Волновая оптика. Лекция 4

1. Волновая оптика

Свет – электромагнитная волна, длина волны
которой лежит в интервале от 0,38 мкм до
0,76 мкм
Во всех процессах взаимодействия света с
веществом основную роль играет
электрический вектор поэтому его называют
световым вектором.

2. Явление интерференции

Под интерференцией света понимают широкий круг
явлений, в которых при наложении световых пучков
происходит перераспределение интенсивности света в
пространстве.
При этом результирующая интенсивность в любой
точке не равна сумме интенсивностей отдельных
пучков. В результате интерференции возникает
интерференционная картина: в одних точках
интенсивность света больше суммы интенсивностей
двух волн, в других – меньше.

3. Сущность явления интерференции

Интерференционная картина
представляет чередование
светлых и темных полос. При
использовании белого света
интерференционные полосы
оказываются окрашенными в
различные цвета спектра.

4. Принцип суперпозиции волн

Если в пространстве распространяются две
волны, то в каждой точке результирующее
колебание представляет собой геометрическую
сумму колебаний, соответствующих каждой из
складывающихся волн.
Принцип суперпозиции волн соблюдается
обычно с большой точностью и нарушается при
распространении волн с очень большой
амплитудой (интенсивностью).

5. Принцип суперпозиции волн

Физически содержание принципа суперпозиции
для электромагнитных волн означает, что если в
среде
распространяется
несколько
электромагнитных волн, то среда реагирует на
каждую волну так, как будто других волн нет.

6. Явление интерференции

Интерференционная картина устойчива только в
случае когерентных волн, у которых одинаковая
частота и постоянная во времени разность фаз.

7. Условия интерференционного максимума и минимума

Условия максимума и минимума для оптической
разности хода

8. Явление дифракции

Дифракцией света называется явление
отклонения света от прямолинейного
направления
распространения
при
прохождении вблизи препятствий. Как
показывает опыт, свет при определенных
условиях может заходить в область
геометрической тени.

9. Явление дифракции

Волны
отклоняются
от
прямолинейного
распространения
на
заметные углы только на
препятствиях,
размеры
которых сравнимы с длиной
волны, а длина световых
волн
мала,
поэтому
дифракцию света наблюдать
нелегко.

10. Дифракционная решетка

Дифракционные явления имеют большое
практическое значение, они лежат в основе
принципа действия многих спектральных
приборов, в частности, дифракционных решеток.
Дифракционная решетка – это совокупность
большого
числа
очень
узких
щелей,
разделенных непрозрачными промежутками.

11. Дифракционная решетка

Постоянная решетки
d=a+b, где a – ширина
щели, b – расстояние
между щелями.

12. Дифракционная решетка

Условие дифракционных
максимумов в дифракционной
решетке:
d sinφ = mλ
m = 0, ± 1,±2…- порядок
спектра

13. Дифракционная решетка

14. Поляризация света

С попеpечностью электpомагнитных волн
связан целый кpуг явлений, называемых
поляpизацией.

15. Поляризация света

Если конец вектоpа Е
описывает пpямую линию и
лежит в одной плоскости с
линией pаспpостpанения
света, то свет называется
поляpизованным.

16. Поляризация света

Если конец вектоpа Е в плоскости
К описывает беспоpядочные
колебания, т. е. направление
колебаний этого вектора постоянно
и беспоpядочно меняется, то свет
называется естественным или
неполяpизованным. Естественные
источники света излучают именно
такой, неполяpизованный свет.

17. Закон Малюса

Если обозначить амплитуду поляризованной волны
после прохождения света через первый поляроид через
Еп, то волна, пропущенная вторым поляроидом, будет
иметь амплитуду E = Eп cos φ.

18. Квантовая оптика

С точки зрения квантовой оптики свет – это
поток квантов.
Квант- порция электромагнитной энергии.

19. Тепловое излучение

В любых телах часть внутренней энергии вещества
может превращаться в энергию излучения. Поэтому
все тела являются источниками электромагнитного
излучения в широком диапазоне частот. Это
излучение называют тепловым излучением.

20. Характеристики теплового излучения

Суммарный поток энергии излучения с единицы
поверхности тела по всему диапазону частот
называется
интегральной
испускательной
способностью тела или его энергетической
светимостью.
dW
R
dtdS
В системе СИ
измеряется в Вт/м2.
энергетическая
светимость

21. Характеристики теплового излучения

Для описания процесса поглощения телами излучения
вводится спектральная поглощательная способность
тела аν, характеризующая долю падающего на тело
излучения частоты ν, поглощенную телом.
dW погл
а
dW

22. Абсолютно черное тело

Особое место в теории теплового излучения занимает
абсолютно черное тело, у которого на всех частотах и
при любых температурах поглощательная способность
равна единице.

23. Закон Кирхгофа

Отношение испускательной и поглощательной
способностей одинаково для всех тел в природе,
включая абсолютно черное тело, и при данной
температуре является одной и той же универсальной
функцией частоты (длины волны).
Этот закон теплового излучения, можно записать в
виде соотношения

24. Закон Кирхгофа

Излучение абсолютно черного тела имеет
универсальный характер в теории теплового
излучения. Реальное тело излучает при любой
температуре всегда меньше энергии, чем абсолютно
черное тело. Зная испускательную способность
абсолютно черного тела (универсальную функцию
Кирхгофа) и поглощательную способность реального
тела, из закона Кирхгофа можно определить
энергию, излучаемую этим телом в любом диапазоне
частот или длин волн.

25. Закон Стефана-Больцмана

Людвиг Больцман
(1844-1906)
Экспериментальные
(1879
г.
Й.Стефан) и теоретические (1884
г.
Л.Больцман)
исследования
позволили доказать важный закон
теплового излучения абсолютно
черного
тела.
Этот
закон
утверждает, что энергетическая
светимость абсолютно черного
тела пропорциональна четвертой
степени
его
абсолютной
температуры, то есть
R (T) = σT4

26. Закон Стефана-Больцмана

Числовое значение постоянной σ, по современным
измерениям, составляет
σ = 5,671·10–8 Вт / (м2 · К4).
Для реальных тел закон Стефана-Больцмана
выполняется лишь качественно, то есть с ростом
температуры энергетические светимости всех тел
увеличиваются. Для реальных тел зависимость
энергетической светимости от температуры имеет
вид

27. Спектр излучения абсолютно черного тела

К концу 90-х годов XIX века
были
выполнены
экспериментальные
измерения
спектрального
распределения
излучения абсолютно черного
тела, которые показали, что
зависимость r (λ, T) имеет ярко
выраженный
максимум.
С
увеличением
температуры
максимум смещается в область
коротких длин волн.

28. Закон смещения Вина

Вильгельм Вин
(1864 – 1928)
Нобелевская премия
(1911)
В 1893 г. немецкий физик В.Вин
сформулировал закон теплового
излучения, согласно которому
длина волны λm , на которую
приходится
максимум
испускательной
способности
абсолютно
черного
тела,
обратно пропорциональна его
абсолютной температуре. Этот
закон можно записать в виде
λm = b / T
Значение постоянной Вина
b = 2,898·10–3 м·К.

29. Формула Планка

Планк пришел к выводу, что
процессы
излучения
и
поглощения электромагнитной
энергии телом происходят не
непрерывно, как это принимала
классическая
физика,
а
конечными
порциями
–
квантами.
Квант – это минимальная
порция энергии, излучаемой
Макс Планк (1858-1947). или поглощаемой телом.
Нобелевская премия(1918).

30. Формула Планка

По теории Планка, энергия кванта W прямо
пропорциональна частоте света W = hν,
где h –постоянная Планка.
h = 6,626·10–34 Дж·с.
Постоянная Планка – это универсальная константа,
которая в квантовой физике играет ту же роль, что и
скорость света в СТО.

31. Законы фотоэффекта

Фотоэффект — это испускание электронов веществом
под действием света (и, вообще говоря, любого
электромагнитного излучения). В конденсированных
веществах (твёрдых и жидких) выделяют внешний и
внутренний фотоэффект. Фотоэлектрический эффект
был открыт в 1887 году немецким физиком Г.Герцем
и в 1888–1890 годах экспериментально исследован
А. Г. Столетовым. Наиболее полное исследование
явления фотоэффекта было выполнено Ф. Ленардом в
1900 г.

32. Законы фотоэффекта

Кривые показывают, что при
достаточно
больших
положительных напряжениях
на аноде A фототок достигает
насыщения, так как все
электроны, вырванные светом
из катода, достигают анода.

33. Законы фотоэффекта

Обобщение экспериментальных результатов привело к
установлению следующих законов фотоэффекта:
- Фототок насыщения пропорционален световому потоку,
падающему на металл Iн ~ Ф
- Кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от
интенсивности падающего света, а зависит от его частоты.
- Для каждого вещества существует определенное значение
частоты ν0, называемое красной границей фотоэффекта.
Фотоэффект имеет место только при частотах ν > ν0.
Если же ν < ν0, то фотоэффект не происходит при любой
интенсивности света.
- Фотоэффект безинерционен. Фототок возникает мгновенно
после начала освещения катода при условии, что частота света
ν > ν0 .

34. Законы фотоэффекта.

Все эти закономерности фотоэффекта в корне
противоречили представлениям классической
физики о взаимодействии света с веществом.
Электромагнитная теория света оказалась
неспособной
объяснить
закономерности
фотоэффекта.

35. Квантовая теория фотоэффекта

Выход был найден А.Эйнштейном в
1905 г. Теоретическое объяснение
наблюдаемых
закономерностей
фотоэффекта было дано на основе
гипотезы М.Планка. Эйнштейн сделал
следующий шаг в развитии квантовых
представлений. Он пришел к выводу,
что
свет
имеет
прерывистую
(дискретную) структуру.

36. Квантовая теория фотоэффекта

Электромагнитная волна состоит из отдельных
порций – квантов, впоследствии названных фотонами.
Энергия фотонов равна E = hν.
Фотон движется в вакууме со скоростью c.
Масса покоя фотона m0 = 0
Фотон обладает импульсом

37. Квантовая теория фотоэффекта

Электромагнитная волна состоит из отдельных
порций – квантов, впоследствии названных фотонами.
При взаимодействии с веществом фотон целиком
передает всю свою энергию hν одному электрону.
Часть этой энергии электрон может рассеять при
столкновениях с атомами вещества. Кроме того, часть
энергии электрона затрачивается на преодоление
потенциального барьера на границе металл–вакуум.
Для этого электрон должен совершить работу выхода,
зависящую
от
свойств
материала
катода.
Работа выхода — это энергия, которую необходимо
сообщить электрону, чтобы удалить его из металла.

38. Квантовая теория фотоэффекта

Наибольшая
кинетическая
энергия, которую может
иметь вылетевший из катода
фотоэлектрон, определяется
законом сохранения энергии:
mv 2
h Aв ых
2
Это уравнение носит название
уравнения Эйнштейна.