МИНИМАЛЬНЫЙ СПИСОК ЭКЗАМЕНАЦИОННЫХ ВОПРОСОВ ПО ФИЗИКЕ (РАЗДЕЛ “ОПТИКА, ЭЛЕМЕНТЫ АТОМНОЙ И ЯДЕРНОЙФИЗИКИ”) ДЛЯ ЗАОЧНИКОВ

1. Световое излучение и его характеристики

Свет представляет собой материальный объект, обладающий двойственной природой (корпускулярно-волновым дуализмом). В одних явлениях свет ведёт себя как электромагнитная волна (процесс колебаний электрических и магнитных полей распространяющийся в пространстве), в других – как поток особых частиц - фотонов или квантов света .

В электромагнитной волне вектора напряжённости электрического поля E, магнитного поля H и скорость распространения волны V взаимно перпендикулярны и образуют правовинтовую систему.

Вектора E и H колеблются в одной фазе. Для волны выполняется условие:

При взаимодействии световой волны с веществом наибольшую роль играет электрическая составляющая волны (магнитная составляющая в немагнитных средах влияет слабее), поэтому вектор E (напряжённость электрического поля волны) называют световым вектором и его амплитуду обозначают А.

Характеристикой переноса энергии световой волны является интенсивность I – это количество энергии переносимое за единицу времени световой волной через единицу площади, перпендикулярной направлению распространения волны. Линию, по которой распространяется энергия волны, называется лучом .

2. Отражение и преломление плоской волны на границе 2-х диэлектриков. Законы отражения и преломления света.

Закон отражения света : луч падающий, луч отражённый и нормаль к границе раздела

сред в точке падения лежат в одной плоскости. Угол падения равен углу отражения (α =β ). Причём падающий и отражённый лучи лежат по разные стороны нормали.

Закон преломления света : луч падающий, луч преломлённый и нормаль к границе раздела сред в точке падения лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления – величина постоянная для данных двух сред и называется относительным показателем преломления или показателем преломления второй среды относительно первой.

sin α / sin γ = n21 = n2 / n1

где n 21 - относительный показатель преломления второй среды относительно первой,

n 1, n 2 - абсолютные показатели преломления первой и второй сред (т.е. показатели преломления сред по отношению к вакууму).

Среду, у которой показатель преломления больше, называют оптически более плотной . При падении луча из оптически менее плотной в оптически более плотную среду (n2 >n1 )

угол падения больше угла преломления α>γ (как на рис.).

При падении луча из оптически более плотной в оптически менее плотную среду (n 1 > n 2 ) угол падения меньше угла преломления α< γ . При некотором угле падения

преломленный луч будет скользящим к поверхности (γ =90о ). Для углов больше этого угла падающий луч полностью отражается от поверхности (явление полного внутреннего отражения ).

Относительный показатель n21							и абсолютные показатели преломления сред n1 и n2 можно
также выразить через скорости света в средах
n 21 =				n 1 =						Где с - скорость света в вакууме.

3. Когерентность. Интерференция световых волн. Интерференционная картина от двух источников.

Когерентность – согласованное проникание двух или более колебательных процессов. Когерентные волны при сложении создают интерференционную картину. Интерференция – процесс сложения когерентных волн, заключающийся в перераспределении энергии световой волны в пространстве, которое наблюдается в виде тёмных и светлых полос.

Причина отсутствия наблюдения интерференции в жизни – это некогерентность естественных источников света. Излучение таких источников образуется совокупностью излучений отдельных атомов, каждый из которых в течение ~10-8 с испускает «обрывок» гармонической волны, который называется цугом .

Когерентные волны от реальных источников можно получить, разделяя волну одного источника на два и более, затем, давая возможность им пройти разные оптические пути, свести их в одной точке на экране. Пример – опыт Юнга.

Оптическая длина пути световой волны

L = n l ,

где l - геометрическая длина пути световой волны в среде с показателем преломления п.

Оптическая разность хода двух световых волн

∆ = L 1 −L 2 .

Условие усиления света (максимумов) при интерференции

∆ = ± k λ , где k=0, 1, 2, 3 , λ - длина световой волны.

