Лекции по физике - файл n1.doc

Лекции по физике
скачать (329.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc5022kb.20.09.2001 20:08скачать

n1.doc

1   2   3   4

Этот недостаток был устранен Френелем, который в 1815 г. дополнил принцип Гюйгенса, введя представление о когерентности вторичных волн и интерференции их между собой.

Дополненный Френелем принцип Гюйгенса называется принципом Гюйгенса-Френеля.

4.2. Метод зон Френеля

Расчет интерференции вторичных волн сводится к интегрированию, которое часто бывает затруднительным.

Для упрощения вычислений при определении амплитуды волны в заданной точке пространства Френель предложил разбивать поверхность фронта волны на зоны (зоны Френеля) так, что волны от соседних зон приходят в точку наблюдения в противофазе и, вычитаясь, ослабляют друг друга.

Применим метод зон Френеля для расчета дифракции света.

Различают два случая дифракции света:

  1. Дифракция Френеля или дифракция в сходящихся лучах, когда на препятствие падает плоская или сферическая волна, и дифракционная картина наблюдается на экране, находящемся на конечном расстоянии от него (см. 4.3.)

  2. Дифракция Фраунгофера или дифракция в параллельных лучах, когда на препятствие падает плоская волна, и дифракционная картина наблюдается на экране, который находится в фокальной плоскости собирающей линзы, установленной на пути прошедшего через препятствие света (см.4.4.)

4.3. Дифракция Френеля на круглом отверстии и диске

4.3.1. Дифракция Френеля на круглом отверстии

L



Рис.2

Сферическая волна, распространяющаяся из точечного источника монохроматического света S, встречает на своем пути экран с круглым отверстием, диаметр которого d=BC. Пусть Ф – фронт волны, который является частью поверхности сферы. Разобьем поверхность фронта на зоны Френеля (см. рис.2) так, что волны от соседних зон приходят в точку наблюдения М в противофазе. Тогда амплитуда результирующей волны в точке М


А=А1234+…Аm , (1)

где Аi амплитуда волны, пришедшей от i-ой зоны Френеля. Перед Аm берется знак плюс, если m – нечетное, и минус, если m - четное.

Величина Аi зависит от площади i i-той зоны и угла i между внешней нормалью к поверхности зоны в какой-либо точке и прямой, направленной из этой точки в точку М (см. рис.2, где в частности показан угол 3).

Можно показать, что все зоны Френеля примерно равновелики по площади. Увеличение же угла i с ростом номера зоны приводит к уменьшению амплитуды Аi. Она уменьшается с ростом i также и вследствие увеличения расстояния от зоны до точки М. Таким образом, А12>…> Am . При большом числе зон можно приближенно считать, что Аi=(Ai-1+Ai+1)/2. (2)

Перепишем теперь (1) в виде

(3)

так как согласно (2) все выражения, стоящие в скобках, равны нулю.

Можно показать, что общее число m зон Френеля, обращенное к точке М,

, (4)

где d=BC – диаметр отверстия, R=SO, L=OM (см. рис.2), - длина волны.

Если d=1 см, R=L=10 см и =500 нм, то m=1000.

В этом случае Аm<<A1 и слагаемым Аm/2 в (3) можно пренебречь. Тогда согласно (3)

А=А1/2. (5)

Таким образом, амплитуда результирующей волны в точке М определяется как бы действием только половины центральной зоны Френеля. Ее диаметр d, как следует из (4) при m=1, R=L=10 см и =500 нм, равен 0,32 мм.

Следовательно, распространение света от S к М происходит так, будто пучок света распространяется внутри очень узкого канала вдоль SM, т.е. прямолинейно.

В этом случае круговое пятно диаметром ED (см. рис.2) равномерно освещено и вне его наблюдается тень. Следовательно, дифракционная картина отсутствует, когда диаметр отверстия BC=d>>.

При уменьшении диаметра отверстия до величины d1мм число зон согласно (4) уменьшается и Аm становится сравнимым с А1, и поэтому пренебречь слагаемым Аm/2 в (3) нельзя.

При нечетном числе зон согласно (3)

А=А1/2 +Аm/2 (6)

и в точке М наблюдается максимум (светлое пятно).

При четном числе зон

А=А1/2 -Аm/2 (7)

и в точке М будет наблюдаться минимум (темное пятно). Этот факт особенно наглядно противоречит закону прямолинейного распространения света.

Очевидно, что максимум и минимум будут тем сильнее отличаться друг от друга, чем ближе значение Аm к А1, т.е. когда число зон m мало (m 10). Расчет амплитуды в других точках экрана более сложен. Можно показать, что дифракционная картина вблизи точки М имеет вид чередующихся темных и светлых колец с центрами в точке М. По мере удаления от точки М интенсивность максимумов света убывает.

