Курс лекций Физика для студентов ФИТ 8 Волновая

Курс лекций «Физика для студентов ФИТ» 8. Волновая оптика Законы геометрической оптики описывают поведение светового луча и не рассматривают его природу. Свет же по своей природе обладает корпускулярно-волновым дуализмом, т. е. проявляет и волновые, и корпускулярные свойства. Волновые свойства света проявляются в таких оптических явлениях как интерференция, дифракция и поляризация. А такие физические явления как поглощение света веществом, дисперсия света могут быть объяснены как волновыми свойствами света, так и корпускулярными. Законы теплового излучения, атомные спектры определяются корпускулярными свойствами света.

8. 1. Диапазоны электромагнитных вол Диапазон электромагнитных волн очень широк (рис. 1), но нас будут интересовать только оптический диапазон спектра. Выделим в нем следующие области: 1)ультрафиолетовая область - длины 5*10 -8 до 4*10 -7 м 2) видимая область - длины волн (4 -7)*10 -7 м 3) инфракрасная область - длины волн от 7*10 -7 м до 10 м. рис. 1

8. 2. Принцип Гюйгенса Распространение световой волны в пространстве можно объяснить с помощью принципа Гюйгенса, который устанавливает способ построения фронта волны в момент времени t + t по известному положению фронта волны в момент времени t (рис. 2). Согласно принципу Гюйгенса каждую точку на первичном волновом фронте следует рассматривать как источник вторичной сферической волны. Поэтому, изобразив ряд сферических волн, исходящих из первичного волнового фронта, а, затем, построив их огибающую, мы получим форму и положение всей волны в более поздний момент времени (рис. 2).

А Новый фронт волны в момент времени t+∆t Вторичные источники t Б рис. 2 Фронт волны от вторичных источников, r растет с ростом t.

8. 3. Интерференция света Интерференцией света называется явление взаимного усиления или ослабления двух когерентных волн при их наложении в пространстве. Для возникновения интерференции волн необходимо: 1) чтобы волны имели одинаковую частоту 2) разность фаз колебаний полей в этих волнах оставалась постоянной во времени. В этом случае интерференционная картина не размывается со временем и не перемещается в пространстве. Волны, удовлетворяющие указанным условиям, называются когерентными.

Существует много способов получения когерентных волн, но обычно используется один принцип: делят одну волну, идущую от источника, на две волны. Эти волны будут когерентны и смогут интерферировать. экран Р S S 1 0 S 2 L l Рис. 3 демонстрирует получение когерентных волн по способу Юнга. Первичный фронт волны делится на два фронта волны щелями S 1 и S 2.

Рис. 4. Получение интерференционной картины на двух щелях

8. 4. Условия минимумов и максимумов интерференции. Рассмотрим понятие оптической разности хода. Пусть S 1 и S 2 источники света (см. рис. 5). В точке В экрана волны, идущие от этих источников накладываются, при этом первая волна проходит геометрический путь x 1=S 1 В, а вторая – x 2=S 2 В. Если волны распространяются в различных средах, то оптической разностью хода Δх называют разность между оптическим ходом первого и второго луча где n 1 и n 2 показатели преломления двух сред. Разность хода и разность фаз ( 2 - 1) связаны соотношением рис. 5

Отсюда видно, что при разности фаз равной ( 2 - 1 = ), разность хода интерферирующих волн равна половине длине волны /2. Тогда условия максимумов интерференции можно сформулировать следующим образом: Максимальное усиление результирующего колебания наступает, если оптическая разность хода слагаемых волн равна четному числу длин полуволн, т. е. - условие максимума; Аналогично формулируется условие минимумов: Ослабление результирующего колебания будет, если оптическая разность хода слагаемых волн равна нечетному числу длин полуволн, т. е. - условие минимума; где m=0, 1, 2, … называется порядком интерференционного максимума или минимума.

8. 5. Дифракция света Дифракцией света называется явление отклонения света от прямолинейного распространения, когда свет, огибая препятствие, проникает в область геометрической тени (рис. 6). Согласно принципу Гюйгенса все вторичные источники когерентны между собой, поэтому, если за щелью поставить экран, то на экране будем наблюдать перераспре деление интенсивности, т. е. в одних местах экрана будет про исходить усиление светового потока, в других, наоборот, ос лабление. Таким образом, дифракционная картина также как и интерференционная, представляет собой перераспределение интенсивности (рис. 7). рис. 6

Рис. 7. Дифракция света на щели Рис. 7. Д

8. 6. Дифракционная решетка Современные исслдовательские лаборатории не обходятся без спектрального анализа образцов. При этом виде анализа используют разложение белого света на составляющие его цвета (красный, желтый, зеленый и т. д. ) Хорошей разрешающей способностью обладают спектральные приборы, в которых разложение осуществляется с помощью дифракционных решеток. рис. 8 Дифракционная решётка – это оптический прибор, представляющий собой совокупность большого числа N параллельных, равноотстоящих друг от друга штрихов одинаковой формы, нанесённых на плоскую или вогнутую оптическую поверхность.

Расстояние между соседними щелями d называется Условие главных периодом решетки (рис. 9). максимумов дифракционная решетка дифракционная картина dsinφ = m Число m указывает порядок главного максимума. Разрешающая способность дифракционной решетки определится как: где - разница длин волн линий спектра, которые можно различить. рис. 9

8. 7. Поляризация света Поляризация — это явление направленного колебания векторов напряженности электрического поля E или напряженности магнитного поля H. Плоская электромагнитная волна является поперечной волной и представляет собой процесс распространения взаимно перпендикулярных колебаний вектора напряженности электрического поля Е и вектора напряженности магнитного поля Н (Рис. 10 а). В естественном свете плоскость колебаний вектора E (и вектора H) в непрерывно меняется (Рис. 10 б). Свет, в котором колебания вектора E подчиняются некоторой закономерности, называется поляризованным. рис. 10

Если колебания вектора E происходят в одной плоскости, то волна называется плоско поляризованной или линейно поляризованной (рис. 10 а). Если же колебания вектора Е совершаются так, что его конец описывает круг (рис. 10 б) или эллипс (рис. 10 в), рис. 10 б) рис. 10 в) то свет называется поляризованным по кругу или эллиптически поляризо ванным, соответственно. Свет, в котором колебания одного направления преобладают над колебаниями других направлений, называется частично поляризованным. а) б) рис. 11 в)

8. 8. Поляризация при двойном лучепреломлении Во многих прозрачных средах скорость света одинакова по всем направлениям. Такие среды называются изотропными. Но в некоторых кристаллах скорость света в различных направлениях неодинакова. Такие среды называются анизотропными. Анизотропными средами являются, например, кристаллы кварца и исландского шпата. Еще в конце XVII века было обнаружено, что кристалл исландского шпата (Ca. CO 3) раздваивает проходящие через него лучи. Это явление получило название двойного лучепреломления (рис. 12). рис. 12

Один из этих лучей удовлетворяет обычному закону преломления и лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью к преломляющей поверхности. Этот луч называют обыкновенным (о) (рис. 13). Для другого луча, называемого необыкновенным (e), закон преломления света не выполняется. Двойное лучепpеломление позволяет постpоить совеpшенные поляpизатоpы. Пpизма Николя состоит из двух пpямоугольных пpизм из исландского шпата. Падающий луч pазбивается на обыкновенный (о) и необыкновенный (е). Пеpвый сильнее пpеломляется, чем втоpой, и на гpанице исландский шпат – канадский бальзам испытывает полное внутpеннее отpажение, т. е. целиком отклоняется в стоpону. Только необыкновенный луч пpоходит пpизму. На выходе пpизмы имеем плоскорис. 14 поляpизованный луч. рис. 13

8. 9. Закон Малюса В 1809 году французский инженер Э. Малюс открыл закон, названный его именем. В опытах Малюса свет последовательно пропускался через две одинаковые пластинки из турмалина (прозрачное кристаллическое вещество зеленоватой окраски). Пластинки можно было поворачивать друг относительно друга на угол φ (рис. 15). Интенсивность прошедшего света оказалась прямо пропорциональной cos 2 φ: рис. 15

8. 10. Вращение плоскости поляризации Поставим на пути естественного светового пучка два поляроида так, чтобы их оптические оси были перпендикулярны другу (рис. 16). Свет через эту систему поляроидов не пройдет: первый поляроид превратит естественный свет в линейно поляризованный, который поглотится во втором. Поместим теперь на пути светового пучка кювету с раствором сахара. Мы увидим, что поле зрения просветлилось. Повернув поляроид вправо на некоторый угол , мы опять добьемся полного затемнения поля зрения. Таким образом, при прохождении линейно поляризованного света через раствор сахара плоскость поляризации повернулась на некоторый угол. Вещества, вызывающие поворот плоскости поля ризации, называются оптически активными. рис. 16

Спасибо за внимание Лекция окончена