Условие ослабления света (минимумов)

∆ = ± (2 k + 1 ) λ 2 , где k=0, 1, 2, 3 ……

Расстояние между двумя интерференционными полосами, создаваемыми двумя когерентными источниками света на экране, расположенном параллельно двум когерентным источникам света

∆y = d L λ ,

где L - расстояние от источников света до экрана, d - расстояние между источниками

(d <

4. Интерференция в тонких пленках. Полосы равной толщины, равного наклона, кольца Ньютона.

Оптическая разность хода световых волн, возникающая при отражении монохроматического света от тонкой пленки

∆ = 2 d n 2 −sin 2 i ± λ 2 или ∆ = 2 dn cos r ± λ 2

где d - толщина пленки; n - показатель преломления пленки; i - угол падения; r - угол преломления света в пленке.

Если зафиксировать угол падения i и взять плёнку переменной толщины, то для определённых участков с толщиной d реализуются интерференционные полосы равной

толщины. Эти полосы можно получить, если направить параллельный пучок света на пластинку с разной толщиной в разных местах.

Если на плоскопараллельную пластинку (d = const) направить расходящийся пучок лучей (т.е. пучок, который обеспечит различные углы падения i ), то при наложении лучей, падающих под определенными одинаковыми углами, будут наблюдаться интерференционные полосы, которые называют полосами равного наклона

Классический пример полос равной толщины – кольца Ньютона . Они образуются, если на плосковыпуклую линзу, лежащую на стеклянной пластине, направить монохроматический пучок света. Кольца Ньютона представляют собой интерференционные полосы от областей с равной толщиной воздушного промежутка между линзой и пластинкой.

Радиус светлых колец Ньютона в отраженном свете

где k =1, 2, 3 …… - номер кольца; R - радиус кривизны. Радиус темных колец Ньютона в отраженном свете

r k = kR λ , где k =0, 1, 2, 3 …….

5. Просветление оптики

Просветление оптики – состоит в том, что на поверхность стеклянной детали наносится тонкая прозрачная плёнка, которая за счёт интерференции устраняет отражение падающего света, повышая, таким образом, светосилу прибора. Показатель преломления

просветляющей пленки n должен быть меньше показателя преломления стеклянной детали

n об . Толщина этой просветляющей пленки находится из условия ослабления света при интерференции по формуле

d min = 4 λ n

6. Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Дифракция Френеля. Метод зон Френеля. Векторная диаграмма зон Френеля. Дифракция Френеля на простейших преградах (круглом отверстии).

Дифракция света это совокупность явлений, заключающихся в перераспределении светового потока при прохождении световой волны в средах с резкими неоднородностями. В узком смысле дифракция – это огибание волнами препятствий. Дифракция света приводит к нарушению законов геометрической оптики, в частности – законов прямолинейного распространения света.

Между дифракцией и интерференцией нет принципиальной разницы, т.к. оба явления приводят к перераспределению энергии световой волны в пространстве.

Различают дифракцию Фраунгофера и дифракцию Френеля.

Дифракция Фраунгофера – дифракция в параллельных лучах. Наблюдается когда экран или точка наблюдения расположены далеко от препятствия.

Дифракция Френеля – это дифракция в сходящихся лучах. Наблюдается на близком расстоянии от препятствия.

Качественно явление дифракции объясняется принципом Гюйгенса : каждая точка фронта волны становит источником вторичных сферических волн, а новый фронт волны представляет собой огибающую этих вторичных волн.

Френель дополнил принцип Гюйгенса идеей о когерентности и интерференция этих вторичных волн, что дало возможность рассчитывать интенсивность волны для разных направлений.

Принцип Гюйгенса-Френеля : каждая точка фронта волны становится источником когерентных вторичных сферических волн, а новый фронт волны образуется в результате интерференции этих волн.

Френель предложил симметричные волновые поверхности разбивать на особые зоны, расстояния от границ которых до точки наблюдения различаются на λ/2. Соседние зоны действуют в противофазе, т.е. амплитуды, создаваемые соседними зонами в точке наблюдения, вычитаются. Для нахождения амплитуды световой волны в методе зон Френеля используется алгебраическое сложение амплитуд, создаваемых в этой точке зонами Френеля.

