V. ВОЛНОВАЯ ОПТИКА. КВАНТОВАЯ ПРИРОДА ИЗЛУЧЕНИЯ

ПОЯСНЕНИЯ К РАБОЧЕЙ ПРОГРАММЕ

В настоящее время волновая оптика является частью общего учения о распространении волн. При изучении явлений интерференции, дифракции, объясняемых с позиций волновой природы света, студент должен обратить внимание на общность этих явлений для волн любой природы. Но световые волны имеют специфические особенности: когерентность, монохроматичность, которые обусловлены конечной длительностью свечения отдельного атома.

При изучении интерференции света особое внимание следует обратить на такие вопросы, как цвета тонких пленок, полосы равной толщины и равного наклона. Следует помнить, что при интерференции света имеет место суперпозиция, связанная с перераспределением энергии, а не с взаимодействием волн.

Рассматривая явление дифракции, необходимо уяснить метод зон Френеля, уметь пользоваться графическим методом сложения амплитуд, что будет способствовать пониманию дифракции на одной щели, дифракционной решетке. Кроме того, необходимо изучить дифракцию на пространственной решетке и уметь пользоваться формулой Вульфа-Брэгга, являющейся основной в рентгеноструктурном анализе, имеющем важнейшее практическое применение.

Изучение явлений интерференции и дифракции света должно подготовить студента к пониманию основ волновой (квантовой) механики и физики твердого тела.

Поперечность световых волн была экспериментально установлена при изучении явления поляризации света, которое имеет большое практическое применение. При изучении этого явления особое внимание следует обратить на способы получения поляризованного света и применение законов Брюстера, Малюса, на явление вращения плоскости поляризации в кристаллах и растворах, эффект Керра.

Изучая явление дисперсии света, необходимо уяснить сущность электронной теории этого явления, отличие нормальной дисперсии от аномальной.

Четко представлять такие понятия, как фазовая и групповая скорость, знать связь между ними и показать их равенство при отсутствии дисперсии. Следует представлять, что при движении заряженных частиц в веществе в том случае, когда их скорость движения превышает фазовую скорость световых волн в этой среде, возникает излучение Вавилова – Черенкова, которое нужно рассматривать как классическое явление.

Переход от классической физики к квантовой связан с проблемой теплового излучения и, в частности, с вопросом распределения энергии по частотам в спектре абсолютно черного тела. Изучая тему «Квантовая природа излучения», необходимо знать гипотезу Планка о квантовании энергии осцилляторов и уяснить, что на основании формулы Планка могут быть получены законы Стефана-Больцмана и Вина.

Развитие гипотезы Планка привело к созданию представлений о квантовых свойствах света. Кванты света получили название фотонов. С позиций квантовой теории света объясняются такие явления, как фотоэлектрический эффект и эффект Комптона. При изучении фотоэффекта следует знать формулу Эйнштейна и на ее основании уметь объяснить закономерности, установленные Столетовым.

Рассматривая эффект Комптона, необходимо обратить внимание на универсальный характер законов сохранения, которые оказываются справедливыми в каждом отдельном акте взаимодействия фотона с электроном.

Изучая световое давление, важно понять, что это явление может быть объяснено как на основе волновых представлений о свете, так и с точки зрения квантовой теории.

В итоге изучения этого раздела у студента должно сформироваться представление, что электромагнитное излучение имеет двойственную корпускулярно-волновую природу (корпускулярно-волновой дуализм). Корпускулярно-волновой дуализм является проявлением взаимосвязи двух основных форм материи: вещества и поля.

Контрольная работа № 5 построена таким образом, что дает возможность проверить знания студентов по разделу «Волновая оптика и квантовая природа излучения». В нее включены задачи на расчет картины интерференции от двух когерентных источников, интерференцию в тонких пленках, полосы равной толщины и равного наклона. Тема «Дифракция света» представлена задачами: дифракция в параллельных лучах на одной щели, на плоской и пространственной дифракционных решетках.

Задачи по теме «Поляризация света» охватывают такие вопросы, как применение законов Брюстера, Малюса, использование формул Френеля для определения степени поляризации, вращение плоскости поляризации в растворах и кристаллах.

Задачи на дисперсию и поглощение света затрагивают такие вопросы, как определение фазовой и групповой скорости, эффект Вавилова-Черепкова, закон Бугера.

Задачи по теме «Квантовая природа излучения» включают такие вопросы, как законы теплового излучения, фотоэффект, эффект Комптона, давление света.

Основные законы и формулы

Показатель преломления среды (абсолютный)

.

Оптическая длина пути луча

.

Оптическая разность хода двух световых волн

.

Условие максимума интенсивности света при интерференции

,

Условие минимума интенсивности света при интерференции

,

Линейное и угловое расстояние между соседними интерференционными полосами на экране, расположенном параллельно двум когерентным источникам света

; ;

Оптическая разность хода световых волн в тонких, пленках в отраженном и проходящем свете (показатель преломления пленки больше показателя преломления окружающей среды)

;

;

;

Радиус темных колец Ньютона в отраженном свете

;

Радиус светлых колец Ньютона в отраженном свете

;

Условие дифракционных максимумов от одной щели

;

Условие дифракционных минимумов от одной щели

;

Условие главных максимумов дифракционной решетки

;

Формула Вульфа—Брэгга для дифракционных рентгеновских лучей

;

Разрешающая сила дифракционной решетки

;

Формулы Френеля для отраженного естественного света от диэлектриков

;

;

Степень поляризации света

;

Закон Брюстера

;

Закон Малюса

;

Разность хода лучей, прошедших пластинку исландского шпата (или кварца), вырезанную параллельно оптической оси, в случае нормального падения света

;

Угол поворота плоскости поляризации монохроматического света при прохождения через оптически активное вещество:

кристаллы

растворы

Связь между групповой (u) и фазовой (v) скоростями волн

;

;

Условие возникновения излучения Вавилова-Черепкова

;

Закон Стефана—Больцмана

;

Закон смещения Вина

;

Связь между энергетической светимостью и энергетической яркостью для абсолютно черного тела

;

Энергия фотона

;

Масса фотона

;

Импульс фотона

;

Давление света при нормальном падении на поверхность с коэффициентом отражения

; ;

Закон Бугера

Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта:

;

при

при

Красная граница фотоэффекта

, или

Изменение длины волны при эффекте Комптона

;

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

1. Расстояние между двумя когерентными источниками d = 0,9 мм. Источники, испускающие монохроматический свет с длиной волны λ = 640 нм, расположены на расстоянии L = 3,5 м от экрана. Определить число светлых полос, располагающихся на 1 см длины экрана.

Дано: d = 9·10^{-4 м, λ = 640 нм = 64·10-8 м,} L = 3,5 м, x = 1·10^{-2 м.}

Найти

Решение. В точке О на экране (рис. 9) будет максимальная освещенность: точка О равноудалена от обоих источников и и поэтому разность хода волн О и О равна нулю. В произвольной точке экрана максимум освещенности будет наблюдаться, если оптическая разность хода когерентных волн равна целому числу длин волн: , (1) где - оптические пути интерферирующих волн; λ — длина волны падающего света; — номер светлой полосы (центральная светлая полоса принята за нулевую).

Оптическая разность хода волн , где — расстояние

от центральной светлой до -й светлой полосы. Учитывая выражение (1), получим

(2)

Из выражения (2) определяем искомую величину — число светлых интерференционных полос на 1 см длины:

.

Подставляя в это выражение числовые значения, получим

.

Ответ: .

2. В просветленной оптике для устранения отражения света на поверхность линзы наносится тонкая пленка вещества с показателем преломления 1,26, меньшим, чем у стекла. При какой толщине пленки отражение света от линзы не будет наблюдаться? Длина волны падающего света 0,55 мкм, угол падения 30°.

Дано: λ = 0,55 мкм = 0,55·10^{-6 м;} = 30°, - 1,26.

Найти .

Решение. Свет, падая на систему пленка—стекло под углом i, отражается как от верхней I, так и от нижней II поверхности пленки (рис. 10; n₁ < n < п₂, n₁ и n₂ — показатели преломления соответственно воздуха и стекла). Лучи S₁ и S₂ когерентны, так как образованы из одного луча S. Результат интерференции этих лучей зависит от оптической разности хода. Лучи отражаются от среды с большим показателем преломления, поэтому как на верхней, так и на нижней поверхности пленки происходит потеря полуволны и, следовательно, оптическая разность хода волн равна

. (1)

Условие минимума освещенности при интерференции (условие минимумов) имеет вид

, (2)

где =1, 2, 3,... - порядок интерференционного минимума. Из (1) и (2) следует

,

откуда

.

Полагая = 1, 2, 3, …, получим ряд возможных значений толщины пленки:

; ;

;

.

Ответ; = 0,35 мкм; = 0,59 мкм и т. д.

3. На дифракционную решетку Д нормально падает монохроматический свет с длиной волны 0,65 мкм. На экране Э, расположенном параллельно решетке и отстоящем от нее на расстояние 0,5 м, наблюдается дифракционная картина (рис. 11). Расстояние между дифракционными максимумами первого порядка равно 10 см. Определить постоянную дифракционной решетки и общее число глав-

ных максимумов, получаемых с помощью этой решетки.

Дано: λ = 0,65·10^{-6 м,} L = 0,5 м, = 0,1 м, = 1.

Найти .

Решение. Запишем условие главных максимумов дифракционной решетки: , (1) где с - постоянная дифракционной решетки; - угол отклонения лучей от нормального направления распространения света; - порядок главного дифракционного максимума; λ — длина волны падающего на решетку монохроматического света.

По условию задачи, =1. Учитывая, что , (см. рис. 11), имеем . (2). Подставляя (2) в (1), получим

или . (3)

Подставляя в (3) числовые значения величин, находим

.

Для определения общего числа главных максимумов, даваемых дифракционной решеткой, исходим из условия, что максимальный угол отклонения лучей от нормального направления распространения не может превышать 90°, т. е. sin 90°= 1, тогда формула (1) примет вид = с/λ. Производим вычисления .

Общее число максимумов равно , т. е. влево и вправо от центрального максимума будут наблюдаться по максимумов:

Ответ: с = 6,5·10^{-6 м,} = 21.

4. Определить расстояние между атомными плоскостями в кристалле каменной соли, если дифракционный максимум первого порядка наблюдается при падении рентгеновских лучей с длиной волны 0,147 нм под углом 15°12' к поверхности кристалла.

Дано: λ = 0,147 нм = 1,47·10^{-10 м}, = 15°12', = 1.

Найти .

Решение. Дифракция рентгеновских лучей на кристаллах - это результат интерференции рентгеновского излучения, зеркально отражающегося от системы параллельных плоскостей, которые проходят через узлы - атомы (например, А) кристаллической решетки. Эти плоскости называют атомными (рис. 12). Отражение наблюдается лишь в тех направлениях, соответствующих дифракционным максимумам, которым удовлетворяет соотношение

или , (1)

где = 1, 2, 3,... - порядок дифракционного максимума; -угол скольжения, т. е. угол между падающим лучом и плоскостью кристалла; - расстояние между соседними плоскостями, называемое межплоскостным. Исходя из условия (1) и учитывая, что = 1, имеем

Ответ: нм.

5. Луч света, проходя слой льда, падает на алмазную пластинку, частично отражается, частично преломляется. Определить, каким должен быть угол падения, чтобы отраженный луч был максимально поляризован. Найти степень поляризации отраженного и преломленного света для этого угла падения с помощью формул Френеля.

Дано: = 1,31, = 2,42.

Найти:

Решение. Отраженный свет максимально поляризован при угле падения , удовлетворяющем закону Брюстера: , (1) где = - относительный показатель преломления отражающей среды. Если , то отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны (рис. 13). Проходящий свет поляризован лишь частично. Из выражения (1) находим

С помощью формул Френеля определяем степень поляризации отраженного луча:

Здесь

,

- интенсивности света, распространяющегося в направлениях, перпендикулярном и параллельном плоскости падения; - интенсивность естественного света; - угол падения; - угол преломления.

Если свет падает на диэлектрик под углом полной поляризация (). то, учитывая, что = 90°, для отраженного луча из (2) получим , , так как ,

Степень поляризации отраженного луча

т. е. луч максимально поляризован.

Найдем интенсивности света после преломления в направлениях, перпендикулярном и параллельном плоскости преломления:

;

.

Степень поляризации преломленного луча

.

Ответ: = 61,°5, = 100 %, =17 %.

6. Определить, во сколько раз уменьшится интенсивность естественного света, прошедшего через два николя, плоскости поляризации которых составляют угол 45°. Каждый николь поглощает 8 % света, падающего на него (рис. 14).

Дано: α = 45°, = 0,08.

Найти .

Решение. В результате двойного лучепреломления естественный луч света, попадая в призму П — поляризатор, раздваивается на обыкновенный и необыкновенный лучи. Оба луча поляризованы, но во взаимно перпендикулярных плоскостях. Обыкновенный луч, подчиняясь закону преломления, преломится и, подойдя к слою канадского бальзама в николе, испытывает полное отражение и поглотится зачерненной боковой гранью призмы. Необыкновенный луч проходит через призму без отклонения, интенсивность его уменьшается из-за поглощения света призмой на величину .

Интенсивность света, прошедшего через поляризатор, равна = 0,5(1 — ) , (1) где: = 0,08 (т.е. 8%) — коэффициент поглощения света в призме; — интенсивность естественного света, падающего на поляризатор.

Поляризованный свет, войдя во второй николь — анализатор А, опять поглощается и интенсивность его уменьшается на величину ; кроме того, интенсивность поляризованного света из-за несовпадения плоскостей поляризации поляризатора и анализатора согласно закону Малюса:

, (2)

где α — угол между плоскостями поляризации поляризатора и анализатора; и — коэффициент поглощения; — интенсивность поляризованного света, падающего на анализатор; — интенсивность поляризованного света, прошедшего через анализатор. Подставляя выражение (1) в (2), имеем

(3)

Из соотношения (3) следует

, .

Подставляя числовые значения, получим

; .

Ответ: = 5,

7. Показатель преломления сероуглерода для света с длинами волн 509, 534 и 589 нм равен соответственно 1,647; 1,640 и 1,630. Вычислить фазовую и групповую скорости света вблизи длины волны 534 нм.

Решение. Групповая скорость связана с фазовой скоростью света в среде соотношением

. (1)

Учитывая, что , из (1) получаем .

Для средней дисперсии вещества имеем

, (2)

где / — средняя дисперсия показателя преломления среды. Для λ = 534 нм и = 1,640 находим относительную дисперсию

.

Из соотношения (2) определяем

(3)

.

Учитывая, что фазовая скорость , находим ее значение вблизи λ = 534 нм

.

По формуле (3) вычисляем групповую скорость

Ответ: = 1,83·10⁸ м/с, = 1,70·10^-8 м/с.

8. В черенковском счетчике из каменной соли релятивистские протоны излучают в фиолетовом участке спектра в конусе с раствором 98°,80; Определить кинетическую энергию протонов. Длина волны фиолетовых лучей 0,4 мкм. Коэффициент преломления для этого участка спектра 1,54.

Дано: λ = 0,4·10^{-6 м,} = 49,°40, = 1,54, = 938,23 МэВ (см. табл. 18).

Найти Е_к.

Решение. Если частица движется в веществе со «сверхсветовой» скоростью V, то возникает свечение Вавилова—Черенкова при условии

, (1)

где — скорость света в вакууме; — показатель преломления вещества; — фазовая скорость света.

Свет, возникающий на каждом малом участке траектории заряженной частицы, распространяется вдоль образующих конуса, вершина которого О (рис. 15), расположена на этом участке, ось совпадает с траекторией частицы, а образующие составляют с осью угол

(2) или (3)

Так как излучают релятивистские протоны, то их кинетическая энергия равна

(4)

Величину V/с определим из соотношения (3)

.

Используя формулу (4), находим кинетическую энергию

Ответ: =14 ГэВ.

9. Во сколько раз увеличится мощность излучения абсолютно черного тела, если максимум энергии излучения передвинется от красной границы видимого спектра к его фиолетовой границе?

Дано: λ_к = 0,76 мкм; λ_ф = 0,38 мкм.

Найти ,

Решение. Длина волны, на которую приходится максимум энергии излучения абсолютно черного тела, определяется из первого закона смещения Вина: , (1) где Т — термодинамическая температура излучателя; = 2,89·10^-3 м·К — постоянная Вина. По формуле (1) определяем температуру, соответствующую красной и фиолетовой границам видимой области спектра:

Т_к = / , Т_ф = /

Мощность излучения абсолютно черного тела , где — энергетическая светимость абсолютно черного тела; S — площадь поверхности излучающего тела. В соответствии с законом Стефана—Больцмана

(2)

где = 5,67·10^-8 Вт/(м²·К⁴) — постоянная Стефана—Больцмана. Для красной и фиолетовой границ видимой области спектра

,

Из формул (1) и (2) следует

, т.е.

Отношение / = показывает, во сколько раз увеличивается мощность излучения абсолютно черного тела:

Ответ: Мощность излучения увеличится в 16 раз.

10. На зачерненную поверхность нормально падает монохроматический свет с длиной волны 0,65 мкм, производя давление 0,5·10^-5 Па. Определить концентрацию фотонов вблизи поверхности и число фотонов, падающих на площадь 1 м² в 1 с.

Дано: λ = 0,65·10^{-6 м, р = 0,5·10-5} Па, = 0, S = 1 м², = 1 с.

Найти: .

Решение. Давление света при нормальном падении на поверхность с коэффициентом отражения вычисляется по формуле

(1) или , (2)

где — объемная плотность энергии; Е_е — энергетическая освещенность; с — скорость света в вакууме; — коэффициент отражения поверхности, в данном случае .

Объемная плотность энергии равна произведению концентрации фотонов (числа фотонов в единице объема) на энергию одного фотона , т.е.

, (3)

откуда

. (4)

Определяя объемную плотность энергии из (1) и подставляя в (4), имеем

; (5)

Число фотонов, падающих на площадь 1 м² за 1 с, численно равно отношению энергетической освещенности к энергии одного фотона:

. (6)

Энергетическую освещенность определяем из (2) и, подставляя в (6), получаем

. (7)

С учетом (5) выражение (7) примет вид . Подставляя числовые значения, получаем

Ответ: = 1,6·10¹³ м^-3, = 4,8·10²¹с^-1·м^-2.

11. Угол рассеяния фотона с энергией 1,2 МэВ на свободном электроне 60°. Найти длину волны рассеянного фотона, энергию и импульс электрона отдачи. Кинетической энергией электрона до соударения пренебречь.

Дано: ε = 1,2 МэВ = 1,92·10^-13 Дж, = 60°.

Найти: λ₂, Т_е, р_е.

Решение. Изменение длины волны фотона при комптоновском рассеянии равно

, (1)

где и — длины волн падающего и рассеянного фотонов; = 6,62·10^-34 Дж·с — постоянная Планка; = 9,11·10^{-31 кг} — масса покоя электрона; с = 3·10⁸ м/с — скорость света в вакууме; Λ = 2,43·10^{-12 м — комптоновская длина волны;} — угол рассеяния (рис. 16). На рисунке — импульсы падающего и рассеянного фотонов.

Из формулы (1) находим . Выражая через энергию фотона , получаем

. (2)

Энергия электрона, отдачи по закону сохранения энергии равна

Т_е = .

Выразим изменение длины волны через изменение частоты:

.

С учетом (1) можно написать:

. (3)

Умножая выражение (3) на и учитывая, что , , , , получаем

, (4)

где = 0,511 МэВ = 0,82·10^-13 Дж — энергия покоя электрона. Зная энергию электрона, найдем

. (5)

Подставляя числовые значения в формулы (2), (4) и (5), получаем:

;

;

.

Ответ: = 2,25·10^{-12 м;} = 0,648 МэВ; = 5,55·10^-22 кг·м/с.

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 5 (4)

1. Для получения колец Ньютона используют плоско-выпуклую линзу с радиусом кривизны 12,5 м. Освещая линзу монохроматическим светом, определили, что расстояние между четвертым и пятым светлыми кольцами равно 0,5 мм. Найти длину волны падающего света.

2. На каком расстоянии от экрана находятся мнимые источники света (λ = 0,6 мкм), расстояние между которыми 0,4 мм, а ширина светлых интерференционных полос на экране 2 мм? Решение пояснить рисунком.

3. Определить толщину глицериновой пленки, если при освещении ее белым светом, падающим под углом 45°, она в отраженном свете кажется красной? Длина волны красных лучей 0,63 мкм. Принять = 5.

4. На тонкий стеклянный клин нормально падает монохроматический свет. Наименьшая толщина клина, с которой видны интерференционные полосы, 0,1 мкм, расстояние между полосами 5 мм. Определить длину волны падающего света и угол между поверхностями клина.

5. Какую наименьшую толщину должна иметь пленка из скипидара, если на нее под углом 30° падает белый свет и она в проходящем свете кажется желтой? Длина волны желтых лучей 0,58 мкм.

6. На пленку толщиной 0,16 мкм под углом 30° падает белый свет. Определить показатель преломления пленки, если в проходящем свете пленка кажется фиолетовой. Длина волны фиолетовых лучей 0,4 мкм. Принять = 1. Из какого вещества сделана пленка?

7. Расстояние между двумя когерентными источниками света 2 мм, они удалены от экрана на 2 м. Найти длину волны, излучаемую когерентными источниками, если расстояние на экране между третьим и пятым минимумами интерференционной картины 1,2 см.

8. На тонкий стеклянный клин падает нормально свет с длиной волны 0,5 мкм, расстояние между соседними темными интерференционными полосами в отраженном свете 0,3 мм. Определить угол между поверхностями клина.

9. Определить показатель преломления материала, из которого изготовлен клин, преломляющий угол которого 3·10^-4 рад, если на один сантиметр приходится 22 интерференционные полосы максимума интенсивности света. Длина волны нормально падающего монохроматического света равно 0,415 мкм.

10. На тонкую пленку из глицерина падает белый свет под углом 30°. В отраженном свете пленка кажется светло-зеленой, длина волны этого цвета 0,540 мкм. Каким будет казаться цвет пленки в отраженном свете, если свет будет падать под углом 60°?

11. На непрозрачную пластинку с узкой щелью падает нормально плоская монохроматическая световая волна. Угол отклонения лучей, соответствующий первому дифракционному максимуму, равен 30°. Определить ширину щели, если длина волны падающего света 0,6 мкм.

12. Определить длину световой волны спектральной линии, изображение которой, даваемое дифракционной решеткой в спектре третьего порядка, совпадает с изображением линии λ = 0,38 мкм в спектре четвертого порядка.

13. На грань кристалла каменной соли падает пучок парал

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: