з. фотонной теории
Фотон как частица

фотон передает веществу соответствующий импульс

Импульс, передаваемый ПОГЛОЩЕННЫМ фотоном

По II закону Ньютона

импульс силы

Импульс, передаваемый ОТРАЖЕННЫМ фотоном

…

Е – энергетическая освещенность
 -коэффициент отражения

кол-во фотонов

через ткани, дерево, металлы
Малая поглощательная способность – поглощается в большей

частота излучения
 тормозного рентгеновского излучения ограничена в области коротких длин

Вычисление постоянной Планка h

Тормозные излучение электронов высоких энергий отклоняющихся в электрическом поле атомного ядра

Энергия ускоренного электрона передается аноду или в виде тепла, или излучается в виде кванта тормозного рентгеновского излучения

возникает в результате торможения е- анодом

имеет сплошной спектр

анода
имеет линейчатый спектр
Линии характеристического рентгеновского излучения
Обычно характеристическое и тормозное излучения

выбивает электрон е- с одной из внутренних электронных оболочек атома
на

излучается линия

излучается линия

излучается линия

в общем случае длина волны характеристического излучения

z – заряд ядра

m – номер оболочки, НА которую переходит е-

n – … С которой…

 – постоянная экранирования (серии)

R=1,097∙107 м-1 – постоянная Ридберга

закон Мозли (1913)

определение заряда химического элемента

совпадение с порядковым номером по табл. Д.И.Менделеева

Характеристическое излучение возникает при переходе вышележащих электронов на освободившееся место

n – номер энергетического уровня

наряду с излучением первоначальной длины волны λ, содержатся лучи большей

λк=2,426∙10-12 м

комптоновская длина волны

Объяснение по фотонной теории

закон сохранения импульса

закон сохранения энергии

=

?

h

е-

законов сохранения в микромире
Исследовательские задания:
Опишите на основе методологии научного исследования

излучения
Свечение тел, вызванное ВНЕШНИМ воздействием
Люминес-ценция
Следует отличать тепловое излучение от люминесценции
!
Существует

Может находиться в равновесии с излучаемым его телом

Существует, пока есть внешнее воздействие

Тепловое равновесие

тело излучает

температура тела ↓

поверхности за единицу времени в единичном интервале частот
Спектральная плотность энергетической

энергия излучения с единицы поверхности за единицу времени в интервале частот от 0 до ∞

Энергетическая светимость

отношение поглощенной энергии к той энергии, которая подходит к данной поверхности

Поглощательная способность

поверхность ЭМ излучение любого спектрального состава
Абсолютно черное тело (АЧТ)
идеализация, модель
!
Вход

примеры:

Окно извне
Торец трубы
Отверстие в замкнутой полости

спектральная плотность энергетической светимости АЧТ

энергетическая светимость АЧТ

поглощательная способность АЧТ

любого тела к его поглощательной способности есть величина, равная спектральной

!

Энергия излучения с единицы поверхности за единицу времени в единичном интервале частот

Спектральная плотность энергетической светимости

Отношение поглощенной энергии к той энергии, которая подводится к данной поверхности

Поглощательная способность

функция Кирхгофа

является для всех тел одной и той же функцией частоты (длины волны) и температуры

черное тело Аν,Т=1
Если при какой-либо температуре тело не поглощает энергию,

2.

– Больцман
Энергетическая светимость АЧТ численно равна энергии излучения с единицы

Спектральная плотность энергетической светимости пропорциональна температуре в 4 степени

энергия излучения с площади S за время t

постоянная Стефана-Больцмана

1893 – Вин впервые установил вид функции Кирхгофа

некоторая неизвестная Вину функция

Закон Вина

Закон Стефана-Больцмана

энергетической светимости смещается в сторону коротких длин волн
Закон смещения Вина
Из

функции Кирхгофа
Исходя из законов статистической физики о равнораспределении по степеням

в единичном интервале частот

исходя из положений классической физики (5000 К)

по всем частотам

фактически

Энергия, излучаемая с любой площади НЕ может быть ∞ большой величиной

!

удовлетворительно описывает излучение только в области длинных волн

Возможно ли это?

Ультрафиолетовая катастрофа

плотности энергетической светимости черного тела
Квантовая гипотеза
атомы излучают энергию не непрерывно,

h= 6,62510–34 Джс

постоянная Планка

Функция Кирхгофа по Планку

1900 г.

!

Исследовательские задания:

Опишите на основе методологии научного исследования работы Планка по изучению излучения абсолютно черного тела
Исследуйте зависимость спектральной плотности энергетической светимости от частоты по формуле, полученной Планком на основе квантовой гипотезы

Вина
Формула Рэлея-Джинса
законы теплового излучения
Закон смещения Вина
полагая
Закон Стефана-Больцмана

f- атомных орбиталей

которых атом не излучает и не поглощает энергии
1.
При переходе из

2.

свойство материи
формула де Бройля
Частице m=1 г, движущейся со υ=1 м/с, соответствует

Волновые свойства должны быть присущи и макроскопическим телам

!

?

Почему они не обнаруживаются экспериментально?

считается, что макроскопические тела проявляют только одну сторону своих свойств — корпускулярную — и не проявляют волновую

классической механики к объектам микромира
По законам классической механики частица движется

в любой момент времени

координата х и импульс р

точно определены

об одновременном определении точных значений х и р

о движении микрочастицы по определенной траектории

1927 г.