Если на пути световой волны в плоскости отверстия поставить зонную пластинку, которая перекрывала бы все четные зоны, то А=А135+… и интенсивность I=A2 в точке М резко возрастает. Еще большего эффекта можно достичь, не перекрывая четные зоны, а изменяя фазу их колебаний на , тогда А=А123+… Такая пластинка называется фазовой зонной пластинкой, и использование ее позволяет получить дополнительное увеличение интенсивности в 4 раза.

Опыт подтверждает эти выводы: зонная пластинка увеличивает интенсивность в точке М, действуя подобно собирающей линзе.

4.3.2. Дифракция Френеля на небольшом диске (круглом непрозрачном экране)

Способ построения зон Френеля на открытой части волнового фронта Ф падающей монохроматической волны показан на рис.3.



Рис.3

Пусть диск закрывает несколько зон, действие которых не будем учитывать. Нумерацию зон начнем от первой открытой зоны, расстояние до краев которой от точки М равны L и L+/2. Последнюю открытую зону обозначим через m.

Проведя анализ, подобный предыдущему (см. 4.3.1), и полагая, что m достаточно велико, получим для амплитуды результирующей волны, выражение идентичное (5), т.е. А=А1/2. Дифракционная картина на экране Э имеет вид концентрических темных и

светлых колец с центром в точке М, где всегда находится максимум (пятно Пуассона).

4.4. Дифракция Фраунгофера на одной щели

Дифракция в параллельных лучах была рассмотрена Фраунгофером в 1821-1822 гг. Для получения пучка параллельных лучей света, падающих на щель или отверстие, обычно пользуются небольшим источником света, который помещается в фокусе собирающей линзы Л.

Рис.4

Пусть параллельный пучок монохроматического света падает нормально на непрозрачный экран, в котором прорезана узкая щель ВС, имеющая постоянную ширину b и длину l>>b (см. рис.4,а). Оптическая разность хода между крайними лучами ВМ и CN, идущими от щели под углом  к оптической оси линзы OF0 =CD=bsin.

Разобьем щель ВС на зоны Френеля, имеющие вид полос, параллельных ребру В щели. Ширина каждой зоны выбирается (согласно методу зон Френеля) так, чтобы разность хода от краев этих зон была равна /2. При интерференции света от каждой пары соседних зон амплитуда результирующих колебаний равна нулю, так как эти зоны вызывают колебания с одинаковыми амплитудами, но противоположными фазами.Всего на ширине щели уместится :

/2= bsin/(/2) зон. Если число зон четное, т.е.

bsin/(/2)=2m или bsin=m , m=1,2,3…, (8)

то наблюдается дифракционный минимум (темная полоса).

Если число зон нечетное, т.е.

bsin/(/2)=(2m+1) или bsin=(2m+1) , m=1,2,3…, (9)

то наблюдается дифракционный максимум (светлая полоса).

В направлении =0 наблюдается самый интенсивный центральный максимум нулевого порядка.

Распределение интенсивности на экране, полученное вследствие дифракции (дифракционный спектр) приведено на рис.4,б. Расчеты показывают, что интенсивности в центральном и последующем максимумах относятся как 1:0,045:0,016:0,008:…, т.е. основная часть световой энергии сосредоточена в центральном максимуме.

Углы, под которыми наблюдаются максимумы всех порядков, начиная с первого, зависят от длины волны света . Поэтому, если щель освещать немонохроматическим светом, то максимумы, соответствующие разным длинам волн, будут наблюдаться под разными углами и, следовательно, будут пространственно разделены на экране. Получим дифракционный спектр, в отличие от призматического спектра (см. дисперсию).

4.5. Дифракционная решетка

Дифракционная решетка – важнейший спектральный прибор, предназначенный для разложения света в спектр и измерения длин волн.

Она представляет собой плоскую стеклянную или металлическую поверхность, на которой нарезано очень много (до сотен тысяч) прямых равноотстоящих штрихов.

Рассмотрим простейшую идеализированную решетку, состоящую из N одинаковых равноотстоящих параллельных щелей, сделанных в непрозрачном экране. Ширину щели обозначим b, а ширину непрозрачных промежутков между щелями – а. Величина d=a+b называется периодом или постоянной дифракционной решетки. Лучшие решетки имеют d=0,8 мкм, т.е. 1200 штрихов на 1 мм.