Радиус внешней границы m -ой кольцевой зоны Френеля для сферической волновой поверхности

r m = m a ab + b λ ,

где a –расстояние от источника света до волновой поверхности, b – расстояние от волновой поверхности до точки наблюдения.

Векторная диаграмма зон Френеля представляет собой спираль. Использование векторной диаграммы упрощает нахождение амплитуды результирующего колебания

напряженности электрического поля волны A (и, соответственно, интенсивности I ~A 2 ) в центре дифракционной картины при дифракции световой волны на различных препятствиях. Результирующий вектор А от всех зон Френеля представляет собой вектор, соединяющих начало и конец спирали.

При дифракции Френеля на круглом отверстии в центре дифракционной картины будет наблюдаться тёмное пятно (минимум интенсивности), если в отверстии укладывается чётное число зон Френеля. Максимум (светлое пятно) наблюдается, если в отверстии укладывается нечётное число зон.

7. Дифракция Фраунгофера на щели.

Угол ϕ отклонения лучей (угол дифракции), соответствующий максимуму (светлая полоса) при дифракции на одной узкой щели, определяется из условия

b sin ϕ = (2 k + 1) λ 2 , где k= 1, 2, 3,...,

Угол ϕ отклонения лучей, соответствующий минимуму (темная полоса) при дифракции на узкой щели, определяется из условия

b sin ϕ = k λ , где k= 1, 2, 3,...,

где b - ширина щели; k - порядковый номер максимума.

Зависимость интенсивности I от угла дифракции ϕ для щели имеет вид

8. Дифракция Фраунгофера на дифракционной решетке.

Одномерная дифракционная решётка представляет собой систему из периодически расположенных прозрачных и непрозрачных для света областей.

Прозрачная область – это щели шириной b . Непрозрачные области – щели с шириной a . Величина a+b=d называется периодом (постоянной ) дифракционной решётки. Дифракционная решётка разбивает световую волну, падающую на неё на N когерентных волн (N – общее количество целей в решётке). Дифракционная картина является результатом наложения дифракционных картин от всех отдельных щелей.

В направлениях, в которых волны от щелей усиливают друг друга, наблюдаются главные максимумы .

В направлениях, в которых ни одна из щелей не посылает свет (для щелей наблюдаются минимумы) образуются абсолютные минимумы.

В направлениях, где волны от соседних щелей «гасят» друг друга, наблюдается

вторичные минимумы.

Между вторичными минимумами наблюдаются слабые вторичные максимумы .

Зависимость интенсивности I от угла дифракции ϕ для дифракционной решетки имеет вид

− 7 λ

− 5 λ − 4 λ −

4 λ 5 λ

d d λ

− b

Угол ϕ отклонения лучей, соответствующий главному максимуму (светлая полоса) при дифракции света на дифракционной решетке, определяется из условия

d sin ϕ = ± m λ , где m= 0, 1, 2, 3,...,

где d - период дифракционной решетки, m - порядковый номер максимума (порядок спектра).

9. Дифракция на пространственных структурах. Формула Вульфа - Брэгга.

Формула Вульфа - Брэгга описывает дифракцию рентгеновских лучей на

кристаллах с периодическим расположением атомов в трех измерениях

1. Оптической длиной пути называется произведение геометрической длины d пути световой волны в данной среде на абсолютный показатель преломления этой среды n.

2. Разность фаз двух когерентных волн от одного источника, одна из которых проходит длину пути в среде с абсолютным показателем преломления , а другая – длину пути в среде с абсолютным показателем преломления :

где , , λ – длина волны света в вакууме.

3. Если оптические длины пути двух лучей равны, , то такие пути называются таутохронными (не вносящими разности фаз). В оптических системах, дающих стигматические изображения источника света, условию таутохронности удовлетворяют все пути лучей, выходящих из одной и той же точки источника и собирающихся в соответствующей ей точке изображения.

4. Величина называется оптической разностью хода двух лучей. Разность хода связана с разностью фаз :

Если два световых луча имеют общие начальную и конечные точки, то разность оптических длин путей таких лучей называют оптической разностью хода

Условия максимумов и минимумом при интерференции.

Если колебания вибраторов А и Б совпадают по фазе и имеют равные амплитуды, то очевидно, что результирующее смещение в точке С зависит от разности хода двух волн.