невозможно одновременно точно определить координату частицы и ее импульс

чем точнее определена координата, тем > неопределенность импульса

x → 0

p → ∞

!

Соотношения неопределенностей Гейзенберга

Е – неопределенность энергии некоторого стационарного состояния системы
t – промежуток времени, в течение которого существует данное состояние системы

x → ∞

p → 0

дуализма
развитие квантовой теории
Ограниченность применения классической механики к микрообъектам (соотношение неопределенностей)
Противоречие ряда

создание квантовой механики

описывает законы движения и взаимодействия микрочастиц с учетом их волновых свойств

Особенность квантовой теории

вероятностный подход к описанию состояния микрочастиц

состояние микрочастиц описывается – с помощью волновой функции ψ(x,y,z),
являющейся основным носителем информации об их корпускулярных и волновых свойствах

ψ-функция, волновая функция

имеет смысл плотности вероятности, т.е. определяет вероятность нахождения частицы в единичном объеме в окрестности точки с координатами х, у, z

должна удовлетворять ряду условий
КОНЕЧНОЙ (вероятность не м.б. >1)
ОДНОЗНАЧНОЙ (вероятность не м.б. неоднозначной

НЕПРЕРЫВНОЙ (вероятность не может изменяться скачком)

-функция должна быть :

Волновая функция  позволяет вычислять средние значения физических величин, характеризующих данный микрообъект

ψ-функция, волновая функция

имеет смысл плотности вероятности, т.е. определяет вероятность нахождения частицы в единичном объеме в окрестности точки с координатами х, у, z

напр., вероятность обнаружить частицу в элементе dV

в квантовой механике, описывающее движение микрочастиц в различных силовых полях

Основное уравнение нерелятивистской квантовой механики

Общее уравнение Шрёдингера (зависит от времени)

постоянная Планка (с чертой)

оператор Лапласа (лапласиан)

i – мнимая единица

U(x,y,z,t) – потенциальная энергия частицы в силовом поле, в котором она движется

ψ(x,y,z,t) – искомая волновая функция частицы в силовом поле, в котором она движется

U(x,y,z,t)  f(t) НЕ зависит от времени
Это возможно, если силовое

решение уравнения Шрёдингера – в виде произведения двух функций:

функции т. КООРДИНАТ
функции т. ВРЕМЕНИ

Для многих физических явлений микромира уравнение Шрёдингера, зависящее от времени можно упростить, исключив (t)

зависимость  от времени выражается множителем

после подстановки и преобразований

Е – полная энергия частицы

уравнение Шрёдингера для стационарных состояний

осциллятора
прохождения частицы через потенциальный барьер
электрон в атоме водорода
Линейный гармонический осциллятор
Решая

n = 1, 2, …

Совокупность уровней энергии

при 0  x  l
U = ∞ при x

n = 1, 2, …

1. Собственные значения энергии

2. Собственные волновые функции

3. Амплитуду а найдем по условию нормировки

1. Собственные значения энергии
2. Формулу Планка
При больших квантовых числах
3. Нулевая

под действием ЭП световой волны
выделение джоулевой теплоты
ЭП световой волны
свободные электроны
быстропеременные

энергия световой волны быстро уменьшается, превращаясь во внутреннюю энергию металла

металлы непрозрачны для света

Чем выше проводимость металла

тем сильнее в нем поглощение света

возникно-вение

действует на

внешний фотоэффект (1888—1890), открыл первый закон фотоэффекта. Исследовалгазовый разряд, критическое состояние и

10 августа 1839 – 27 мая 1896 Россия, Москва

года, общественный деятель-гуманист. Жил в Германии (1879—1893, 1914—1933), Швейцарии (1893—1914) и США (1933—1955).
Почётный доктор около 20

14 марта 1879 Германия – 18 апреля 1955 США

Albert Einstein

апреля 1858, Киль — 4 октября 1947, Гёттинген) — выдающийся немецкий физик. Как основатель квантовой теории предопределил основное направление

Kepler
27 декабря 1571 – 15 ноября 1630 Германия

«за открытие законов соударения электрона с атомом» (совместно с Джеймсом

22 июля 1887— 30 октября 1975, Германия

Gustav Ludwig Hertz

Германия
Альберт Эйнштейн
Albert Einstein
1879-1955
Германия, США

1835 – 7 января 1893, Австрия
Joseph Stefan

— 5 сентября 1906, Дуино, Италия — австрийский физик-теоретик, основатель

в 1886
1892-1896 приват-доцент Берлинского университета
1896-1899 профессор Высшей технической школы в

Wilhelm Wien

13 января 1864 – 30 августа1928, Германия

которые легли в основу волновой механики:
сформулировал волновые уравнения (стационарное и зависящее

Erwin Schrödinger

12 августа 1887 – 4 января1961, Австрия

Работы посвящены теории колебаний, одним из основоположников которой он является,

астрофизик. Основные физические исследования посвящены кинетической теории газов и теории

Уильямом Рамзаем) газ аргон, за это получил Нобелевскую премию по

12 ноября 1842– 30 июня 1919, Англия

John William Strutt, Third Baron Rayleigh

создал авторитетную научную школу оптиков
один из организаторов оптической промышленности в

1876-1940,
Россия, Санкт-Петербург

архитектурных вузов
Сахаров Д.И., Блудов М.И. Физика для техникумов
Ландсберг Г.С. Элементарный