Рис.5

На рис. 5а показано только несколько щелей. Дифракционная картина от решетки получается в результате дифракции на каждой щели и интерференции лучей, падающих от разных щелей. Главные максимумы соответствуют таким углам , для которых колебания от всех N щелей складываются в фазе, т.е. Амакс=NA, где A - амплитуда колебания, посылаемого одной щелью под углом . Интенсивность максимума

Iмакс=N2 I (10)

т.е. может превышать в сотни миллионов раз интенсивность

максимума, создаваемого одной щелью (для хороших решеток N достигает нескольких десятков тысяч).

Условие главных максимумов имеет вид

dsin=m , m=0,1,2 (11)

Максимум нулевого порядка наблюдается при =0, первого порядка при sin=/d, второго порядка при sin=2/d (см. рис. 5,б)

Главные минимумы соответствуют таким углам , в направлении которых ни одна из щелей не распространяет свет. Таким образом, условие главных минимумов выражает формула (8)

bsin=m , m=1,2,3 (12)

Первый главный минимум наблюдается при sin=/b (см. рис. 5,б).

Кроме главных максимумов имеется большое число слабых побочных максимумов, разделенных дополнительными минимумами. На рис. 5,б они изображены между главными максимумами.

Положение главных максимумов (кроме центрального) зависит от длины волны [см. (11) и рис. 5,б]. Поэтому при пропускании через решетку белого света все максимумы ненулевого порядка, разложатся в спектр, фиолетовый конец которого обращен к центру дифракционной картины, а красный – наружу. Таким образом, дифракционная решетка представляет собой спектральный прибор.

4.6. Дифракция на пространственной решетке. Формула Вульфа-Брэгга

Дифракционную картину могут дать не только рассмотренные выше одномерные структуры, но также двумерные и трехмерные периодические структуры, например, кристаллические тела. Однако период кристаллических тел d мал, составляет единицы ангстрем (1 =10-4 мкм), т.е. значительно меньше длин волн видимого света (0,4-0,8 мкм). Поэтому для видимого света кристаллы являются однородной средой, и дифракция не наблюдается.



Рис.6

В то же время для значительно более коротковолнового рентгеновского излучения( 10-9 – 10-11 м) кристаллы представляют собой естественные дифракционные решетки (см. рис.6).

Абсолютный показатель преломления всех

сред для рентгеновского излучения близок к единице, поэтому оптическая разность хода между лучами

1’ и 2’, отражающимися от кристаллографических плоскостей CD+DE=2dsin, где d – расстояние между плоскостями, в которых лежат узлы (атомы) кристаллической решетки, - угол скольжения лучей.

Условию интерференционных максимумов удовлетворяет [см.(3,15)] формула Вульфа-Брэгга

2dsin =m , m=1,2,3 (13)

где m – порядок дифракционного максимума.

4.7. Разрешающая способность оптических приборов

Вследствие дифракции света в оптическом приборе изображение светящейся точки имеет вид не точки, а светлого пятна, окруженного системой концентрических интерференционных колец. Это явление ограничивает разрешающую способность оптического прибора, т.е. его способность давать раздельное изображение двух близких друг к другу точек объекта.

Согласно критерию Рэлея, изображения двух одинаковых точечных источников света еще можно видеть раздельно, если центральный максимум дифракционной картины от одного источника совпадает с первым минимумом дифракционной картины от другого.

В этом случае угловое расстояние  1,22/D,

где D – диаметр объектива.

4.8. Понятие о голографии

При обычной фотографии фотопластинка регистрирует только интенсивность световой волны. Информация о фазе волны при этом теряется. Таким образом, содержащаяся в фотографии информация об объекте весьма ограничена, например, не можем увидеть то, что было закрыто во время съемки объектом, находящемся на переднем плане, - не можем заглянуть за этот объект.



Голография (от греческого “полная запись“) позволяет записать на фотопластинку (голограмму) полную информацию (амплитуду и фазу) об объекте и затем восстановить изображение. Для этого необходимо иметь излучение с высокой степенью когерентности, полученное с помощью лазера.

На рис.7 приведена схема получения

Рис.7

голограммы (а) и восстановления изображения (б).

Для получения цветного голографического изображения объекта пользуются монохроматическим светом трех основных цветов (например, красным, зеленым и синим), испускаемым одновременно тремя лазерами.

Если голограмму расколоть на

несколько кусков, то каждый из них при просвечивании восстанавливает полное изображение, но с меньшей четкостью.

