Fizica optică unde luminoase. Optica ondulata. optică geometrică. interferența luminii. Legile opticii geometrice

Din punctul de vedere al opticii undelor, lumina este unde electromagnetice cu o anumită gamă de frecvență.

FENOMENE CARACTERIZARE LUMINA CA UN UN.

1) Varianta– dependența indicelui de refracție al unei substanțe de frecvența (lungimea de undă) a luminii care trece prin aceasta.Datorită dispersiei, lumina nemonocromatică în timpul refracției, interferența și difracția poate fi descompusă într-un spectru (în componente monocromatice).

Monocromatic lumina este o undă luminoasă de o anumită frecvență (lumină de o anumită culoare). Nemonocromatic lumina este o lumină complexă formată din mai multe componente monocromatice.

> , > , < (для среды, в вакууме скорость света ).

< ().Frecvența de oscilație a unei unde luminoase nu se modifică la trecerea de la un mediu la altul.

Nu există culoare în natură; există unde electromagnetice de diferite frecvențe, care, acționând asupra retinei ochiului, provoacă senzația de lumină. O persoană percepe o foaie de hârtie ca fiind albă, pentru că... reflectă toate undele părții vizibile a spectrului undelor electromagnetice incidente pe ea. Funinginea este neagră, pentru că absoarbe toate undele din spectrul vizibil incidente pe el. Frunza plantei este verde pentru că reflectă o undă electromagnetică de o asemenea frecvență care, atunci când lovește retina, provoacă senzația de culoare verde; frunza absoarbe toate celelalte unde din partea vizibilă a spectrului.

2) Interferența luminii observate, de exemplu, în pelicule subțiri: un balon de săpun, o peliculă de benzină pe apă, aripi de insecte etc. Două surse de lumină independente produc unde incoerente, pentru a obține unde luminoase coerente se folosește fie un laser, fie o undă de lumină provenită de la unul. sursa este împărțită în două părți având o diferență de cursă. Astfel, în filmele subțiri, un model de interferență poate fi creat de undele reflectate de pe suprafețele exterioare și interioare ale filmului. În acest caz, diferența de cale este , unde indicele de refracție al substanței filmului este grosimea filmului. Prin acoperirea lentilelor dispozitivelor cu filme cu un indice de refracție mai mic decât cel al materialului lentilei și selectând grosimea necesară a filmului, obținem curățare optică, acestea. minimizați energia luminoasă reflectată de film.

Modelul de interferență pentru lumina monocromatică este o alternanță de benzi întunecate (inele) și benzi (inele) iluminate de o anumită lumină monocromatică.

Modelul de interferență pentru lumina albă este o alternanță de dungi curcubeu (inele).

UN EXEMPLU DE SOLUȚIE A PROBLEMEI PRIVIND INTERFERENȚELE LUMINII

Două surse coerente emit lumină monocromatică cu o lungime de undă de 600. Determinați la ce distanță de un punct de pe ecran va avea loc prima iluminare maximă dacă

4) Difracția luminii poate fi observat dacă obstacolul pe care unda luminoasă îl îndoaie este foarte mic (comparabil cu lungimea undei luminoase) sau distanța de la obstacol până la ecran este de un număr imens de ori mai mare decât dimensiunea obstacolului în sine. În aceste cazuri, legile opticii geometrice nu sunt aplicabile, deoarece lumina se abate de la propagarea rectilinie. Difracția este întotdeauna însoțită de interferență.

Cu difracția, o pată întunecată este situată în centrul ecranului la gaură; cu difracția la un obstacol, se formează un punct de lumină în centrul ecranului.

GRATAR DE DIFRACȚIE – un set de un număr mare de fante paralele de lățime, transparente la lumină, separate prin intervale opace de lățime. Perioada latice (constantă), unde este lățimea unei anumite secțiuni a rețelei, numărul de linii din această secțiune. Dacă, în mod normal, lumina monocromatică cade pe un rețele de difracție, atunci datorită difracției undele luminoase sunt deviate în unghiuri diferite.

Dacă aceste unde sunt colectate pe un ecran folosind o lentilă, se formează un model de interferență, în centrul căruia există un maxim central (zero), iar pe ambele părți ale acestuia se formează maxime ale primei, al doilea, etc. .

Dacă lumina albă cade pe grătar, atunci maximul central este o dungă albă, pe ambele părți ale căreia se observă spectre de culori de ordine diferite.

Maximele se formează în condiția . La rezolvarea problemelor, pentru comoditate, pentru unghiuri mici () poate fi înlocuit cu .

Descompunerea luminii într-un spectru folosind o rețea de difracție sau o prismă este utilizată în analiza spectrală. Utilizând analiza spectrală, se determină compoziția chimică a unei substanțe (fiecare substanță chimică are propriul spectru, care nu coincide cu spectrul niciunui alt element chimic), temperatura substanței și viteza de mișcare a corpurilor.

Tipul spectrului de emisie	Ce tip are?	Ce dau corpurile
Solid	Dună solidă multicoloră; conține toate lungimile de undă dintr-un anumit interval.	Solide și lichide încălzite.
In dungi	Constă din benzi individuale care conțin un număr mare de linii spectrale apropiate, separate de spații întunecate.	Substanțe încălzite în stare moleculară gazoasă.
Guvernat	Este format din linii luminoase individuale separate de spații întunecate, adică conține doar anumite lungimi de undă.	Substanțe încălzite în stare atomică gazoasă.
Absorbție (poate fi solidă, dungi, căptușită).	Un spectru continuu contine linii intunecate (linii de absorbtie) Mai mult, atomii si moleculele unei substante date absorb lumina de aceleasi lungimi de unda pe care ei insisi sunt capabili sa o emita.	Se formează atunci când radiația trece printr-o substanță transparentă.

5) Polarizarea luminii posibil datorită faptului că lumina este o undă transversală. Lumina naturală este o undă în care oscilațiile vectoriale apar în planuri diferite; dacă oscilațiile vectoriale apar într-un anumit plan, atunci lumina este polarizată. Lumina poate fi polarizată, de exemplu, folosind un cristal de turmalină, care, datorită anizotropiei sale, transmite unde luminoase cu vibrații situate în același plan.

Ca urmare a studierii acestui capitol, studentul ar trebui: stiu

• concepte de undă și optică geometrică;
• conceptul de dualitate val-particulă;
• patru legi ale opticii geometrice;
• conceptul de interferență luminoasă, coerență, tren;
• principiul Huygens-Fresnel;
• calculul modelului de interferență a două surse;
• calculul interferenței în pelicule subțiri;
• principiile de compensare a opticii; a fi capabil să
• rezolvarea problemelor fizice aplicate tipice privind legile opticii geometrice și interferența luminii;

proprii

• abilități de utilizare a metodelor și modelelor standard de matematică în raport cu legile opticii geometrice și interferența luminii;
• abilități de utilizare a metodelor de geometrie analitică și algebrei vectoriale în raport cu legile opticii geometrice și interferența luminii;
• abilități în efectuarea de experimente fizice, precum și prelucrarea rezultatelor experimentale în conformitate cu legile opticii geometrice și interferența luminii.

Undă și optică geometrică. Legile opticii geometrice

Optica ondulata - o ramură a opticii care descrie propagarea luminii, ținând cont de natura sa electromagnetică undei. În cadrul opticii undelor, teoria lui Maxwell a făcut posibilă explicarea pur și simplu a unor fenomene optice precum interferența, difracția, polarizarea etc.

La sfârşitul secolului al XVII-lea. Două teorii ale luminii au luat forma: val(promovată de R. Hooke și H. Huygens) și corpuscular(a fost promovat de I. Newton). Teoria undelor percepe lumina ca un proces ondulatoriu, similar undelor mecanice elastice. Conform teoriei corpusculare (cuantice), lumina este un flux de particule (corpuscule) descrise de legile mecanicii. Astfel, reflexia luminii poate fi considerată similar cu reflexia unei mingi elastice dintr-un plan. Multă vreme, două teorii ale luminii au fost considerate alternative. Cu toate acestea, numeroase experimente au arătat că lumina prezintă proprietăți ondulatorii în unele experimente și proprietăți corpusculare în altele. Prin urmare, la începutul secolului al XX-lea. S-a recunoscut că lumina are în mod fundamental o natură dublă - are dualitate undă-particulă.

Dar înainte de a prezenta principiile de bază și rezultatele opticii undelor, să formulăm legile elementare ale opticii geometrice.

Optica geometrică- o ramură a opticii care studiază legile propagării luminii în medii transparente și regulile de construire a imaginilor când lumina trece prin sisteme optice fără a ține cont de proprietățile ei undei. În optica geometrică este introdus conceptul raza de lumina, determinarea direcţiei fluxului de energie radiantă. Se presupune că propagarea luminii nu depinde de dimensiunile transversale ale fasciculului de lumină. În conformitate cu legile opticii undelor, acest lucru este adevărat dacă dimensiunea transversală a fasciculului este mult mai mare decât lungimea de undă a luminii. Optica geometrică poate fi considerată un caz limitativ al opticii unde lungimea de undă a luminii tinde spre zero. Mai precis, limitele de aplicabilitate ale opticii geometrice vor fi determinate prin studierea difracției luminii.

Legile de bază ale opticii geometrice au fost descoperite experimental cu mult înainte ca natura fizică a luminii să fie descoperită. Să formulăm patru legea opticii geometrice.