Условия максимума:

Если разность хода этих волн равна целому числу волн (т. е. четному числу полуволн)

Δd = kλ, где k = 0, 1, 2, ..., то в точке наложения этих волн образуется интерференционный максимум.

Условие максимума :

Амплитуда результирующего колебания А = 2x 0 .

Условие минимума:

Если разность хода этих волн равна нечетному числу полуволн, то это означает, что волны от вибраторов А и Б придут в точку С в противофазе и погасят друг друга: амплитуда результирующего колебания А = 0.

Условие минимума :

Если Δd не равно целому числу полуволн, то 0 < А < 2х 0 .

Явление дефракции света и условия ее наблюдения.

Изначально явление дифракции трактовалось как огибание волной препятствия, то есть проникновение волны в область геометрической тени. С точки зрения современной науки определение дифракции как огибания светом препятствия признается недостаточным (слишком узким) и не вполне адекватным. Так, с дифракцией связывают весьма широкий круг явлений, возникающих при распространении волн (в случае учёта их пространственного ограничения) в неоднородных средах.

Дифракция волн может проявляться:

в преобразовании пространственной структуры волн. В одних случаях такое преобразование можно рассматривать как «огибание» волнами препятствий, в других случаях - как расширение угла распространения волновых пучков или их отклонение в определённом направлении;

в разложении волн по их частотному спектру;

в преобразовании поляризации волн;

в изменении фазовой структуры волн.

Наиболее хорошо изучена дифракция электромагнитных (в частности, оптических) и акустических волн, а также гравитационно-капиллярных волн (волны на поверхности жидкости).

Одним из важных частных случаев дифракции является дифракция сферической волны на каких-нибудь препятствиях (например, на оправе объектива). Такая дифракция называется дифракцией Френеля.

Принцип Гюйгенса – Френеля.

Согласно принципу Гюйгенса-Френеля световая волна, возбуждаемая каким-либо источником S может быть представлена как результат суперпозиции когерентных вторичных волн. Каждый элемент волновой поверхности S (рис.) служит источником вторичной сферической волны, амплитуда которой пропорциональна величине элемента dS .

Амплитуда этой вторичной волны убывает с расстоянием  r от источника вторичной волны до точки наблюдения по закону 1/r . Следовательно, от каждого участка dS волновой поверхности в точку наблюдения Р приходит элементарное колебание:

Где (ωt + α 0 ) − фаза колебания в месте расположения волновой поверхности S , k − волновое число, r − расстояние от элемента поверхности dS до точки P , в которую приходит колебание. Множитель а 0 определяется амплитудой светового колебания в месте наложения элемента dS . Коэффициент K зависит от угла φ между нормалью к площадке dS и направлением на точку Р . При φ = 0 этот коэффициент максимален, а при φ/2 он равен нулю.
Результирующее колебание в точке  Р представляет собой суперпозицию колебаний (1), взятых для всей поверхности S :

Эта формула является аналитическим выражением принципа Гюйгенса-Френеля. 

Длины воспринимаемых глазом световых волн очень малы (порядка ). Поэтому распространение видимого света можно в первом приближении рассматривать, отвлекаясь от его волновой природы и полагая, что свет распространяется вдоль некоторых линий, называемых лучами. В предельном случае, соответствующем законы оптики можно сформулировать на языке геометрии.

В соответствии с этим раздел оптики, в котором пренебрегают конечностью длин волн, называется геометрической оптикой. Другое название этого раздела - лучевая оптика.

Основу геометрической оптики образуют четыре закона: 1) закон прямолинейного распространения света; 2) закон независимости световых лучей; 3) закон отражения света; 4) закон преломления света.

Закон прямолинейного распространения утверждает, что в однородной среде свет распространяется прямолинейно. Этот закон является приближенным: при прохождении света через очень малые отверстия наблюдаются отклонения от прямолинейности, тем большие, чем меньше отверстие.

Закон независимости световых лучей утверждает, что луни при пересечении не возмущают друг друга. Пересечения лучей не мешают каждому из них распространяться независимо друг от друга. Этот закон справедлив лишь при не слишком больших интенсивностях света. При интенсивностях, достигаемых с помощью лазеров, независимость световых лучей перестает соблюдаться.

Законы отражения и преломления света сформулированы в § 112 (см. формулы (112.7) и (112.8) и следующий за ними текст).

В основу геометрической оптики может быть положен принцип, установленный французским математиком Ферма в середине XVII столетия. Из этого принципа вытекают законы прямолинейного распространения, отражения и преломления света. В формулировке самого Ферма принцип гласит, что свет распространяется по такому пути, для прохождения которого ему требуется минимальное время.

Для прохождения участка пути (рис.

115.1) свету требуется время где v - скорость света в данной точке среды.

Заменив v через (см. (110.2)), получим, что Следовательно, время , затрачиваемое светом на прохождение пути от точки до точки 2, равно

(115.1)

Имеющая размерность длины величина

называется оптической длиной пути.

В однородной среде оптическая длина пути равна произведению геометрической длины пути s на показатель преломления среды :

Согласно (115.1) и (115.2)

Пропорциональность времени прохождения оптической длине пути L дает возможность сформулировать принцип Ферма следующим, образом: свет распространяется по такому пути, оптическая длина которого минимальна. Точнее, оптическая длина пути должна быть экстремальной, т. е. либо минимальной, либо максимальной, либо стационарной - одинаковой для всех возможных путей. В последнем случае все пути света между двумя точками оказываются таутохронными (требующими для своего прохождения одинакового времени).

Из принципа Ферма вытекает обратимость световых лучей. Действительно, оптический путь, который минимален в случае распространения света из точки 1 в точку 2, окажется минимальным и в случае распространения света в обратном направлении.

Следовательно, луч, пущенный навстречу лучу, проделавшему путь от точки 1 к точке 2, пойдет по тому же пути, но в обратном направлении.

Получим с помощью принципа Ферма законы отражения и преломления света. Пусть свет попадает из точки А в точку В, отразившись от поверхности (рис. 115.2; прямой путь из А в В прегражден непрозрачным экраном Э). Среда, в которой проходит луч, однородна. Поэтому минимальность оптической длины пути сводится к минимальности его геометрической длины. Геометрическая длина произвольно взятого пути равна (вспомогательная точка А является зеркальным изображением точки А). Из рисунка видно, что наименьшей длиной обладает путь луча, отразившегося в точке О, для которой угол отражения равен углу падения. Заметим, что при удалении точки О от точки О геометрическая длина пути неограниченно возрастает, так что в данном случае имеется только один экстремум - минимум.

Теперь найдем точку, в которой должен преломиться луч, распространяясь от А к В, чтобы оптическая длина пути была экстремальна (рис. 115.3). Для произвольного луча оптическая длина пути равна

Чтобы найти экстремальное значение, продифференцируем L. по х и приравняем производную нулю)

Множители при равны соответственно Таким образом, получается соотношение

выражающее закон преломления (см. формулу (112.10)).

Рассмотрим отражение от внутренней поверхности эллипсоида вращения (рис. 115.4; - фокусы эллипсоида). В соответствии с определением эллипса пути и т. д. одинаковы по длине.

Поэтому все лучи, вышедшие из фокуса и пришедшие после отражения в фокус являются таутохронными. В этом случае оптическая длина пути стационарна. Если заменить поверхность эллипсоида поверхностью ММ, имеющей меньшую кривизну и ориентированной так, что луч, вышедший из точки после отражения от ММ попадает в точку то путь будет минимальным. Для поверхности , имеющей кривизну большую, чем у эллипсоида, путь будет максимальным.

Стационарность оптических путей имеет место также при прохождении лучей через линзу (рис. 115.5). Луч имеет самый короткий путь в воздухе (где показатель преломления практически равен единице) и самый длинный путь в стекле ( Луч имеет более длинный путь в воздухе, но зато более короткий путь в стекле. В итоге оптические длины путей для всех лучей оказываются одинаковыми. Поэтому лучи таутохронны, а оптическая длина пути стационарна.

Рассмотрим волну, распространяющуюся в неоднородной изотропной среде вдоль лучей 1, 2, 3 и т. д. (рис. 115.6). Неоднородность будем считать достаточно малой для того, чтобы на отрезках лучей длины X показатель преломления можно было считать постоянным.

Еще до установления природы света были известны следующие законы геометрической оптики (вопрос о природе света не рассматривался).

• 1. Закон независимости световых лучей: эффект, производимый отдельным лучом, не зависит от того, действуют ли одновременно остальные лучи или они устранены.
• 2. Закон прямолинейного распространения света: свет в однородной прозрачной среде распространяется прямолинейно.

Рис. 21.1.

• 3. Закон отражения света: отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром, проведенным к границе раздела двух сред в точке падения; угол отражения /|" равен углу падения /, (рис. 21.1): i[ = i x .
• 4. Закон преломления света (закон Снелля, 1621): падающий луч, преломленный луч и перпендикуляр

к поверхности раздела двух сред, проведенный в точке падения луча, лежат в одной плоскости; при преломлении света на границе раздела двух изотропных сред с показателями преломления п х и п 2 выполняется условие

Полное внутреннее отражение - это отражение светового луча от границы раздела двух прозрачных сред в случае его падения из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду под углом /, > / пр, для которого выполняется равенство

где « 21 - относительный показатель преломления (случай л, > п 2).

Наименьший угол падения / пр, при котором весь падающий свет полностью отражается в среду /, называется предельным углом полного отражения.

Явление полного отражения используется в световодах и призмах полного отражения (например, в биноклях).

Оптической длиной пути L между точками Ли В прозрачной среды называют расстояние, на которое свет (оптическое излучение) распространился бы в вакууме за то же время, за которое он проходит от А до В в среде. Так как скорость света в любой среде меньше его скорости в вакууме, то L всегда больше реально проходимого расстояния. В неоднородной среде

где п - показатель преломления среды; ds - бесконечно малый элемент траектории луча.

В однородной среде, где геометрическая длина пути света равна s, оптическая длина пути будет определяться как

Рис. 21.2. Пример таутохронных путей света (SMNS" > SABS")

Три последних закона геометрической оптики можно получить из принципа Ферма (ок. 1660): в любой среде свет распространяется по такому пути, для прохождения которого ему требуется минимальное время. В случае, когда это время является одинаковым для всех возможных путей, все пути света между двумя точками называются таутохронными (рис. 21.2).

Условию таутохронизма удовлетворяют, например, все пути лучей, проходящих через линзу и дающих изображение S" источника света S. Свет распространяется по путям неравной геометрической длины за одно и то же время (рис. 21.2). Именно то, что испущенные из точки S лучи одновременно и через наименьшее возможное время собираются в точке S", позволяет получить изображение источника S.

Оптическими системами называется совокупность оптических деталей (линз, призм, плоскопараллельных пластинок, зеркал и т.п.), скомбинированных для получения оптического изображения или для преобразования светового потока, идущего от источника света.

Различают следующие типы оптических систем в зависимости от положения предмета и его изображения: микроскоп (предмет расположен на конечном расстоянии, изображение - на бесконечности), телескоп (и предмет, и его изображение находятся в бесконечности), объектив (предмет расположен в бесконечности, а изображение - на конечном расстоянии), проекционная система (предмет и его изображение расположены на конечном расстоянии от оптической системы). Оптические системы находят применение в технологическом оборудовании для оптической локации, оптической связи и т.д.

Оптические микроскопы позволяют исследовать объекты, размеры которых меньше минимального разрешения глаза, равного 0,1 мм. Использование микроскопов дает возможность различать структуры с расстоянием между элементами до 0,2 мкм. В зависимости от решаемых задач микроскопы могут быть учебными, исследовательскими, универсальными и т.д. Например, как правило, металлографические исследования образцов металлов начинаются с помощью метода световой микроскопии (рис. 21.3). На представленной типичной микрофотографии сплава (рис. 21.3, а) видно, что поверхность фольг сплава алюминия с медью со-

Рис. 21.3. а - зеренная структура поверхности фольги сплава А1-0,5 ат.% Си (Шепелевич и др., 1999); б - поперечное сечение по толщине фольги сплава А1-3,0 ат.% Си (Шепелевич и др., 1999) (гладкая сторона - сторона фольги, контактирующая с подложкой при затвердевании) держит области более мелких и более крупных зерен (см. подтему 30.1). Анализ зеренной структуры шлифа поперечного сечения толщины образцов показывает, что микроструктура сплавов системы алюминий - медь изменяется по толщине фольг (рис. 21.3, б).