Лекция 6. Распространение света в веществе

6.1. Взаимодействие света с веществом

Распространяясь в веществе электромагнитное поле световой волны вызывает вынужденные колебания связанных зарядов (электронов, ионов). Колеблющиеся с частотой вынуждающей силы заряды являются источником вторичных волн. Если среда однородна и изотропна, то в результате наложения первичной и вторичной волн образуется проходящая волна, фазовая скорость которой зависит от частоты. Если в среде имеются неоднородности, то дополнительно происходит рассеяние света. На границе раздела двух сред в результате интерференции первичной и вторичной волн образуется отраженная и преломленная волна.

Прохождение света через вещество также сопровождается поглощением света, т.е. потерей энергии волны.

6.2. Поглощение света. Закон Бугера

Поглощение света в веществе связано с преобразованием энергии электромагнитного поля волны в тепловую энергию вещества (или в энергию вторичного фотолюминесцентного излучения). Закон поглощения света (закон Бугера) имеет вид:

I=I0 exp(-x), (1)

где I0, I -интенсивности света на входе (х=0) и выходе из слоя среды толщины х, -коэффициент поглощения, он зависит от .

Для диэлектриков =10-110-5 м-1 , для металлов =105107 м-1, поэтому металлы непрозрачны для света.

Зависимостью () объясняется окрашенность поглощающих тел. Например, стекло, слабо поглощающее красный свет, при освещении белым светом будет казаться красным.

6.3.Рассеяние света. Закон Релея

Дифракция света может происходить в оптически неоднородной среде, например в мутной среде(дым, туман, запыленный воздух и т.п.). Дифрагируя на неоднородностях среды, световые волны создают дифракционную картину, характеризующуюся довольно равномерным распределением интенсивности по всем направлениям.

Такую дифракцию на мелких неоднородностях называют рассеянием света.

Это явление наблюдается, если узкий пучок солнечных лучей проходит через запыленный воздух, рассеивается на пылинках и становится видимым.

Если размеры неоднородностей малы по сравнению с длиной волны (не более чем 0,1), то интенсивность рассеянного света оказывается обратно пропорциональна четвертой степени длины волны, т.е.

Iрасс ~ 1/4, (2)

эта зависимость носит название закона Релея.

Рассеяние света наблюдается также и в чистых средах, не содержащих посторонних частиц. Например, оно может происходить на флуктуациях (случайных отклонениях) плотности, анизотропии или концентрации. Такое рассеяние называют молекулярным. Оно объясняет, например, голубой цвет неба. Действительно, согласно (2) голубые и синие лучи рассеиваются сильнее, чем красные и желтые, т.к. имеют меньшую длину волны, обуславливая тем самым голубой цвет неба.

6.4. Дисперсия света

Дисперсией света называется зависимость фазовой скорости света в среде от его частоты v.

Так как v=с/n, то дисперсией света можно назвать также зависимость показателя преломления n среды от частоты v световой волны.

Наиболее отчетливо дисперсия света проявляется при прохождении белого света через призму. За призмой лучи белого света окажутся разложенными на составляющие цвета - в спектр. Полученный спектр называют призматическим, в отличии от дифракционного спектра, даваемого дифракционной решеткой.

Согласно электронной теории дисперсии

луч белого свет "раскачивает" электроны в атомах,

света причем сильнее всего "раскачивает" в том

экран случае, когда частота световой волны

близка к собственной частоте колебаний

электрона в среде v0, т.е. в

Рис.1

случае резонанса.

Степень взаимодействия света с веществом, а, следовательно, и скорость распространения света зависит от близости к резонансу, т.е. от v - v0, а также от параметра - характеризующего затухание свободных колебаний электрона.

Согласно электронной теории дисперсии справедлива следующая приближенная формула для показателя преломления

, (3)

где A=2Ne2/m, где N - концентрация атомов, e, m заряд и масса электрона.


А
На рис. 2 приведен график зависимости n от v n Рис.2

при =0 (штриховая линия) и с учетом (сплошная В

линия). Области А и С для которых с увеличением 1

частоты v показатель преломления возрастает, 1

называются областями нормальной дисперсии, т.е.

для них

или (4) 0

Область В, для которой с увеличением частоты v показатель преломления

меньшается называется областью аномальной дисперсии, т.е. для нее

или (5)

В области аномальной дисперсии поглощение света очень велико.

6.5. Поляризация света. Естественный и поляризованный свет. Закон Малюса

В лекции 2 было показано, что световые волны являются поперечными: векторы напряженности электрического и магнитного поля взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости , распространяющейся волны, т.е. колеблются перпендикулярно лучу.

Опыт показывает, что при взаимодействии света с веществом основное действие (физиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и др.) вызывается колебаниями вектора , который в связи с этим

иногда называют световым вектором. Поэтому для луч

описания закономерностей поляризации света следят за Рис.3.

