Прямая, указывающая направление распространения света, называется световым лучом. На границе двух сред свет может частично отразиться и распространяться в первой среде по новому направлению, а также частично пройти через границу и распространиться во второй среде. Луч падающий, отраженный и перпендикуляр к границе двух сред, восстановленный в точке падения, лежат в одной плоскости. Угол отражения равен углу падения. Этот закон совпадает с законом отражения волн любой природы и доказывается принципом Гюйгенса. При прохождении светом границы раздела двух сред отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред . <рисунок>. Величина n называется показателем преломления. Показатель преломления среды относительно вакуума называется абсолютным показателем преломления этой среды . При наблюдении эффекта преломления можно заметить, что в случае перехода среды из оптически более плотной среды в менее плотную, при постепенном увеличении угла падения можно достигнуть такой его величины, что угол преломления станет равен . При этом выполняется равенство . Угол падения a0 называется предельным углом полного отражения. При углах, больших a0, происходит полное отражение.
66. Линза, построение изображения. Формула линзы.
Линзой называется прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями. Линза, которая у краев толще, чем в середине, называется вогнутой, которая в середине толще – выпуклой. Прямая, проходящая через центры обеих сферических поверхностей линзы, называется главной оптической осью линзы. Если толщина линзы мала, то можно сказать, что главная оптическая ось пересекается с линзой в одной точке, называемой оптическим центром линзы. Прямая, проходящая через оптический центр, называется побочной оптической осью. Если на линзу направить пучок света, параллельный главной оптической оси, то у выпуклой линзы пучок соберется в точке F, называемой главным фокусом. Если такой же пучок направить на вогнутую линзу, то пучок рассеивается так, что лучи как будто бы исходят из точки F, называемой мнимым фокусом. Если направить пучок света параллельной побочной оптической оси, то он соберется на побочном фокусе, лежащем в фокальной плоскости, проходящей через главный фокус перпендикулярно главной оптической оси. Из подобия треугольников очевидно, что и . Найдем соотношение , откуда . Но и , т.е. , что после приведения подобных дает . Поделив это равенство на , получим формулу линзы . В формуле линзы расстояние от линзы до мнимого изображения считается отрицательным. Оптическая сила двояковыпуклой (да и вообще любой) линзы определяется из радиуса ее кривизны и показателя преломления стеклом и воздухом .
66. Когерентность. Интерференция света и ее применение в технике. Дифракция света. Дифракционная решетка.
В явлениях дифракции и интерференции наблюдаются волновые свойства света. Две световые частоты, разность фаз которых равна нулю, называются когерентными друг другу. При интерференции – сложении когерентных волн – возникает устойчивая во времени интерференционная картина максимумов и минимумов освещенности. При разности хода возникает интерференционный максимум, при – минимум. Явление отклонения света от прямолинейного распространения при прохождении края преграды называется дифракцией света. Это явление объясняется принципом Гюйгенса-Френеля: возмущение в любой точке является результатом интерференции вторичных волн, излучаемых каждым элементом волновой поверхности. Дифракция применяется в спектральных приборах. Элементом этих приборов является дифракционная решетка, представляющая собой прозрачную пластину с нанесенной на нее системой непрозрачных параллельных полос, расположенных на расстоянии d друг от друга. пусть на решетку падает монохроматическая волна. В результате дифракции из каждой щели свет распространяется не только в первоначальном направлении, но и во всех других. Если за решеткой поставить линзу, то в фокальной плоскости параллельные лучи от всех щелей соберутся в одну полоску. Параллельны лучи идут с разностью хода . При равенстве разности хода целому числу волн наблюдается интерференционный максимум света. Для каждой длины волны условие максимума выполняется при своем значении угла j, поэтому решетка разлагает белый свет в спектр. Чем больше длина волна, тем больше угол.
67. Дисперсия света. Спектр электромагнитного излучения. Спектроскопия. Спектральный анализ. Источники излучений и виды спектров.
Узкий параллельный пучок белого света при прохождении сквозь призму разлагается на пучки света разного цвета. Цветная полоса, видимая при этом, называется сплошным спектром. Явление зависимости скорости света от длины волны (частоты) называют дисперсией света. Этот эффект объясняется тем, что белый свет состоит из ЭМ-волн разных длин волны, от которых и зависит показатель преломления. Наибольшее значение он имеет для самой короткой волны – фиолетовой, наименьшее – для красно. В вакууме скорость света независимо от его частоты одинакова. Если источником спектра является разреженный газ, то спектр имеет вид узких линий на черном фоне. Сжатые газы, жидкости и твердые тела испускают сплошной спектр, где цвета плавно переходят друг в друга. Природа возникновения спектра объясняется тем, что каждому элементу присущ свой специфический набор излучаемого спектра. Это свойство позволяет применять спектральный анализ для выявления химического состава вещества. Спектроскопом называется прибор, с помощью которого исследуется спектральный состав света, испускаемого некоторым источником. Разложение производится с помощью дифракционной решетки(лучше) или призмы, для исследования ультрафиолетовой области применяется кварцевая оптика.
68. Фотоэффект и его законы. Кванты света. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Применение фотоэффекта в технике.
Явление вырывания электронов из твердых и жидких тел под воздействием света называется внешним фотоэлектрическим эффектом, а вырванные таким образом электроны – фотоэлектронами. Опытным путем установлены законы фотоэффекта – максимальная скорость фотоэлектронов определяется частотой света и не зависит от его интенсивности, для каждого вещества существует своя красная граница фотоэффекта, т.е. такая частота nmin, при которой еще возможен фотоэффект, число фотоэлектронов, вырванных за секунду, прямо пропорционально интенсивности света. Также установлена безынерционность фотоэффекта – он возникает мгновенно после начала освещения при условии превышения красной границы. Объяснение фотоэффекта возможно с помощью квантовой теории, утверждающей дискретность энергии. Электромагнитная волна, по этой теории, состоит из отдельных порций – квантов(фотонов). При поглощении кванта энергии фотоэлектрон приобретает кинетическую энергию, которую можно найти из уравнения Эйнштейна для фотоэффекта , где А0 – работа выхода, параметр вещества. Количество фотоэлектронов, покидающих поверхность металла пропорциональна количеству электронов, которое, в свою очередь, зависит от освещенности (интенсивности света).
69. Опыты Резерфорда по рассеиванию альфа-частиц. Ядерная модель атома. Квантовые постулаты Бора.
Первая модель строения атома принадлежит Томсону. Он предположил, что атом это положительно заряженный шар, внутри которого расположены вкрапления отрицательно заряженных электронов. Резерфорд провел опыт по облечению быстрыми альфа-частицами металлической пластинки. При этом наблюдалось, что часть из них немного отклоняются от прямолинейного распространения, а некоторая доля – на углы более 20. Это было объяснено тем, что положительный заряд в атоме содержится не равномерно, а в некотором объеме, значительно меньшем размера атома. Эта центральную часть была названа ядром атома, где сосредоточен положительный заряд и почти вся масса. Радиус атомного ядра имеет размеры порядка 10-15 м. Также Резерфорд предложил т.н. планетарную модель атома, по которой электроны вращаются вокруг атома как планеты вокруг Солнца. Радиус самой дальней орбиты = радиусу атома. Но эта модель противоречила электродинамике, т.к. ускоренное движение (в т.ч. электронов по окружности) сопровождается излучением ЭМ-волн. Следовательно, электрон постепенно теряет свою энергию и должен упасть на ядро. В действительности ни излучения, ни падения электрона не происходит. Объяснение этому дал Н.Бор, выдвинув два постулата – атомная система может находится только в некоторых определенных состояниях, в которых не происходит излучения света, хотя движение происходит ускоренное, и при переходе из одного состояния в другое происходит или поглощение, или испускание кванта по закону , где постоянная Планка . Различные возможные стационарные состояния определяются из соотношения , где n – целое число. Для движения электрона по окружности в атоме водорода справедливо выражение , кулоновская сила взаимодействия с ядром . Отсюда . Т.е. ввиду постулата Бора о квантовании энергии, движение возможно только по стационарным круговым орбитам, радиусы которых определяются как . Все состояния, кроме одного, являются стационарными условно, и только в одном – основном, в котором электрон обладает минимальным запасом энергии – атом может находиться сколь угодно долго, а остальные состояния называются возбужденными.
70. Испускание и поглощение света атомами. Лазер.
Атомы могут самопроизвольно испускать кванты света, при этом оно проходит некогерентно (т.к. каждый атом излучает независимо от других) и называется спонтанным. Переход электрона с верхнего уровня на нижний может происходит под влиянием внешнего электромагнитного поля с частотой, равной частоте перехода. Такое излучение называют вынужденным (индуцированным). Т.е. в результате взаимодействия возбужденного атома с фотоном соответствующей частоты высока вероятность появления двух одинаковых фотонов с одинаковым направлением и частотой. Особенностью индуцированного излучения является то, что оно монохроматично и когерентно. Это свойство положено в основу действия лазеров (оптических квантовых генераторов). Для того, чтобы вещество усиливало проходящий через него свет, необходимо, чтобы более половины его электронов находилось в возбужденном состоянии. Такое состояние называется состоянием с инверсной населенностью уровней. В этом случае поглощение фотонов будет происходит реже, чем испускание. Для работы лазера на рубиновом стержне используют т.н. лампу накачки, смысл которой заключается в создании инверсной населенности. При этом если один атом перейдет из метастабильного состояния в основное, то возникнет цепная реакция испускания фотонов. При соответствующей (параболической) форме отражающего зеркала возможно создать луч в одном направлении. Полное высвечивание всех возбужденных атомов происходит за 10-10с, поэтому мощность лазера достигает миллиардов ватт. Существуют также лазеры на газовых лампах, достоинством которых является непрерывность излучения.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10
