КУРС ОБЩЕЙ ФИЗИКИ Семестр 3 Оптика Основы квантовой

КУРС ОБЩЕЙ ФИЗИКИ Семестр 3. Оптика. Основы квантовой физики. 1) волновая оптика интерференция дифракция поляризация 2) квантовая оптика тепловое излучение фотоны и кванты 3) квантовая физика атома и ядра квантовые системы уравнение Шредингера принцип неопределенности ядерные реакции

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 1) Лансдсберг Г. С. Оптика 2) Савельев И. В. Курс общей физики т. 3(2) Оптика. Атомная физика. . . 3) Сивухин Д. В. Общий курс физики т. 4 Оптика 4) Бутиков Е. И. Оптика 02

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА 5. Популярные книги, 6. Курсы энциклопедии, теоретической справочники физики и словари. 03

§§ Предмет оптики Оптика (физическая оптика) – раздел физики, изучающий распространение, свойства и физическую природу света, а также взаимодействие его с веществом В 5– 3 в. до Н. Э. , Платон, Аристотель и Евклид нашли законы отражения и прямолинейного распространения света. В средние века уже стали известны эмпирические правила построения изображений линзами. 04

1590 Янсен, двухлинзовый микроскоп 1608 Галилей, первый телескоп 1620 Снелл экспериментально установил точный закон преломления (и Декарт, 1638) 1660 принцип Ферма 1665 Гримальди, дифракция и интерференция 1669 Бартолин, открытие двойного лучепреломления 1671 работы Ньютона (по 1704 год), зеркальный телескоп 1690 работы Гюйгенса 05

ВОЛНОВАЯ ОПТИКА Огромный вклад в изучение оптических явлений внес Ньютон (1671– 1675 г. г. – публикации в трудах Лондонского Королевского общества, 1704 – «Оптика» ). 1690, Гюйгенс, «Трактат о свете» 1801, работы Юнга (интерференция), Френеля и Араго усилили позиции волновой теории 1860, Максвелл, установил общие законы электромагнитного поля 06

§§ ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ВОЛНА (ЭМВ) Монохроматическая волна – – это строго гармоническая волна с постоянной частотой, амплитудой и фазой. 07

За световой вектор принимают вектор E, т. к. , в большинстве случаев, именно он отвечает за физическое действие: – амплитуда волны – начальная фаза – круговая частота, рад/с – период колебаний, с – частота, Гц 08

За период T волна проходит расстояние, равное длине волны λ, следовательно – скорость волны – волновое число, м– 1 – длина волны, м 09

Спектр ЭМВ: 1) радиоволны: λ > 0, 1 мм 2) оптический диапазон: 10 нм < λ < 2 мм а) инфракрасный диапазон (ИК, IR) 760 нм < λ < 2 мм б) видимый: 400 нм < λ < 760 нм λкрас ≈ 630 нм λор ≈ 600 нм λжел ≈ 560 нм λзел ≈ 530 нм λсин ≈ 440 нм λфиол ≈ 420 нм 10

В видимом диапазоне длина волны излучения сравнима с межатомным (межмолекулярным) расстоянием Наблюдается рассеяние, дисперсия, а также квантовые явления 3) рентгеновское излучение (X-Rays) а) ультрамягкое: 30– 100 нм б) мягкое: 1– 30 нм в) жесткое: 0, 01– 1 нм 4) гамма-излучение (γ-Rays): λ < 0, 01 нм 5) пока не изучена 11

§§ Интенсивность Объемная энергия электрического поля: ω ~ E 2 магнитного поля: ω ~ H 2 следовательно, энергия волны: I ~ ξ 2 Для высокочастотного излучения (света) среднее по времени значение квадрата светового вектора [I] = Вт/м 2 – плотность потока энергии 12

Типичные значения для интенсивности: 1) солнечная постоянная: экватор: 1395 Вт/м 2 ≈ 0, 14 Вт/см 2 ср. широты: 700 Вт/м 2 ≈ 0, 07 Вт/см 2 2) лампа накаливания (150 Вт) на расстоянии 1 м: 12 Вт/м 2 на расстоянии 2 м: 3 Вт/м 2 3) лазеры (непрерывные) He-Ne (10– 30 м. Вт) : ≈ 0, 3 Вт/см 2 CO 2 (резка Me) : ≈ 108– 1010 Вт/см 2 13

§§ Сложение волн i 14

Рассмотрим сложение колебаний одного направления и частоты в точке М: 15

Интенсивность результирующей волны: зависит от разности фаз Сложение колебаний, при котором не имеет места сложение интенсивностей, называется интерференцией Происходит перераспределение энергии в пространстве и образование минимумов и максимумов интенсивности 16

Рассмотрим два случая 1) – не изменяется со временем (колебания когерентные) Условие наблюдения максимумов разность хода двух волн должна равняться четному числу полудлин волн 17

Условие наблюдения минимумов разность хода должна равняться нечетному числу полудлин волн 2) Разность фаз изменяется беспорядочно т. е. выполняется закон сложения интенсивностей. 18

Cивухин Д. В. Общий курс физики. Т. 4. «Оптика» с. 9 Прохоров А. М. Физическая энциклопедия, т. 4. , с. 210, 255. СВЧ: 10– 2 ≤ λ – сантиметровые §§ Шкала 10– 3 ≤ λ – миллиметровые электромагнитных волны 50 μ ≤ λ – субмиллиметровые волн В зоне прямой видимости: радионавигация, радиолокация, многоканальные системы широкополосной связи, метеорология и космическая связь i i i ультракороткие волны 4 м ≤ 102 м ≤ λ – средниеволны 10 м ≤ λ – короткие волны сверхдлинные волны 10 λ– Распространяются 3 многократными с 1 м ≤ λ – метровые волны м ≤Днем распространяются 10 λ– длинные волны отражениями от ионосферы. вдоль Земли. Ночью 10– 1 м ≤ λ – дециметровые Возможна связь как на большие, появляется отраженная от Распространяются, в так и на малые расстояния. ионосферы волна и Огибают земную поверхность основном, в зоне прямой видимости на 50 -100 км дальность связи вследствие волноводного (до 800 км). Применяются распространения и дифракции. увеличивается для высококачественного звукового и телевещания Используются для дальней связи на Земле. Необходимы антенны больших размеров

Высокочастотная область ЭМ излучения

Используемые приставки: m м (милли) 10– 3 (миллиметры) μ n мк (микро) 10– 6 (микрон) н (нано) 10– 9 (нанометры) 1 Å = 10– 10 м (один ангстрем) p п (пико) 10– 12 (пикометры) 17

§§ Геометрическая оптика Световой луч – линия, вдоль которой распространяется свет. Световой пучок – содержит бесконечное число лучей В основе геометрической оптики лежат четыре закона, основанные на опытных фактах: 1) закон прямолинейного распространения света (Евклид, 3 в. до Н. Э. ) 2) закон независимости световых пучков 06

07

на границе двух однородных изотропных диэлектриков с n 1 и n 2 выполняются: 3) закон отражения 4) закон преломления 07