поведением вектора .

Плоскость, образованная векторами и , называется плоскостью поляризации.

Если колебания вектора происходят в одной фиксированной плоскости, то такой свет (луч) называется линейно-поляризованным [cм. рис. 2 во второй лекции]. Его условно обозначают так . Если луч поляризован в перпендикулярной плоскости (в плоскости хоz, см. Рис. 2 во второй лекции), то его обозначают .

Естественный свет (от обычных источников, солнца), состоит из волн, имеющих различные, хаотически распределенные плоскости поляризации (см. рис.3)

Естественный свет иногда условно обозначают так   

Его называют также неполяризованным. Луч

Если при распространении волны вектор поворачивается и при этом конец вектора описывает окружность, то такой свет называется поляризованным по кругу, а поляризацию - круговой или циркулярной (правой или левой). Существует также эллиптическая поляризация.

Существуют оптические устройства (пленки, пластины и т.д.) - поляризаторы, которые из естественного света выделяют линейно поляризованный свет или частично поляризованный свет.

Поляризаторы, использующиеся для анализа поляризации света называются анализаторами.

Плоскостью поляризатора (или анализатора) называется плоскость поляризации света, пропускаемого поляризатором (или анализатором).

Пусть на поляризатор (или анализатор) падает Рис. 4

линейно поляризованный свет с амплитудой Е0. Е

Амплитуда прошедшего света будет равна Е=Е0сos,

а интенсивность I=I0сos2. Е0

Эта формула выражает закон Малюса: I0

Интенсивность линейно поляризованного света, прошедшего анализатор,

ропорциональна квадрату косинуса угла между плоскостью колебаний падающего света и плоскостью анализатора.

6.6. Поляризация света при отражении и преломлении. Закон Брюстера

Если угол падения света на

границу раздела двух прозрачных

диэлектриков (например, на n1

поверхность стеклянной пластинки) n2

отличен от нуля, то отраженный а) б)

и преломленный лучи оказываются

частично поляризованными. В Рис.5

отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные к плоскости падения

(плоскость рисунка). В преломленном луче - колебания, параллельные плоскости падения (см.рис.5). Поляризацию объясняет электромагнитная теория Максвелла.

Закон Брюстера: Отраженный свет полностью линейно поляризован при угле падения Бр , удовлетворяющем условию

tg Бр=n2/n1 (7)

При этом преломленный свет поляризован не полностью и угол между отраженным и преломленным лучами равен 90.

6.7. Двойное лучепреломление

В большинстве кристаллов наблюдается

двойное лучепреломление - падающий луч e

раздваивается в кристалле на два преломленных o

луча. Один из лучей, который подчиняется

закону преломления, называется обыкновенным, Рис.6

обозначается о. Другой луч не следует из закона преломления. Его называют необыкновенным лучом, обозначают е. Обыкновенный и необыкновенный лучи поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях, они имеют различные скорости распространения и, следовательно, различные показатели преломления nо и nе. Двойное лучепреломление объясняется оптической анизотропией вещества.

6.8. Искусственная оптическая анизотропия. Вращение плоскости поляризации При одностороннем сжатии или растяжении стеклянной пластинки возникает двойное лучепреломление. При этом

nо- nе=k1, (8)

где =F/S - механическое напряжение, k1 - постоянная, зависящая от свойств вещества.

Таким образом, оптически изотропное вещество под влиянием механической деформации становится анизотропным (явление фотоупругости).

Керр обнаружил, что жидкий или твердый изотропный диэлектрик, помещенный в однородное электрическое поле с напряженностью Е становится оптически анизотропным (эффект Керра), при этом

nо- nе=k2Е2 (9)

где k2- постоянная, зависящая от свойств вещества.

Некоторые вещества (например кварц, водный раствор сахара, скипидар), называемые оптически активными, обладают способностью вращать плоскость поляризации при прохождении линейно поляризованного света.Угол поворота

=l, (10)

где - постоянная вращения, зависящая от свойств вещества, l- расстояние, пройденное светом в оптически активном веществе.

Фарадей обнаружил вращение плоскости поляризации в постоянном магнитном поле с напряженностью Н, когда свет распространяется вдоль магнитного поля.

=VНl, (11)

где V - постоянная Верде, зависящая от свойств вещества, l - длина пути света в веществе.

Заключение к лекциям 2-6

Изученные выше явления интерференции, дифракции, поляризации света и дисперсии света подтвердили волновую природу света, т.е. что свет представляет собой электромагнитные волны.
1   2   3   4


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации