Игорь Васильевич Aлександров, д. ф. -м.

Игорь Васильевич Aлександров, д. ф. -м. н. , профессор, заведующий кафедрой физики 1

Лекции – 30 часов, семинары – 14 часов, лабораторные работы -24 часа, экзамен. 2

Наименование раздела дисциплины ЛК ПЗ ЛБ Всего (час) Волновая оптика 8 6 12 52 Интерференция света 2 2 4 16 Дифракция света 3 2 4 18 Дисперсия света 1 1 2 8 Поляризация света 2 10 Квантовая физика 22 8 12 83 Тепловое излучение 2 10 Фотоэлектрический эффект 1 1 2 8 Гипотеза де-Бройля 2 1 6 Квантовые состояния. Уравнение Шредингера 3 1 2 12 Строение атома 3 3 2 16 Элементы квантовой электроники 1 2 Элементы квантовой статистики 6 2 15 Строение атомного ядра. Элементарные частицы 4 1 2 14 Итого: 30 14 24 135 3

Балльно-рейтинговая система организации учебного процесса 4

Литература И. В. Савельев, Общий курс физики, Наука, Москва, том 2 и 3. Raymond A. Serway, John W. Jewett, Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics, International Student Edition, Thomson Brooks/Cole. Ричард Фейнман, Роберт Лейтон, Мэттью Сандс, Фейнмановские лекции по физике, Addison-Wesley Publ. Company, Inc. , Reading- Massachusetts- Palo Alto-London. 5

Природа света 6

Свет и оптика Электромагнитный спектр Частота, Гц Длина волны - лучи 1 пикометр = 10 -12 м Рентгеновские лучи 400 нм 1 нм Фиолетовый Ультрафиолетовые лучи Синий Зеленый Желтый 1 мкм Видимый свет Оранжевый Инфракрасное излучение Красный 700 нм 1 мм 1 см Микроволны 1 м Радиоволны 1 км Длинные волны 7

Свет и оптика Электромагнитный спектр Частота, Гц Длина волны - лучи 1 пикометр = 10 -12 м Рентгеновские лучи 400 нм 1 нм Фиолетовый Ультрафиолетовые лучи Синий Зеленый Желтый 1 мкм Видимый свет Оранжевый Инфракрасное излучение Красный 700 нм 1 мм 1 см Субмиллиметровые Микроволны радиоволны 1 м Радиоволны (104 м > > 0, 1 м) создаются в результате ускорения заряженных частиц 1 км между двумя проводящими проволоками. Длинные волны Используются в радио и телекоммуникационных системах. 8

Свет и оптика Электромагнитный спектр Частота, Гц Длина волны - лучи 1 пикометр = 10 -12 м Рентгеновские лучи 400 нм 1 нм Фиолетовый Ультрафиолетовые лучи Синий Зеленый Желтый 1 мкм Видимый свет Оранжевый Инфракрасное излучение Красный 700 нм 1 мм 1 см Микроволны (0, 3 м > > 10 -4 м) Микроволны генерируются электронными устройствами. 1 м Используются в радарах, для исследования Радиоволны атомных и молекулярных свойств вещества, а 1 км также в домашнем хозяйстве для Длинные волны приготовления пищи в микроволновых печах. 9

Свет и оптика Электромагнитный спектр Частота, Гц Длина волны - лучи 1 пикометр = 10 -12 м Рентгеновские лучи 400 нм 1 нм Фиолетовый Ультрафиолетовые лучи Синий Зеленый Желтый 1 мкм Видимый свет Инфракрасное излучение Оранжевый Красный Инфракрасное излучение 1 мм 700 нм (10 -3 м > > 7 10 -7 м) 1 см создается в результате колебательного Микроволны движения молекул. 1 м Радиоволны ИК-излучение легко поглощается и его энергия трансформируется во внутреннюю энергию 1 км поглотившего вещества. Длинные волны Используется в физиотерапии, ИК фотографии и колебательной спектроскопии. 10

Свет и оптика Электромагнитный спектр Частота, Гц Длина волны Видимый свет - лучи (7 10 -7 м > > 4 10 -7 м) 1 пикометр = 10 -12 м - результат изменения положения электронов в атомах и молекулах. Рентгеновские лучи 400 нм 1 нм Фиолетовый Ультрафиолетовые лучи Синий Зеленый Желтый 1 мкм Видимый свет Оранжевый Инфракрасное излучение Красный 700 нм 1 мм 1 см Микроволны 1 м Радиоволны 1 км Длинные волны 11

Свет и оптика Электромагнитный спектр Частота, Гц Длина волны Ультрафиолетовое излучение - лучи 1 пикометр = 10 -12 м (4 10 -7 м > > 6 10 -10 м) излучается Солнцем и является Рентгеновские лучи основной причиной солнечного загара. 1 нм 400 нм Фиолетовый Синий Ультрафиолетовые лучи Зеленый Озоновый (O 3) слой в стратосфере 1 мкм Желтый превращает смертоносное Видимый свет Оранжевый Инфракрасное излучение Красный высокоэнергетическое УФ-излучение 1 мм 700 нм в ИК-излучение. 1 см Микроволны 1 м Радиоволны 1 км Длинные волны 12

Свет и оптика Электромагнитный спектр Частота, Гц Длина волны Рентгеновское излучение - лучи (10 -8 м > > 10 -12 м) 1 пикометр = 10 -12 м - результат торможения высокоэнергетических электронов при Рентгеновские лучи 1 нм 400 нм Фиолетовый бомбардировке металлической мишени. Ультрафиолетовые лучи Синий Зеленый Используются в медицине и при изучении Видимый свет 1 мкм Желтый Оранжевый кристаллического строения вещества. Инфракрасное излучение Красный 700 нм 1 мм 1 см Микроволны 1 м Радиоволны 1 км Длинные волны 13

Свет и оптика Электромагнитный спектр Гамма-лучи Частота, Гц Длина волны (10 -10 м > > 10 -14 м) - лучи эмитируются радиоактивными ядрами 1 пикометр = 10 -12 м (такими как 60 Co and 137 Ce) при радиоактивном распаде и во время Рентгеновские лучи 1 нм 400 нм некоторых ядерных реакций. Фиолетовый Ультрафиолетовые лучи Синий Зеленый Входят в состав космических лучей, 1 мкм Желтый обладают высокой проникающей Видимый свет Оранжевый Красный способностью, наносят существенный Инфракрасное излучение 700 нм вред человеческим тканям. 1 мм 1 см Микроволны 1 м Радиоволны 1 км Длинные волны 14

Свет и оптика Солнечный свет Растения Фотосинтез Химическая энергия Свет – основа жизни на Земле. Свет – способ передачи и получения информации. 15

Свет и оптика Древние греки: свет – маленькие частицы (корпускулы) - Платон примерно 400 г. до нашей эры. Прежде всего, от вещей всевозможных, какие мы видим, Необходимо должны истекать и лететь, рассыпаясь, Тéльца, которые бьют по глазам, вызывая в них зренье… Тонкой подобно плеве, от поверхности тел отделяясь, В воздухе реют они, летая во всех направленьях… В точном порядке, всегда сохраняя их облик и форму… Солнечный свет, как и жар, относятся к этим предметам, Так как они состоят из мелких начальных частичек … И, наконец, потому, что их редкая ткань при полёте Без затрудненья пройти сквозь любые способна преграды… Так ото всяких вещей непрестанным потоком струятся Всякие вещи, везде растекаясь, по всем направленьям; Без остановки идёт и без отдыха это теченье. Тит Лукреций Кар, "О природе вещей", I в. до н. э. 16

Свет и оптика Ньютон: объяснение отражения и преломления (рефракции) (1666) света с помощью корпускулярной теории света. 17

Свет и оптика Гюйгенс (1678): объяснение многих других свойств света с позиций волновой теории. Юнг (1801): лучи света могут интерферировать друг с другом (сильная поддержка волновой теории света). 18

Свет и оптика Mаксвелл (1865): э-м волны распространяются со скоростью света (теория), (1873): свет – разновидность высокочастотных э-м волн. Планк (1900): объяснение излучения горячих объектов с позиций корпускулярной теории света. Эйнштейн (1905): объяснение причин испускания электронов металлами под воздействием света на основе корпускулярной теории света. 19

Свет и оптика Наши дни: свет имеет двойственную природу и проявляет свойства волны в одних случаях и свойства частицы в других случаях. 20

Свет – это волны или частицы? Свет – это свет !!! 21

Волновая оптика 22

Coдержание сегодняшней лекции Интерференция световых волн Условия интерференции. Интерференционная картина, созданная двумя когерентными источниками света. Распределение интенсивности на интерференционной картине, созданной двумя щелями. Изменение фазы в результате отражения света. Интерференция в тонких пленках. 23

Геометрическая оптика успешно объясняет явления преломления света при прохождении через линзу или отражения света зеркалом. Волновая или физическая оптика рассматривает свет в виде волны, а не луча, и такой подход используется для объяснения явлений интерференции, дифракции и поляризации света. Эти явления не могут быть адекватно объяснены с помощью законов геометрической оптики. 24

Интерференция световых волн 25

Примеры интерференционных картин Яркая расцветка на шее Расцветка и брюшке колибри. перьев павлина. Строение перьев приводит к расщеплению и рекомбинации волн видимого белого света и интерференции определенных длин волн. 26

Явление интерференции Интерференция – результат суперпозиции (сложения) отдельных волн в одном и том же месте пространства и создания результирующей волны. Суперпозиция двух волн может быть конструктивной или деструктивной. Амплитуда результирующей волны Амплитуда результирующей в данном месте или в данный волны в данном месте или в момент времени превышает данный момент времени меньше, амплитуду каждой из складываемых чем амплитуда каждой из индивидуальных волн. складываемых индивидуальных волн. 27

Явление интерференции Волновое поле, созданное двумя одиночным колеблющимся колеблющимися точечными точечным источником источниками 28

Условия интерференции Две лампочки, В излучении, эмитирован- Между волнами, расположенные ном каждой из лампочек, эмитированными рядом, излучают происходит случайное двумя лампочками, не э-м волны изменение фазы за время в существует постоянной независимо. несколько наносекунд. разницы фаз. Явление интерференции от лампочек не может наблюдаться человеческим глазом. Условия для наблюдения интерференции световых волн: • источники света должны быть когерентными – между эмитированными ими волнами света должна поддерживаться постоянная разность фаз; • источники должны быть монохроматическими – эмитированные ими волны должны иметь одинаковую длину волны. 29

Интерференционная картина от одного источника Принцип Гюйгенса: свет отклоняется от прямолинейной траектории и распространяется в различных направлениях. (1678): Принцип Гюйгенса – геометрическое построение, основанное на использовании информации о форме и положении фронта волны в предыдущий момент времени для его построения в последующий момент времени. Старый Новый фронт волны Кристиан Гюйгенс, голландский физик и астроном (1629 -1695) 30

Интерференционная картина от одного источника Дифракция – отклонение света от исходного направления распространения. single. avi 31

Интерференционная картина от двух источников Облучение монохроматическими волнами препятствия с двумя маленькими щелями – общий способ получения двух когерентных источников света. Одиночный протяженный источник света создает волну света, направленную в сторону препятствия со щелями, которые делят исходную волну на две части. 32

Интерференционная картина от двух источников 1801: Томас Юнг – Первая демонстрация интерференции световых волн от двух источников (эксперимент Юнга с двумя щелями). Интерференционная картина, полученная от двух параллельных щелей, состоит из ярких и темных параллельных полос. Яркая полоса Барьер – конструктивная интерференция. Темная полоса – деструктивная интерференция. Экран Интерференционная картина получается в результате комбинации (суперпозиции, наложения) э-м полей взаимодействующих световых волн. 33

Интерференционная картина от двух источников S 1 Щели Slits Светлая S 2 полоса Темная полоса Светлая полоса Экран Конструктивная Деструктивная интерференция наблюдается в точке P наблюдается также в наблюдается в точке R, в результате наложения точке Q. поскольку верхняя волна волн. достигает этой точки со сдвигом на полволны по сравнению с нижней волной. 34

Интерференционная картина от двух источников Постоянная ширина щелей Постоянное расстояние между щелями b 1000. avi strips. avi 35

Интерференционная картина от двух источников Экран Разность хода 36

Интерференционная картина от двух источников Условие конструктивной интерференции (максимумов): =d sin макс= mλ (m = 0, ± 1, ± 2, …). Условие деструктивной интерференции (минимумов): =d sin мин= (m+1/2)λ (m = 0, ± 1, ± 2, …). Положение полосок на экране: (L >> d d >> λ) ΔOPQ: y = L tan L sin Экран Максимумы: yмакс = (λL / d) m (m = 0, ± 1, ± 2, …). Минимумы: yмин = (λL / d)(m+1/2) (m = 0, ± 1, ± 2, …). Эксперимент Юнга позволяет измерять длину волны света. 37

Распределение интенсивности на интерференционной картине Два когерентных источника испускают две э-м волны с одинаковыми круговыми часто- тами и постоянной разностью фаз . Результирующая напряженность электрического поля в точке P на экране является результатом суперпозиции и Волны вблизи щелей находятся в фазе. Разность фаз в точке P зависит от разности хода = r 2 - r 1 = d sin . Если = λ, то = 2. 38

Распределение интенсивности на интерференционной картине Величина результирующего электрического поля в точке P Результирующее электрическое поле в точке P имеет: • одинаковую частоту со складываемыми полями; • амплитуду в × 2 cos( / 2) раз большую, чем у них. Мгновенное значение интенсивности света в точке P Большинство светоизмерительных инструментов измеряет усредненное во времени значение интенсивности света. Поскольку усредненное во времени значение усредненная во времени интенсивность света на экране - максимальная интенсивность света на экране. 39

Распределение интенсивности на интерференционной картине Для малых sin y/L 40

Интерференция в тонких пленках Интерференционные эффекты часто наблюдаются на поверхности тонких пленок масла на воде или тонкого мыльного пузыря. 41

Изменение фазы в результате отражения Э-м волна претерпевает изменение по фазе на 180 при отражении от среды с более высоким показателем преломления, чем тот, который характерен для среды, в которой волна распространяется. Аналогия между отраженными световыми волнами и распространением продольной волны вдоль растянутого резинового шнура: изменение фазы на 180 изменения фазы не происходит Свободное закрепление Неподвижное закрепление Аналогия со шнуром 42

Интерференция в тонких пленках Радужная картина – результат интерференции волн, составляющих белый свет и отраженных от обеих поверхностей тонкой пленки. Интерференция в лучах отраженного от тонкой плен- 180 изменение Изменения ки света – результат суперпозиции лучей 1 и 2, отра- фазы нет женных от верхней и нижней й поверхностей пленки. Лучи 3 и 4 обеспечивают интерференционные эффекты в лучах, прошедших через тонкую пленку. Воздух Предположение: лучи света, распространяющиеся в воздухе, практически перпендикулярны к обеим Пленка поверхностям пленки. К сведению: • фаза изменяется на 180 при отражении от пленки Воздух в случае, когда n 2>n 1, изменения фазы не происходит, когда n 2

Интерференция в тонких пленках Причины разности фаз между лучами 1 и 2: 1) луч 1 – 180 изменение фазы эквивалентно разности хода λn/2; луч 2 – изменения фазы нет, благодаря разнице в граничных условиях на отражающих поверхностях; 2) дополнительная разность фаз возникает в результате дополнительной дистанции 2 t, пройденной лучом 2 в среде. Вывод: если 2 t = λn/2, то лучи 1 и 2 рекомбинируют в фазе. Условие для конструктивной Условие для деструктивной интерференции (максимумов) интерференции (минимумов) в тонких пленках 2 t =(m+1/2) λn, (m = 0, 1, 2, …). 2 nt =mλ, (m = 0, 1, 2, …). 2 nt =(m+1/2) λ, (m = 0, 1, 2, …). 44

Интерференция в тонких пленках Неотражающие покрытия Если удовлетворяются условия деструктивной интерференции волн, отра- женных от обеих поверхностей тонкой пленки, то интенсивность отражен- ного света минимальна, а интенсивность прошедшего света максимальна. Солнечные батареи – устройства, генерирующие электроэнергию под 180 изменение воздействием солнечного света. фазы 180 изменение фазы Тонкая пленка моноокиси кремния (Si. O, n=1, 45) на поверхности кремниевой ячейки солнечной батареи. Воздух Результирующее изменение фазы в результате отражения света от обеих поверхностей равно нулю. Изменение фазы благодаря разности хода лучей в случае минимальной толщины равно 2 t=λ/(2 n)=94, 8 нм (λ=550 нм). Si. O покрытие может уменьшить потери в результате отражения света в 3 раза (до 10% от интенсивности падающего света). 45

Интерференция в тонких пленках Неотражающие покрытия В фотокамерах для повышения оптической силы линз используется несколько покрытий, имеющих различную толщину. Цель: уменьшить потери света в результате отражения световых волн с различной длиной волны. 46

Контрольный вопрос В лаборатории произошел инцидент, при котором две разные жидкости попали в воду. Жидкости оказались несмешиваемыми с водой и образовали на ее поверхности две очень тонкие пленки. В отраженном свете одна из пленок выглядит светлой, а другая темной. Какое из нижеперечисленных утверждений верно: а) показатель преломления темной пленки больше, чем у воды, б) показатель преломления темной пленки меньше, чем у воды, в) показатель преломления темной пленки равен показателю преломления воды, г) показатель преломления темной пленки меньше, чем таковой у светлой пленки. 47