• 1. Legea propagării rectilinie a luminii:Într-un mediu optic omogen, lumina se propagă rectiliniu. Această lege este confirmată de umbra ascuțită aruncată de un corp atunci când este iluminat de o sursă punctiformă de lumină. Un alt exemplu este atunci când lumina dintr-o sursă îndepărtată trece printr-o gaură mică pentru a produce un fascicul de lumină îngust și drept. În acest caz, este necesar ca dimensiunea găurii să fie mult mai mare decât lungimea de undă.
• 2. Legea independenței fasciculelor de lumină:Efectul produs de un singur fascicul de lumină este independent de alte fascicule. Astfel, iluminarea unei suprafețe pe care strălucesc mai multe fascicule este egală cu suma iluminării create de fasciculele individuale. Excepție fac efectele optice neliniare, care pot apărea la intensități mari de lumină.

Orez. 26.1

3.Legea reflexiei luminii:razele incidente și reflectate (precum şi perpendicular pe interfaţa dintre două medii, (planul de incidență) pe părțile opuse ale perpendicularei. Unghiul de reflexie la egal cu unghiul de incidență a(Fig. 26.1):

4. Legea refracției luminii:razele incidente și refractate (precum și perpendicular pe interfața dintre două medii, reconstruite în punctul de incidenţă al fasciculului) se află în acelaşi plan (planul de incidență) pe părțile opuse ale perpendicularei.

Raportul dintre sinusul unghiului de incidență a și sinusul unghiului de refracție R exista o cantitate, constantă pentru două medii date(Fig. 26.1):

Aici n este indicele de refracție al celui de-al doilea mediu față de primul.

Se numește indicele de refracție al unui mediu față de vid indicele absolut de refracție. Indicele de refracție relativ al două medii este egal cu raportul indicilor lor absoluti de refracție:

Legile reflexiei și refracției au o explicație în fizica undelor. Refracția este o consecință a modificărilor vitezei de propagare a undelor la trecerea dintr-un mediu în altul. Semnificația fizică a indicelui de refracție este raportul vitezei de propagare a undei în primul mediu v( la viteza de propagare în al doilea mediu v2:

Indicele de refracție absolut este egal cu raportul dintre viteza luminii Cuîn vid la viteza luminii v in mediu:

Se numește un mediu cu un indice de refracție absolut mare mediu optic mai dens. Când lumina trece de la un mediu optic mai dens la unul optic mai puțin dens, de exemplu din sticlă în aer ( n 2 poate avea loc fenomen de reflexie totală, adică dispariția razei refractate. Acest fenomen se observă la unghiuri de incidență care depășesc un anumit unghi critic apr, care se numește unghi limitator de reflexie internă totală. Pentru unghiul de incidenţă a = apr condiţia dispariţiei razei refractate este

Dacă al doilea mediu este aerul (p 2 ~ 1), apoi folosind formulele (26.2) și (26.3) este convenabil să scrieți formula pentru calcularea unghiului limitator al reflexiei interne totale sub forma

Unde n = n x> 1 - indicele absolut de refracție al primului mediu. Pentru interfața sticlă-aer (P= 1,5) unghi critic apr = 42°, pentru limita apă-aer (P= 1,33) și pr = 49°.

Cea mai interesantă aplicație a reflecției interne totale este crearea ghidaje luminoase cu fibre, care sunt fire subțiri (de la câțiva micrometri la câțiva milimetri) curbate arbitrar din material transparent optic (sticlă, cuarț, plastic). Lumina incidentă la capătul ghidajului de lumină poate călători de-a lungul acestuia pe distanțe lungi datorită reflexiei interne totale de pe suprafețele laterale. Ghidul luminii nu poate fi îndoit puternic, deoarece la îndoire puternică se încalcă condiția de reflexie internă totală (26.7) și lumina iese parțial din fibră prin suprafața laterală.

Rețineți că prima, a treia și a patra lege ale opticii geometrice pot fi derivate principiul lui Fermat(principiul timpului minim): traiectoria de propagare a unui fascicul luminos corespunde celui mai scurt timp de propagare.Și este ușor de arătat.

În concluzie, să ne uităm la una dintre problemele distractive din optica geometrică - crearea unui capac de invizibilitate. Din punct de vedere optic, un capac de invizibilitate ar putea fi un sistem pentru îndoirea razelor de lumină în jurul unui obiect.

Realizarea unui astfel de sistem folosind legea refracției luminii nu este, în principiu, dificilă; principala problemă este combaterea atenuării puternice a luminii în sistemul de refracție. Prin urmare, cea mai bună opțiune poate fi un sistem de înregistrare video a imaginii din spatele obiectului și un transmițător de televiziune a acestei imagini în fața obiectului.

Datorită lecțiilor anterioare, știm că lumina este o colecție de raze rectilinii care se propagă în spațiu într-un anumit fel. Cu toate acestea, pentru a explica proprietățile unor fenomene, nu putem folosi conceptele de optică geometrică, adică nu putem ignora proprietățile undei ale luminii. De exemplu, atunci când lumina soarelui trece printr-o prismă de sticlă, pe ecran apare o imagine cu benzi de culoare alternante (Fig. 1), care se numește spectru; o examinare atentă a balonului de săpun dezvăluie culoarea sa bizară (Fig. 2), schimbându-se constant în timp. Pentru a explica acestea și alte exemple similare, vom folosi o teorie care se bazează pe proprietățile undei ale luminii, adică pe optica undelor.

Orez. 1. Descompunerea luminii într-un spectru

Orez. 2. Balon de săpun

În această lecție ne vom uita la un fenomen numit interferență luminoasă. Cu ajutorul acestui fenomen, oamenii de știință din secolul al XIX-lea au demonstrat că lumina are o natură ondulatorie, nu una corpusculară.

Fenomenul de interferență este următorul: când două sau mai multe valuri se suprapun una peste alta în spațiu, apare un model stabil de distribuție a amplitudinii, în timp ce în unele puncte din spațiu amplitudinea rezultată este suma amplitudinilor undelor originale, în alte puncte din spațiu amplitudinea rezultată devine egal cu zero. În acest caz, trebuie impuse anumite restricții asupra frecvențelor și fazelor undelor inițial pliante.

Exemplu de adăugare a două unde luminoase

Creșterea sau scăderea amplitudinii depinde de diferența de fază cu care cele două unde de pliere ajung la un punct dat.

În fig. Figura 3 prezintă cazul adunării a două unde din surse punctuale și situate la distanță și față de punct M, în care se fac măsurători de amplitudine. Ambele valuri au la un punct Mîn cazul general, amplitudini diferite, deoarece înainte de a ajunge în acest punct parcurg căi diferite și fazele lor diferă.

Orez. 3. Adăugarea a două valuri

În fig. Figura 4 arată cum depinde amplitudinea rezultată a oscilației într-un punct M depinde de fazele în care sosesc cele două unde sinusoidale ale sale. Când crestele coincid, amplitudinea rezultată este maximizată. Când creasta coincide cu jgheabul, amplitudinea rezultată este resetata la zero. În cazurile intermediare, amplitudinea rezultată are o valoare între zero și suma amplitudinilor undelor de pliere (Fig. 4).

Orez. 4. Adăugarea a două unde sinusoidale

Valoarea maximă a amplitudinii rezultate va fi observată în cazul în care diferența de fază dintre cele două unde de adunare este zero. Același lucru trebuie observat atunci când diferența de fază este egală cu , deoarece aceasta este perioada funcției sinus (Fig. 5).

Orez. 5. Valoarea maximă a amplitudinii rezultate

Amplitudinea oscilațiilor la un punct dat maxim, dacă diferența dintre traseele celor două unde care excită oscilația în acest punct este egală cu un număr întreg de lungimi de undă sau un număr par de semi-unde (Fig. 6).

Orez. 6. Amplitudinea maximă a oscilațiilor într-un punct M

Amplitudinea oscilațiilor într-un punct dat este minimă dacă diferența dintre traseele celor două unde care excită oscilația în acest punct este egală cu un număr impar de semi-unde sau cu un număr semiîntreg de lungimi de undă (Fig. 7).

Orez. 7. Amplitudinea minimă a oscilațiilor într-un punct M

, Unde .

Interferență poate fi observată numai în cazul adăugării coerent valuri (Fig. 8).

Orez. 8. Interferență

Valuri coerente- acestea sunt unde care au aceleași frecvențe, diferență de fază care este constantă în timp la un punct dat (Fig. 9).

Orez. 9. Valuri coerente

Dacă undele nu sunt coerente, atunci la orice punct de observare sosesc două unde cu o diferență de fază aleatorie. Astfel, amplitudinea după adăugarea a două unde va fi, de asemenea, o variabilă aleatorie care se modifică în timp, iar experimentul va arăta absența unui model de interferență.

Valuri incoerente- sunt unde în care diferența de fază se modifică continuu (Fig. 10).

Orez. 10. Valuri incoerente

Există multe situații în care se poate observa interferența razelor de lumină. De exemplu, o pată de benzină într-o băltoacă (Fig. 11), un balon de săpun (Fig. 2).

Orez. 11. Pată de benzină într-o băltoacă

Exemplul cu bule de săpun se referă la cazul așa-numitei interferențe în pelicule subțiri. Omul de știință englez Thomas Young (Fig. 12) a fost primul care a venit cu ideea posibilității de a explica culorile peliculelor subțiri prin adăugarea de valuri, dintre care una este reflectată de suprafața exterioară a film, iar celălalt din interior.

Orez. 12. Thomas Young (1773-1829)

Rezultatul interferenței depinde de unghiul de incidență a luminii pe film, de grosimea acestuia și de lungimea de undă a luminii. Amplificarea va avea loc dacă unda refractată rămâne în urma undei reflectate cu un număr întreg de lungimi de undă. Dacă al doilea val rămâne în urmă cu o jumătate de undă sau cu un număr impar de semi-unde, atunci lumina se va slăbi (Fig. 13).

Orez. 13. Reflexia undelor de lumină de pe suprafețele filmului

Coerența undelor reflectate de pe suprafețele exterioare și interioare ale filmului se explică prin faptul că ambele aceste unde sunt părți ale aceleiași unde incidente.

Diferența de culori corespunde faptului că lumina poate consta din unde de diferite frecvențe (lungimi). Dacă lumina constă din unde cu aceleași frecvențe, atunci se numește monocromatic iar ochiul nostru îl percepe ca o singură culoare.

Lumină monocromatică(din greaca veche μόνος - unu, χρῶμα - culoare) - o undă electromagnetică cu o frecvență specifică și strict constantă din gama de frecvențe percepute direct de ochiul uman. Originea termenului se datorează faptului că diferențele de frecvență a undelor luminoase sunt percepute de oameni ca diferențe de culoare. Cu toate acestea, prin natura lor fizică, undele electromagnetice din domeniul vizibil nu diferă de undele din alte domenii (infraroșu, ultraviolete, raze X etc.), iar termenul „monocromatic” („o singură culoare”) este, de asemenea, utilizat. în raport cu ele, deși acestea nu au senzație de culoare nici valuri. Lumina constând din unde de diferite lungimi de undă se numește policromatice(lumina de la soare).

Astfel, dacă lumina monocromatică este incidentă pe o peliculă subțire, modelul de interferență va depinde de unghiul de incidență (la unele unghiuri undele se vor spori reciproc, în alte unghiuri se vor anula reciproc). Cu lumină policromatică, pentru a observa modelul de interferență, este convenabil să folosiți o peliculă de grosime variabilă, în care undele cu lungimi diferite vor interfera în puncte diferite și putem obține o imagine color (ca într-un balon de săpun).

Există dispozitive speciale - interferometre (Fig. 14, 15), cu care puteți măsura lungimi de undă, indici de refracție a diferitelor substanțe și alte caracteristici.

Orez. 14. Jamin interferometru

Orez. 15. interferometru Fizeau

De exemplu, în 1887, doi fizicieni americani, Michelson și Morley (Fig. 16), au proiectat un interferometru special (Fig. 17), cu care intenționau să demonstreze sau să infirme existența eterului. Acest experiment este unul dintre cele mai cunoscute experimente din fizică.

Orez. 17. Interferometrul stelar Michelson

Interferența este utilizată și în alte domenii ale activității umane (pentru a evalua calitatea tratamentului de suprafață, pentru a clarifica optica, pentru a obține acoperiri cu o mare reflectare).

Condiție

Două oglinzi translucide sunt situate paralele una cu cealaltă. O undă luminoasă de frecvență cade asupra lor perpendicular pe planul oglinzilor (Fig. 18). Care ar trebui să fie distanța minimă dintre oglinzi pentru a observa un minim de interferență de ordinul întâi a razelor care trec?

Orez. 18. Ilustrație pentru problema

Dat:

Găsi:

Soluţie

O rază va trece prin ambele oglinzi. Celălalt va trece prin prima oglindă, va fi reflectat de a doua și prima și va trece prin a doua. Diferența în calea acestor raze va fi de două ori distanța dintre oglinzi.

Numărul minim corespunde valorii unui număr întreg.

Lungimea de unda este:

unde este viteza luminii.

Să înlocuim valoarea și valoarea lungimii de undă în formula diferenței de cale:

Răspuns: .

Pentru a obține unde luminoase coerente folosind surse convenționale de lumină, se folosesc metode de divizare a frontului de undă. În acest caz, unda luminoasă emisă de orice sursă este împărțită în două sau mai multe părți, coerente între ele.

1. Obținerea undelor coerente prin metoda lui Young

Sursa de lumină este o fantă puternic iluminată, din care unda de lumină cade pe două fante înguste paralele cu fanta originală S(Fig. 19). Astfel, fantele servesc ca surse coerente. Pe ecranul din zonă B.C. se observă un model de interferență sub formă de dungi alternative luminoase și întunecate.

Orez. 19. Obținerea undelor coerente prin metoda lui Young

2. Obținerea undelor coerente folosind o biprismă Fresnel

Această biprismă este formată din două prisme dreptunghiulare identice cu un unghi de refracție foarte mic, pliate la bazele lor. Lumina de la sursă este refractată în ambele prisme, drept urmare razele se propagă în spatele prismei, parcă ar proveni din surse imaginare și (Fig. 20). Aceste surse sunt coerente. Astfel, pe ecranul din zonă B.C. se observă un model de interferenţă.

Orez. 20. Obținerea undelor coerente folosind o biprismă Fresnel

3. Obținerea undelor coerente folosind separarea lungimii căii optice

Două unde coerente sunt create de o singură sursă, dar căi geometrice diferite de lungime și trec pe ecran (Fig. 21). În acest caz, fiecare rază călătorește printr-un mediu cu propriul indice de refracție absolut. Diferența de fază dintre undele care sosesc într-un punct de pe ecran este egală cu următoarea valoare:

Unde și sunt lungimile de undă în medii ai căror indici de refracție sunt egali cu și respectiv.

Orez. 21. Obținerea undelor coerente folosind separarea lungimii căii optice

Se numește produsul dintre lungimea traseului geometric și indicele absolut de refracție al mediului lungimea căii optice.

,

– diferența optică în calea undelor interferente.

Folosind interferența, puteți evalua calitatea tratamentului de suprafață al unui produs cu o precizie a lungimii de undă. Pentru a face acest lucru, trebuie să creați un strat subțire de aer în formă de pană între suprafața probei și o placă de referință foarte netedă. Apoi, neregularitățile suprafeței de până la cm vor provoca o curbură vizibilă a franjurilor de interferență formate atunci când lumina este reflectată de pe suprafețele testate și de pe marginea inferioară (Fig. 22).

Orez. 22. Verificarea calitatii tratamentului de suprafata

O mulțime de echipamente fotografice moderne utilizează un număr mare de ochelari optici (obiective, prisme etc.). Trecând prin astfel de sisteme, fluxul de lumină experimentează reflexii multiple, ceea ce are un efect negativ asupra calității imaginii, deoarece o parte din energie se pierde în timpul reflexiei. Pentru a evita acest efect, este necesar să folosiți metode speciale, dintre care una este metoda de curățare a opticii.

Curățarea optică se bazează pe fenomenul de interferență. Pe suprafața sticlei optice, cum ar fi o lentilă, se aplică o peliculă subțire cu un indice de refracție mai mic decât indicele de refracție al sticlei.

În fig. Figura 23 arată traseul unui fascicul incident pe interfață la un unghi ușor. Pentru a simplifica, efectuăm toate calculele pentru un unghi egal cu zero.

Orez. 23. Acoperirea opticii

Diferența în calea undelor luminoase 1 și 2 reflectate de pe suprafețele superioare și inferioare ale filmului este egală cu de două ori grosimea filmului:

Lungimea de undă din film este mai mică decât lungimea de undă în vid n o singura data ( n- indicele de refracție al filmului):

Pentru ca undele 1 și 2 să se slăbească reciproc, diferența de cale trebuie să fie egală cu jumătate din lungimea de undă, adică:

Dacă amplitudinile ambelor unde reflectate sunt aceleași sau foarte apropiate una de cealaltă, atunci stingerea luminii va fi completă. Pentru a realiza acest lucru, indicele de refracție al filmului este selectat în mod corespunzător, deoarece intensitatea luminii reflectate este determinată de raportul indicilor de refracție ai celor două medii.

Unde este folosit fenomenul de interferență?

Care este condiția maximelor de interferență?

Două radiații coerente cu o diferență de cale optică de 1,2 µm ajung într-un anumit punct de pe ecran. Lungimea de undă a acestor raze în vid este de 600 nm. Determinați ce se va întâmpla în acest moment ca urmare a interferenței în trei cazuri: a) lumina se deplasează în aer; b) lumina vine în apă; c) lumina se deplasează prin sticlă cu un indice de refracție de 1,5.

Optica ondulată - o ramură a opticii care studiază agregatele
fenomene în care se manifestă natura ondulatorie a luminii.
Principiul lui Huygens - fiecare punct la care ajunge
valul servește ca centru al undelor secundare și învelișul acestora
valuri dă poziția frontului de undă în următorul
moment de timp (front de undă - locație geometrică
punctele până la care oscilaţiile ajung la momentul t).
Acest principiu stă la baza opticii ondulate.

Legea reflecției

O undă plană cade pe interfața dintre două medii
(front de undă - plan AB), propagare
pe direcția I.
Când frontul de undă ajunge la suprafața reflectorizante
în punctul A, acest punct va începe să emită o undă secundară.
Pentru ca un val să parcurgă distanța BC este necesară
timpul t = BC/v.

Legea reflecției

În același timp, frontul undei secundare va atinge punctele
emisferă a cărei rază AD este egală cu v t = BC.
Poziția frontului de undă reflectat în acest moment

planul DC și direcția de propagare a acestuia
unde - raza II. Din egalitatea triunghiurilor ABC și ADC
urmează legea reflexiei: unghiul de reflexie i1/ este egal cu unghiul
cade i1

Legea refracției

Undă plană (front de undă - plan AB),
propagandu-se in vid de-a lungul directiei I co
viteza luminii c, cade pe interfata cu mediul, in
a cărui viteză de propagare este egală cu v.
Dacă timpul necesar valului pentru a parcurge calea
BC este egal cu t, atunci BC = c t. În același timp, frontul de undă,
excitat de punctul A într-un mediu cu viteza v, va atinge
puncte ale unei emisfere a cărei rază AD = v t.

Legea refracției

În același timp, frontul de undă a fost excitat de punctul A din mediu
cu viteza v, va atinge punctele emisferei a căror rază AD =
v t. Poziția frontului de undă refractat în acest moment
este dat timpul în conformitate cu principiul lui Huygens
planul DC și direcția de propagare a acestuia - raza III.
Din figură rezultă că

Coerenţă

Coerența se numește corelație
(consecvența) mai multor oscilatori sau ondulatori
procese în timp, manifestate atunci când sunt adăugate.
Oscilațiile sunt coerente dacă diferența lor de fază este constantă pe tot parcursul
timp şi la adunarea oscilaţiilor se obţine oscilaţia
aceeasi frecventa.
Un exemplu clasic de două oscilații coerente este
două oscilații sinusoidale de aceeași frecvență.
Coerența valurilor înseamnă asta
în diferite puncte spațiale
apar unde de oscilație
sincron, adică diferența de fază
intre doua puncte nu depinde
din timp.

INTERFERENȚA LUMINII MONOCROMATICĂ

Interferența luminii este un caz special al unui fenomen general
interferența undelor, constând în spațială
redistribuirea energiei radiaţiilor luminoase în timpul
suprapunerea undelor electromagnetice coerente.

Unde luminoase monocromatice stivuibile
(vectori ai intensității câmpului electric al undelor E1 și
E2) în punctul de observație ele oscilează de-a lungul unuia
Drept.
Amplitudinea oscilației rezultate în
punctul în cauză.

Intensitatea undei rezultată
Intensitate în cazul modului comun
oscilații (fazele ph1 și ph2 sunt identice sau diferite
la un număr par)
Intensitate in caz de antifaza
oscilații (fazele ph1 și ph2 diferă printr-un număr impar)

Lungimea traseului optic între două puncte din mediu -
distanța până la care lumina (radiația optică)
s-ar răspândi în vid în timpul trecerii sale
intre aceste puncte
Diferența de cale optică - diferența dintre optice
lungimile traseelor ​​pe care parcurge lumina
Diferența de fază a două unde luminoase coerente ()
Relația dintre diferența de fază și diferența de cale optică
.

Condiții pentru maxime și minime de interferență

OBȚINEREA GRIZII COERENTE PRIN DIVIZIUNEA FRONTULUI DE UND

Metoda lui Young
Rolul surselor secundare coerente S1 și S2 este jucat de doi
fante înguste iluminate de o singură sursă cu unghi mic
dimensiunea, iar în experimentele ulterioare a fost trecută lumina
o fantă îngustă S, echidistant de
alte două fante. Se observă modelul de interferență
în zona de suprapunere a fasciculelor de lumină care emană de la S1 și S2.

oglinzi Fresnel
Lumina de la o sursă S cade într-un fascicul divergent în două
oglinzi plate A1O și A2O, situate una față de alta
prieten la un unghi doar puțin diferit de 180° (unghiul f
mic).
Sursa și imaginile sale S1 și S2 (distanța unghiulară dintre
sunt egale cu 2φ) se află pe același cerc de rază r c
centru la O (punctul de contact al oglinzilor).
Fasciculele de lumină, reflectate de oglinzi, formează două imaginare
imaginile sursă S1 și S2, care acționează ca
surse coerente (obținute prin împărțirea acelorași
front de val,
provenind din S).
Model de interferență
observate în zona reciprocă
suprapunerea fasciculelor reflectate
(ecranul E este protejat de direct
pătrunderea luminii de către obturator 3).

Biprismul Fresnel
Format din două baze identice pliate
prisme cu unghiuri de refracție mici. Lumina de la
sursa punctiformă S este refractă în ambele prisme, în
ca urmare, lumina se propagă în spatele biprismei
raze, parcă ar proveni din surse imaginare S1 și S2,
fiind coerent. În zona umbrită din imagine
zone - zone de intersecție a fronturilor refractate -
se observă un model de interferenţă.

Oglinda lui Lloyd
Sursa punctuală S este foarte apropiată
distanța până la suprafața unei oglinzi plate M, deci lumina
reflectată de oglindă într-un unghi apropiat de cel alunecant.
Sursele coerente sunt sursa primară S și
imaginea sa virtuală S1 în oglindă.

Model de interferență din două surse coerente

Două fante înguste S1 și S2 sunt situate aproape una de alta și
sunt surse coerente – reale sau
imagini imaginare ale sursei într-un fel de optică
sistem. Rezultatul interferenței este la un moment dat A
ecran paralel cu ambele fante și situat din
ei la distanța l(l > > d). Originea este selectată în punct
Oh, simetric față de fante.

Diferența de cale optică (vezi construcția și l > > d).
Intensitate maximă (se ia în considerare starea
interferență maximă).
Minime de intensitate (se ia în considerare condiția
interferență minimă).
Lățimea franjului de interferență (distanța dintre
două maxime (sau minime) adiacente).

Apariția maximelor și minimelor de interferență din punctul de vedere al teoriei undelor

OBȚINEREA GRIZII COERENTE PRIN DIVIȚIA AMPLITUDINII

Lumină monocromatică dintr-o sursă punctiformă S în cădere
pe o placă subțire transparentă plan-paralelă (vezi.
desen) este reflectată de două suprafețe ale acestei plăci:
sus și jos. În orice punct P situat cu acesta
pe aceeași parte a plăcii cu S, sosesc două raze, care
da un model de interferență. Pe record
are loc diviziunea în amplitudine, deoarece fronturile de undă sunt împărțite în
se păstrează, schimbând doar direcţia lor
miscarile.

Interferență de la o placă plan-paralelă
Razele 1 și 2 merg de la S la P (punctul P de pe ecran,
situat în planul focal al lentilei), generat
o raza incidenta si dupa reflectarea dinspre varf si
Suprafețele inferioare ale plăcii sunt paralele între ele.
Dacă diferența de cale optică între razele 1 și 2 este mică în
în comparație cu lungimea de coerență a undei incidente, atunci
sunt coerente, iar modelul de interferență
determinată de diferența de cale optică dintre
razele interferente.

Diferența de cale optică între interferență
raze de la punctul O la planul AB

Maxime de interferență
în lumina reflectată corespund
minime în trecere și
invers (diferență optică
mişcă pentru trecere şi
lumina reflectata
diferă cu 0/2).

Interferență de la o placă de grosime variabilă
Pe pană (unghiul a dintre fețele laterale
mic) o undă plană cade (lasă direcția ei
propagarea coincide cu razele paralele 1 și 2).
La o anumită poziție relativă a panei și a lentilei
razele 1" și 1", reflectate de sus și de jos
suprafețele penei se intersectează la un punct A,
care este imaginea punctului B. Deoarece razele 1" și 1"
sunt coerente, atunci
ei vor
interfera.

Grinzi 2" și 2", formate prin grinda divizoare 2,
a unei pane care cade în alt punct sunt colectate de o lentilă într-un punct
A". Diferența de cale optică este deja determinată de grosime
d". Un sistem de franjuri de interferenţă apare pe ecran.
Dacă sursa este situată departe de suprafața panei și
unghiul a este neglijabil, atunci diferența de cale optică între
fasciculele interferente se calculează destul de precis
conform formulei pentru o placă plan-paralelă
comun

inelele lui Newton
Observat când lumina este reflectată dintr-un spațiu de aer,
format dintr-o placă plan-paralelă şi
o lentilă plan-convexă în contact cu aceasta
cu o rază mare de curbură.
Un fascicul paralel de lumină cade pe o suprafață plană
lentilele sunt ok; benzi de grosime egală arată ca
cercuri concentrice.

UNELE APLICAȚII ALE INTERFERENȚEI

Acoperire optică
Aceasta este reducerea la minimum a coeficienților de reflexie
suprafețele sistemelor optice prin aplicarea acestora
filme transparente, a căror grosime este proporțională cu lungimea
unde de radiație optică.
Grosimea filmului d și indicele de refracție
filmele (n) şi ochelarii (nc) sunt selectate astfel încât
interferând
grinzi de 1" și 2"
stins unul pe altul.

INTERFEROMETRE

Instrumente optice care pot fi utilizate
împărțiți spațial un fascicul de lumină în două sau mai multe
numărul de fascicule coerente și creați între ele
o anumită diferență de cursă. Adunând aceste pachete împreună,
se observă interferență.

Difracția luminii

Difracția luminii este un set de fenomene observate când
propagarea luminii prin găuri mici, în apropiere
limitele corpurilor opace etc. şi cauzate de val
natura luminii.
Fenomenul de difracție, comun tuturor proceselor ondulatorii,
are caracteristici speciale pentru lumină, și anume aici, de regulă,
lungimea de undă este mult mai mică decât dimensiunile d ale barierelor (sau
găuri).
Prin urmare, priviți
difracția este posibilă
suficient
distante mari de la mine
obstacole (I > d2/).

Principiul Huygens-Fresnel
O undă luminoasă excitată de o sursă S poate fi
prezentată ca rezultat al unei suprapuneri de coerente
unde secundare „emise” de surse fictive.

Principiul Huygens-Fresnel

Difracția Fraunhofer

Zone Fresnel

Plăci de zonă

În cel mai simplu caz, plăci de sticlă, pe
a cărei suprafață se aplică după principiul amplasării
Zone Fresnel alternând transparente și opace
inele cu raze determinate pentru valori date
a, b și expresie

Dacă plasezi o zonă
înregistrarea în strictă
un anumit loc (la
distanta a de punct
sursa si la o distanta b de
puncte de observare pe linie,
legând aceste două puncte), atunci
este pentru lungimea de undă a luminii
va bloca zonele pare și
le va lăsa libere pe cele ciudate,
începând de la cea centrală.
Ca urmare, rezultatul
amplitudine A = A1 + A3 + A5 + ...
ar trebui să fie mai mare decât
val complet deschis
față. Experiența le confirmă
concluzii: placa de zona
crește iluminarea,
acţionând ca o adunare
obiectiv.

DIFRACȚIA FRESNEL

Difracția Fresnel (difracția în raze convergente)
Se referă la cazul în care cade un obstacol
undă sferică sau plană și modelul de difracție
observate pe ecranul situat în spatele obstacolului pe
distanta finita de el.

Difracția printr-o gaură circulară

Există un ecran cu o gaură rotundă.
Modelul de difracție este observat în punctul B al ecranului E,
situată pe linia care leagă S de centrul găurii.
Ecranul este paralel cu gaura.

Analiza rezultatelor. Tipul modelului de difracție depinde de
numărul de zone Fresnel care se potrivesc pe partea deschisă a valului
suprafata in planul gaurii. Amplitudinea rezultatului
oscilații excitate în punctul B de toate zonele
(semnul plus corespunde cu m impar, semnul minus cu m par).
Dacă gaura deschide un număr par de zone Fresnel, atunci în punctul B
există un minim, dacă este impar, atunci un maxim. Cel mai puţin
intensitatea corespunde două zone Fresnel deschise,
maxim - o zonă Fresnel.

Difracția printr-un disc circular

Pe calea unei unde sferice de la o sursă punctiformă S
există un disc rotund opac. Difracţie
imaginea este observată în punctul B al ecranului E, întins pe linie
conectând S la centrul discului. Ecranul este paralel cu discul.

Analiza rezultatelor. Secțiunea formei de undă acoperită de disc
frontul trebuie exclus din luare în considerare și zona Fresnel
construiți pornind de la marginile discului.
Dacă discul acoperă m zone Fresnel, atunci amplitudinea
oscilația rezultată în punctul B este egală cu
adică egală cu jumătate din amplitudinea datorată primei
zona Fresnel deschisă. Prin urmare, la punctul B există întotdeauna
există un maxim - un punct luminos numit
Punctul lui Poisson, a cărui luminozitate crește odată cu creșterea dimensiunii
discul scade.

DIFRACȚIA FRAUNHOFER (DIFRACȚIA CU RAZE PARALELE)

Se referă la cazul în care sursa de lumină și punctul
observațiile sunt infinit de departe de obstacol,
provocând difracție. În practică, acest lucru este suficient
plasați o sursă de lumină punctuală în punctul focal al lentilei convergente
lentile și examinați modelul de difracție în focală
planul celei de-a doua lentile colectoare instalat în spate
obstacol.

Difracția Fraunhofer printr-o fantă

normală cu planul fantei cu lățimea a.
Faze paralele de raze care ies dintr-o fantă
direcție arbitrară φ (φ - unghi
difracție), sunt colectate de o lentilă în punctul B.

Construirea zonelor Fresnel

Partea deschisă a suprafeței undei MN în planul slotului
împărțit în zone Fresnel, care arată ca dungi,
paralelă cu muchia M și desenată astfel încât diferența
distanța de la punctele lor respective a fost egală cu /2.
Diferența de cale optică între fasciculele exterioare MN și
N.D.
Numărul de zone Fresnel care se încadrează în lățimea fantei.
Condiție pentru minimul de difracție în punctul B
(numărul de zone Fresnel este par).
Condiție pentru maximul de difracție în punctul B
(numărul de zone Fresnel este impar).

Spectrul de difracție

Dependența distribuției intensității pe ecran de unghi
difracţie. Cea mai mare parte a energiei luminoase este concentrată în
maxim central. Cu creșterea unghiului de difracție
intensitatea maximelor laterale scade brusc
(intensitatea relativă a maximelor
I0:I1:I2: ... = 1: 0,047: 0,017: ...).
Când este iluminat cu lumină albă, maximul central are
aspectul unei dungi albe (este comun pentru toate lungimile de unda), lateral
înaltele sunt de culoarea curcubeului.

Efectul lățimii fantei asupra modelului de difracție

Cu descrestere
lățimea slotului
central
se extinde maxim
(vezi figura a), c
mărind lățimea
fisuri (a >)
difracţie
dungile devin din ce în ce mai înguste
și mai luminos (vezi figura b).

Difracție cu dublă fantă

Undă luminoasă monocromatică plană incidentă
în mod normal la un ecran cu două fante identice (MN și
CD) de lățime a, distanțate la o distanță b;
(a + b) = d.

Model de difracție la două fante

între cele două maxime principale există un suplimentar
minim, iar maximele devin mai înguste decât în ​​cazul unuia
fisuri.

Rețeaua de difracție

Rețeaua de difracție unidimensională
Un sistem de fante (linii) paralele de grosime egală,
situate în același plan și separate de egal
latime cu intervale opace.
Constanta (perioada) a rețelei de difracție
Lățimea totală a fantei a și golul opac b
între crăpături.

Model de difracție pe o rețea

Rezultatul interferenței reciproce a undelor venite din toate
fante, adică apare interferență cu mai multe fascicule
fascicule coerente difractate de lumină care vin din toate
fisuri.

Cu cât numărul de sloturi este mai mare
rețeaua de difracție, cu atât mai mult
energia luminoasă va trece prin
zăbrele, cu atât mai multe minime
format între principalele adiacente
maxime, adică maximele vor fi
mai intensă și mai ascuțită.
Ordinea maximă a spectrului,
dat de rețeaua de difracție

GRILĂ SPAȚIALĂ. DIFRACȚIE CU RAZE X

Formaţiuni spaţiale în care elemente
structurile sunt asemănătoare ca formă, au geometric
poziția corectă și repetată periodic,
precum și dimensiuni proporționale cu lungimea de undă
radiatie electromagnetica.
Cu alte cuvinte, astfel de formațiuni spațiale
trebuie să aibă periodicitate între trei, nu să se afle într-unul
direcțiile avionului. Ca spațial
cristalele pot fi folosite în zăbrele.
Distanța dintre atomi dintr-un cristal (10-10 m) este astfel încât
Pe ele se poate observa difracția de raze X
radiatii (10-12-10-8 m), deoarece pentru observare
modelul de difracție necesită comensurabilitate
constantă a rețelei cu lungimea de undă a radiației incidente.

Difracția de raze X de către un cristal

Un fascicul de radiații de raze X monocromatice (at
Figura prezintă razele paralele 1 și 2) care cad
suprafața cristalului la un unghi de alunecare (unghiul dintre
fascicul incident și plan cristalografic) și
excită atomii rețelei cristaline, care
devin surse de unde secundare coerente 1" și 2",
interferând unul cu celălalt. Rezultatul interferenței
undele este determinată de diferența lor de cale 2d sin (vezi figura).

Formula Wolfe-Bragg

Maximele de difracție se observă în acelea
direcţii în care toate se reflectau atomice
plane, undele sunt în aceeași fază (în
direcții determinate de formula Wulff-Bragg)
.

REZOLUȚIA DISPOZITIVELOR OPTICE

Datorită faptului că lumina are o natură ondulatorie,
creat de un sistem optic (chiar și unul ideal!)
imaginea unei surse punctuale nu este un punct, dar
este un punct luminos inconjurat
alternarea inelelor întunecate și deschise (în cazul
lumină monocromatică) sau inele curcubeu (in
cazul luminii albe).
Prin urmare, un fenomen fundamental ireductibil
difracția stabilește limita rezoluției posibile
abilități ale instrumentelor optice – abilități
instrumentele optice oferă o imagine separată a două
puncte ale unui obiect care sunt apropiate unele de altele.

criteriul Rayleigh

Imagini cu două puncte identice din apropiere
surse sau două linii spectrale din apropiere cu
intensități egale și egale simetrice
contururile sunt rezolvabile (separate pentru percepţie) dacă
maximul central al modelului de difracție de la unu
sursa (linia) coincide cu primul minim
model de difracție de la altul.

GRÂRUL DE DIFRACȚIE CA DISPOZITIV SPECTRAL

Poziția maximelor principale în rețeaua de difracție
depinde de lungimea de unda:
Prin urmare, la trecerea luminii albe printr-un grătar, totul
maximele, cu excepția celui central (m = 0), se vor descompune în
spectru, a cărui regiune violetă va fi îndreptată
spre centrul modelului de difracție, roșu - spre exterior.
Această proprietate este folosită pentru a studia spectrul
compoziția luminii (determinarea lungimilor de undă și a intensităților
toate componentele monocromatice), adică difracția
rețeaua poate fi folosită ca spectral
dispozitiv.

Caracteristicile rețelei de difracție

Dispersia unghiulară caracterizează gradul de alungire
spectrul în regiunea apropiată de o lungime de undă dată
Rezoluţie

Dispersia luminii

Dependența vitezei de fază a luminii într-un mediu de frecvența acestuia.
Deoarece v = c/n, atunci indicele de refracție al mediului
se dovedește a depinde de frecvență (lungimea de undă).

Dispersia indicelui de refracție arată cât de repede
Indicele de refracție n se modifică cu lungimea de undă.

Prisma ca dispozitiv spectral

Unghiul de deviere al fasciculului prin prismă
n este o funcție a lungimii de undă, deci razele au lungimi de undă diferite
după trecerea prin prismă, acestea vor fi deviate de
unghiuri diferite, adică fasciculul de lumină albă din spatele prismei este descompus
în spectru (spectru prismatic)

Diferențele de difracție și spectre prismatice

Rețeaua de difracție
Prismă
Descompune lumina incidentă
direct prin lungime
valuri, deci conform celor măsurate
unghiuri (în direcții
maxime) este posibilă
calculați lungimea de undă.
Razele roșii sunt deviate
mai puternic decât violetul
(razele roșii au
lungime de undă mai mare decât
Violet.
Descompune lumina incidentă în
valorile indicatorului
refractie, deci este necesar
cunoaște dependența
refractia betonului
substanţe în funcţie de lungimea de undă
Razele roșii sunt deviate
mai slab decât violetul
cat pentru razele rosii
indicele de refracție
Mai puțin.

Curbele de dispersie

Formula de dispersie (fără a lua în considerare atenuarea pt
vibrațiile unui electron optic)

Formula de dispersie (fara a se tine cont de atenuare) pt
vibraţiile mai multor electroni optici

ABSORBȚIA (ABORȚIA) LUMINII

Fenomenul de scădere a energiei unei unde luminoase atunci când aceasta
distribuţie într-o substanţă datorită transformării
energia valurilor în alte tipuri de energie.

Legea Bouguer-Lambert

DIFUZIA LUMINII

Acesta este procesul de transformare a luminii în materie,
însoţită de o schimbare de direcţie
propagarea luminii și apariția improprii
strălucirea materiei.
Difuzarea luminii în medii tulburi și curate
Efectul Tyndall
Difuzarea moleculară

legea lui Rayleigh

Intensitatea luminii împrăștiate este invers proporțională
a patra putere a lungimii de undă a luminii excitante.
Legea descrie efectul Tyndall și împrăștierea moleculară.
Conform legii lui Rayleigh, intensitatea luminii împrăștiate este inversă
proporțional cu a patra putere a lungimii de undă, deci albastru
iar razele albastre sunt împrăștiate mai puternic decât cele galbene și roșii,
provocând culoarea albastră a cerului. Din același motiv, lumina
a trecut printr-o grosime semnificativă a atmosferei, se pare
îmbogățit cu lungimi de undă mai mari (partea albastru-violet
spectrul este complet împrăștiat) și, prin urmare, la apus și răsărit
Soarele pare roșu.
Fluctuațiile de densitate și intensitatea împrăștierii luminii
crește odată cu creșterea temperaturii. Prin urmare, într-o vară senină
zi culoarea cerului este mai saturată în comparație cu aceasta
într-o zi de iarnă.

RADIAȚIA VAVILOV-CHERENKOV

Emisia de lumină de către particulele încărcate provenite din
când se deplasează într-un mediu cu viteză constantă V,
depășirea vitezei de fază în acest mediu, adică la
condiție
(n este indicele de refracție).
Observat pentru toate transparente
lichide, gaze și solide.

Justificarea posibilității existenței radiației Vavilov-Cherenkov

Justificarea oportunității
existența radiației Vavilov
Cherenkova
Conform teoriei electromagnetice, o particulă încărcată,
de exemplu, un electron emite unde electromagnetice
numai în timpul mișcării accelerate.
Tamm și Frank au arătat că acest lucru este adevărat doar până când
până când viteza V a particulei încărcate nu depășește
viteza de fază v = c/n a undelor electromagnetice în mediu, în
pe care se mișcă particula.
Potrivit lui Tamm și Frank, dacă viteza unui electron care se deplasează înăuntru
mediu transparent, depășește viteza de fază a luminii în
mediu dat, electronul emite lumină.
Radiația nu se deplasează în toate direcțiile, dar
numai pe cele care fac un unghi ascutit cu
traiectoria particulei (de-a lungul generatricelor conului, axa
care coincide cu direcţia vitezei particulelor).

Un electron se deplasează într-un mediu cu o viteză V > v = c/n de-a lungul
traiectoria AE (vezi figura).
Fiecare punct (de exemplu, punctele A, B, C, D) al traiectoriei ABC
a unei particule încărcate într-un mediu optic izotrop este
sursa unei unde sferice care se propagă cu
viteza v = s/n.
Orice punct ulterior este excitat târziu,
prin urmare razele undelor sferice sunt succesiv
sunt în scădere. Conform principiului lui Huygens, ca urmare
interferența acestor unde elementare
se stinge unii pe alții peste tot, cu excepția
suprafața învelișului lor
(suprafața valului)
cu vârful în punctul E, unde la un dat
momentul în care se află electronul.

Justificarea direcției radiației Vavilov-Cherenkov folosind principiul Huygens

Dacă, de exemplu, în 1 s electronul a parcurs calea AE, atunci lumina
în acest timp valul a trecut pe calea AA”.
În consecință, segmentele AE și AA" sunt, respectiv, egale cu V și v
= s/n.
Triunghi AA"E - dreptunghiular cu unghi drept y
vârfurile A". Apoi
Sferele se intersectează numai când
o particulă încărcată se mișcă mai repede
decât cele ușoare
undele și apoi suprafața undelor lor
este un con cu vârf
în punctul în care se află în prezent
electron.

Efect Doppler pentru unde electromagnetice în vid

0 și respectiv - frecvențele undelor luminoase emise
sursă și percepută de receptor; v - viteza
sursa de lumină în raport cu receptorul; - unghi între
vectorul viteză v și direcția de observație,
măsurată într-un cadru de referință asociat cu observatorul;
c - viteza de propagare a luminii în vid

Efectul Doppler longitudinal

Efectul Doppler transversal

Polarizarea luminii

Un ansamblu de fenomene de optică ondulatorie în care
se manifestă transversalitatea luminii electromagnetice
unde (conform teoriei lui Maxwell, unde luminoase
transversal: vectori de intensitate electrică E
iar câmpurile magnetice H ale undei luminoase sunt reciproce
perpendicular și oscilează perpendicular
vectorul viteză v al propagării undei
(perpendicular pe fascicul)). Deoarece
pentru polarizare este suficient să studiem comportamentul
doar unul dintre ele, anume vectorul E, care
numit vector luminos.

Lumina polarizata
Lumină în care direcțiile de oscilație ale vectorului luminos
comandat cumva.
Lumina naturala
Lumină cu toate direcțiile posibile la fel de probabile
oscilații ale vectorului E (și deci H).
Lumină parțial polarizată
Lumină cu predominant (dar nu exclusiv!)
direcția oscilațiilor vectorului E.

Lumină polarizată în plan (polarizat liniar).
Lumină în care vectorul E (și deci H) oscilează
numai într-o direcție perpendiculară pe fascicul.
Lumină polarizată eliptic
Lumină pentru care vectorul E se modifică în timp deci
că capătul său descrie o elipsă aflată într-un plan,
perpendicular pe fascicul.
Lumina polarizată eliptic este cel mai comun tip
lumina polarizata.

Producerea de lumină cu polarizare plană

Produs prin trecerea luminii naturale prin polarizatoare
P, care sunt utilizate ca medii care sunt anizotrope în
în raport cu oscilațiile vectorului E (de exemplu, cristale, în
în special turmalina). Polarizatoarele transmit vibrații
paralel cu planul principal al polarizatorului și
inhiba total sau parțial vibrațiile,
perpendicular pe acesta.

legea lui Malus

Intensitatea luminii care trece succesiv
polarizator și analizor, proporțional cu pătratul
cosinus al unghiului dintre planurile lor principale.

Trecerea luminii naturale prin două polarizatoare

Intensitatea luminii polarizate plan eliberată
de la primul polarizator
Intensitatea luminii care trece prin al doilea polarizator
Intensitatea luminii care trece prin două polarizatoare
Gradul de polarizare

POLARIZAREA LUMINII ÎN TIMPUL REFLECȚIEI ȘI REFRACȚIEI

Fenomenul de polarizare a luminii
Izolarea undelor luminoase cu direcții specifice
oscilaţii ale vectorului electric – observate când
reflectarea și refracția luminii la limita transparentului
dielectrici izotropi.

Reflexia și refracția luminii la interfață

Dacă unghiul de incidență a luminii naturale pe interfață,
de exemplu aerul și sticla, este diferit de zero, apoi reflectat
iar razele refractate sunt parțial polarizate.
Fasciculul reflectat este dominat de vibrații,
perpendicular pe planul de incidență (în figură sunt
indicat prin puncte), în fasciculul refractat - vibrații,
planuri paralele de incidenţă
(în figură aceste vibrații
indicat prin săgeți).
Gradul de polarizare
depinde de unghiul de incidență.

Legea lui Brewster

La unghiul de incidență a luminii naturale la graniță
dielectrici izotropi transparente, egali cu unghiul
Brewster iB, determinat de relația
fasciculul reflectat este complet polarizat (conține numai
vibrații perpendiculare pe planul de incidență),
fasciculul refractat este polarizat maxim, dar nu
complet.

Incidența luminii naturale la unghiul lui Brewster

Când lumina naturală cade la unghiul lui Brewster iB
razele reflectate și refractate reciproc
perpendicular.

POLARIZARE CU REFRINGENT DUBLA

Birefringență - capacitatea de anizotrop
substanțele împart fasciculul de lumină incidentă în două raze,
răspândirea în direcții diferite cu diferite
viteza de fază și polarizate reciproc

Cristale uniaxiale și biaxiale

Anizotropia substanțelor - dependență de proprietăți fizice
substante din directie.
Axa optică a cristalului - direcția în optică
cristal anizotrop prin care se propaga
o raza de lumina fara a suferi dubla refractie.
Cristale uniaxiale și biaxiale - cristale cu unul
sau două direcții de-a lungul cărora nu există
birefringenta.
Planul principal al unui cristal uniaxial este planul
trecând prin direcția fasciculului de lumină și optică
axa cristalului.

Birefringență în spatele Islandei (cristal uniaxial)

Când un fascicul de lumină îngust cade pe un suficient de gros
cristal, din el ies două separate spațial
grinzi paralele între ele - obișnuite (o) și
extraordinar (e).

Birefringență într-un cristal uniaxial la incidența normală a luminii

Dacă fasciculul primar incide în mod normal pe cristal, atunci
oricum, fasciculul refractat este împărțit în două: unul dintre
ele este o continuare a primarului – obișnuit
raza (o), iar a doua este deviată - o rază extraordinară (e). ambele raze E sunt complet polarizate reciproc
direcții perpendiculare.

Pe marginea unui cristal tăiat sub formă de farfurie,
Lumina polarizată în plan cade normal.
Raza extraordinară (e) din cristal este deviată și iese
din acesta paralel cu fasciculul obișnuit (o). Ambele grinzi aprinse
ecranul E este indicat prin cercuri luminoase o și e (vezi figura a).
Dacă cristalul este rotit în jurul unei axe care coincide cu
direcția razei O, apoi cercul O va rămâne pe ecran
nemișcat, iar e-cercul se mișcă în jurul lui
cerc.

Raze obișnuite și extraordinare cu birefringență

Luminozitatea ambelor cercuri se schimbă. Dacă raza O ajunge
luminozitate maximă, apoi razele electronice „dispare” și invers.
Suma luminozităților ambelor raze rămâne constantă. Astfel, dacă
Razele e și o se suprapun (vezi Figura b), apoi în timpul rotației
cristal, luminozitatea fiecăruia dintre cercuri se schimbă și zona
tavanul este la fel de luminos tot timpul.

Suprafața undelor sferice

Oscilații ale vectorului E în orice direcție
fascicul obișnuit perpendicular pe axa optică
cristal (direcția lui este dată de linia punctată), astfel încât fasciculul se propagă în cristal în toate direcțiile cu
cu aceeași viteză v0 = c/n0.
Să presupunem că în punctul S al cristalului o sursă punctuală
lumina emite o undă de lumină, o-ray în cristal
se propaga cu viteza v0 = const, deci unda
suprafața unui fascicul obișnuit este o sferă.

Suprafața undelor elipsoidale

Pentru o rază E, unghiul dintre direcția de oscilație a vectorului E și
axa optică este diferită de cea directă și depinde de
direcția fasciculului, astfel încât razele E se propagă în
cristal în direcții diferite la viteze diferite
ve = c/ne. Dacă în punctul S emite o sursă punctiformă
unda de lumină, apoi raza E din cristal se propagă cu
viteza ve const, și deci suprafața undei
rază extraordinară – elipsoid. De-a lungul axei optice
v0 = ve; cea mai mare discrepanță în viteze este în
direcţie,
perpendicular
axa optică.

Cristal pozitiv

Cristal negativ

O undă plană este incidentă în mod normal pe fața de refracție
cristal uniaxial pozitiv (axa optică OO"
face un unghi cu el).
Să construim unde sferice cu centre în punctele A și B
suprafețe corespunzătoare unui fascicul obișnuit și
elipsoidal - la un fascicul extraordinar.
Într-un punct întins pe OO”, aceste suprafețe se ating.

Direcția razelor O și E într-un cristal conform principiului lui Huygens

Conform principiului lui Huygens, o suprafață tangentă la
sfere, va fi frontul (a-a) al unui val obișnuit și
suprafață tangentă la elipsoide - față (b-b)
val extraordinar.
Desenând linii drepte la punctele tangente, obținem direcțiile
repartizarea ordinară (o) și extraordinară (e)
razele. După cum reiese din figură, raza O va merge de-a lungul
direcția inițială, iar raza electronică se abate de la
direcția inițială.

POLARIZATORI

Dispozitive de achiziție, detecție și analiză
lumina polarizata, precum si pentru cercetare si
măsurători bazate pe fenomenul de polarizare. Al lor
reprezentanții tipici sunt polarizarea
prisme și polaroide.
Prismele polarizante sunt împărțite în două clase:
dând un fascicul de raze polarizat plan -
prisme polarizante cu un singur fascicul;
producând două fascicule de raze polarizate reciproc
perpendicular pe planuri, - cu două fascicule
prisme polarizante.

Islanda spate prisma dubla lipita pe lungime
liniile AB cu balsam de Canada cu n = 1,55.
Axa optică OO" a prismei este aliniată cu fața de intrare
unghi 48°. Pe marginea frontală a prismei există un fascicul natural,
paralel cu muchia NE, se bifurcă în două raze:
ordinară (n0 = 1,66) și extraordinară (ne = 1,51).

Prismă de polarizare cu un singur fascicul (prismă Nicol sau nicol)

Cu selecția corespunzătoare a unghiului de incidență egal cu sau
mai mare decât limita, raza O experimentează o reflexie totală și
apoi absorbit de suprafaţa înnegrită a SW. e-Beam
iese din cristal paralel cu fasciculul incident,
ușor deplasat în raport cu acesta (datorită
refracţia pe feţele AC şi BD).

Prismă de polarizare cu fascicul dublu (Spar Islanda și prismă de sticlă)

Diferența de indici de refracție ai razelor o și e este folosită pentru a le separa cât mai departe unul de celălalt.
O rază obișnuită este refractată de două ori și puternic
respins. Raza extraordinară cu corespunzătoare
selectarea indicelui de refracție al sticlei n (n = ne) trece
prismă fără abatere.

Cristale de turmalina

Polarizatoare a căror acțiune se bazează pe fenomen
dicroism - absorbția selectivă a luminii în
în funcţie de direcţia oscilaţiilor electrice
vector unde luminoase.

Polaroiduri

Filme pe care, de exemplu, sunt aplicate cristale
herapatită - o substanță birefringentă cu un puternic
dicroism pronunțat în regiunea vizibilă. aplica
pentru a produce lumină cu polarizare plană.
Deci, cu o grosime de 0,1 mm, un astfel de film este complet
absoarbe razele obișnuite din spectrul vizibil,
fiind un bun polarizator in strat subtire
(analizor).

Un fascicul de lumină naturală care trece printr-un polarizator
P și devine plan-polarizat la ieșire, normal
cade pe o placă de cristal de grosimea d,
tăiat dintr-un cristal negativ uniaxial
paralel cu axa sa optică OO". În interiorul plăcii ea
împărțit în ordinare (o) și extraordinare (e)
razele care se răspândesc
într-o singură direcție
(perpendicular
axa optică),
dar cu diferite
viteze.

Produce lumină polarizată eliptic

Oscilațiile vectorului E în raza E au loc de-a lungul opticei
axa cristalului, iar în raza O - perpendicular pe optic
topoare.
Fie vectorul electric E care părăsește polarizatorul
fasciculul polarizat plan este aliniat cu axa optică
OO" unghi de cristal a.
Valorile de amplitudine ale vectorilor electrici în
raze obișnuite (Eo1) și extraordinare (Ee1):

Produce lumină polarizată eliptic

Diferența optică în calea razelor o și e care trec prin cristalin
placa de grosime d.
Diferența de fază dintre oscilațiile razelor o și e la ieșirea din placă.
Valorile de amplitudine ale vectorilor electrici E și Eo în raze e și o,
trecut prin placa de cristal.
Traiectoria vibrației rezultate atunci când se adună
vibratii perpendiculare cu amplitudini si diferente de faza diferite
(t a fost exclus din cele două ecuații anterioare)

Trecerea luminii polarizate plan printr-o placă

ANALIZA LUMINII POLARIZATE

Lumină polarizată avioană
Când rotiți analizorul (A) în jurul direcției fasciculului
intensitatea luminii se modifică, iar dacă la unele
poziția A lumina este complet stinsă, apoi lumina -
plan polarizat.

analizor, intensitatea luminii transmise nu este
schimbări.

Lumină polarizată circular
În lumina polarizată circular, diferența de fază φ între
oricare două oscilații reciproc perpendiculare este egală cu
± /2. Dacă plasați o placă „/4” în calea acestei lumini, atunci
va introduce o diferență de fază suplimentară ± /2. Rezultat
diferența de fază va fi 0 sau.
Apoi lumina care iese din placă este polarizată plană și
poate fi stins prin rotirea analizorului.
Dacă lumina incidentă este naturală, atunci când se rotește
analizor în orice poziție a plăcii „/4”.
intensitatea nu se modifică. Dacă nu se realizează dispariția completă, atunci
lumina incidenta - un amestec de natural si circular
polarizat.

Lumină polarizată eliptic
Dacă vă plasați pe calea luminii polarizate eliptic
placa „/4”, a cărei axă optică este orientată
paralel cu una dintre axele elipsei, atunci se va introduce
diferență de fază suplimentară ± /2. Rezultat
diferența de fază va fi 0 sau. Apoi la ieșirea din înregistrare
lumina este polarizată plană și poate fi stinsă
rotind analizorul.
Dacă lumina incidentă este parțial polarizată, atunci când
rotirea analizorului în orice poziţie a plăcii
intensitatea variază de la
minim până la maxim,
dar dispariția completă nu poate fi realizată.

INTERFERENȚA LUMINII POLARIZATE

S-a dovedit experimental că razele coerente,
polarizate în două reciproc perpendiculare
avioane, nu interveniți. Interferență
observate numai atunci când fluctuaţiile în
razele care interacționează apar de-a lungul uneia
directii. Prin urmare, obișnuit și extraordinar
raze care ies din placa de cristal, desi
sunt coerente și între ele apare o diferență
faze, în funcție de distanța parcursă de aceștia
placa, nu pot interveni, deoarece ei
polarizate în planuri reciproc perpendiculare.
Pentru a observa interferența polarizată
raze, este necesar să se selecteze din ambele raze componentele cu
direcții identice de vibrație.

Izolarea componentelor cu aceleași direcții de vibrație

Placă de cristal tăiată din uniaxial
cristal paralel cu axa optică OO”, este plasat
între polarizator P şi analizor A. Paralel
fasciculul de lumină la ieșirea din P se transformă în
plan polarizat.
Într-o placă cristalină, razele O și E se propagă în interior
direcția căderii, dar cu viteze diferite.
Analizorul A transmite vibrații polarizate în
un singur plan: vectori electrici care ies din
analizorul A razele o și e oscilează de-a lungul
o singură direcție, adică interferența este posibilă.

ANISOTROPIE OPTICĂ ARTIFICIALĂ

Mesajul anizotropiei optice este natural
substanțe izotrope dacă sunt expuse
stres mecanic, plasat în
câmp electric sau magnetic.
Ca urmare, substanța capătă proprietățile uniaxiale
cristal a cărui axă optică coincide
în funcție de direcțiile de deformare,
câmpuri electrice sau magnetice.

Prepararea substanțelor optic anizotrope

Efectul Kerr

Anizotropia optică a substanțelor transparente sub
expunerea la un câmp electric uniform.
Mecanismul efectului Kerr
Datorită polarizabilității diferite a moleculelor
dielectric în direcții diferite. Electric
câmpul orientează moleculele polare de-a lungul câmpului şi
induce un moment electric în moleculele nepolare.]
Prin urmare, indicii de refracție (și prin urmare
viteza de propagare a undelor în materie,
polarizat de-a lungul și perpendicular pe vector
intensitatea câmpului electric) devin
k diferit, are loc birefringența.

Celula Kerr

Cuvă cu plăci care conțin lichid
condensator, plasat între încrucișate
polarizator și analizor.
În absența unui câmp electric, lumina nu trece prin sistem
trece. Când este aplicat, mediul devine
anizotropă, iar lumina care iese din celulă este eliptică
polarizat și trece parțial prin analizor.

Diferența de fază φ care apare între razele obișnuite și extraordinare

Măsurat prin plasarea în fața analizorului
compensator (dispozitiv cu care diferența
calea dintre două fascicule este redusă la zero).

Rotația planului de polarizare (sau activitate optică)

Capacitatea unor substanțe (cuarț, zahăr, apă
soluție de zahăr, terebentină etc.) în absența externă
influențează rotirea planului de polarizare (plan,
trecând prin vectorul electric E şi fasciculul luminos).
Substanțele care rotesc planul de polarizare se numesc
activ optic.

Observarea rotației planului de polarizare

Lumină polarizată plană iese din polarizator
trece printr-o soluție de zahăr.
Polarizator încrucișat și analizor în spatele unei cuve cu
Soluția nu stinge complet lumina. Dacă A este îndreptat către
unghiul φ, atunci lumina se stinge complet. Prin urmare,
lumina rămâne după trecerea prin sistem
planul polarizat, dar soluția rotește planul
polarizarea luminii prin unghi f.

Unghiul de rotație al planului de polarizare

Cristale optic active și lichide pure
Soluții optic active
Activitatea optică este determinată atât de structura moleculelor
substanțe (asimetria lor) și caracteristici
aranjarea particulelor în rețeaua cristalină.

Substanțe optic active dextro și levogitoare

Substanțe dextrogiratorie

spre grindă, se întoarce la dreapta (în sensul acelor de ceasornic).
Substanțe levoratoare
Substanțe care au un plan de polarizare, atunci când sunt privite
spre grindă, se întoarce la stânga (în sens invers acelor de ceasornic
săgeți).

Optica geometrică este o ramură a opticii care studiază legile propagării luminii în medii transparente și principiile de construire a imaginilor atunci când lumina trece prin sisteme optice fără a ține cont de proprietățile ei undei.

Optica geometrică se bazează pe mai multe legi empirice simple:

Legea propagării rectilinie a luminii

Legea propagării independente a razelor

Legea reflexiei luminii

Legea refracției luminii (Legea lui Snell sau Legea lui Snell)

Legea reversibilității unui fascicul de lumină. Potrivit acesteia, o rază de lumină care s-a propagat pe o anumită traiectorie într-o direcție își va repeta cursul exact așa cum se propagă în direcția opusă.

Deoarece optica geometrică nu ține cont de natura ondulatorie a luminii, funcționează pe postulatul că, dacă două (sau mai multe) sisteme de raze converg la un moment dat, atunci iluminarea creată de acestea se adună.

Legile empirice se stabilesc prin generalizarea datelor observaționale și experimentale; ele exprimă astfel de relații regulate între lucruri care sunt observate direct sau cu ajutorul unor instrumente destul de simple. Cu alte cuvinte, aceste legi descriu comportamentul obiectelor observate

Undele electromagnetice (radiația electromagnetică) sunt o perturbare (schimbarea stării) a câmpului electromagnetic care se propagă în spațiu.

Dintre câmpurile electromagnetice în general, generate de sarcinile electrice și de mișcarea acestora, se obișnuiește să se clasifice drept radiație acea parte a câmpurilor electromagnetice alternante care este capabilă să se propagă cel mai departe de sursele sale - sarcinile în mișcare, care se degradează cel mai lent cu distanța.

Radiația electromagnetică se împarte în:

unde radio (începând de la cele ultralungi),

radiații terahertzi,

Radiatii infrarosii,

lumina vizibila,

radiații ultraviolete,

radiații cu raze X

dur (radiații gamma)

Lungimea de undă este distanța dintre două puncte cele mai apropiate unul de celălalt, oscilând în aceleași faze.

Lungimea de undă este indicată printr-o literă greacă și se măsoară în metri, centimetri în milimetri.

Lungimea de undă corespunde perioadei spațiale a undei, adică distanței pe care o parcurge un punct cu fază constantă într-un timp egal cu perioada de oscilație, prin urmare

T - perioada de oscilație

Perioada de oscilație este cea mai scurtă perioadă de timp în care oscilatorul face o oscilație completă (adică revine la aceeași stare în care se afla la momentul inițial, aleasă arbitrar).

Unități: secunde

Perioada oscilațiilor este legată de relația de reciprocitate reciprocă cu frecvența n (nu):

Pentru procesele cu undă, perioada este, în mod evident, legată de lungimea de undă

unde este viteza de propagare a undei (mai precis, viteza de fază).

Frecvența este o mărime care măsoară cât de des se repetă un proces periodic. În fizică, frecvența este folosită pentru a descrie proprietățile proceselor ondulatorii. Frecvența undelor este numărul de cicluri complete ale procesului undelor pe unitatea de timp. Unitatea de frecvență SI este hertzi (Hz). Un hertz este egal cu o vibrație pe secundă.

Există multe tipuri diferite de valuri în natură, de la valuri de mare conduse de vânt până la unde electromagnetice. Proprietățile undelor electromagnetice depind de lungimea de undă. Astfel de valuri sunt împărțite în mai multe tipuri:

Raze gamma cu lungimi de undă de până la 0,01 nanometri (nm).

Raze X cu lungimi de undă de la 0,01 nm la 10 nm.

Unde ultraviolete, care au o lungime de la 10 la 380 nm. Sunt invizibile pentru ochiul uman.

Lumină în partea vizibilă a spectrului cu o lungime de undă de 380-700 nm.

Radiația infraroșie invizibilă pentru oameni cu o lungime de undă de la 700 nm la 1 milimetru.

Undele infraroșii sunt urmate de microunde, cu lungimi de undă cuprinse între 1 milimetru și 1 metru.

Cele mai lungi sunt undele radio. Lungimea lor începe de la 1 metru.