Kiekviename taške dvi erdvėje sklindančios bangos duoda geometrinę jų svyravimų sumą. Šis principas vadinamas bangų superpozicija. Šio dėsnio laikomasi neįtikėtinai tiksliai. Tačiau retais atvejais tai gali būti ignoruojama. Tai taikoma situacijoms, kai bangos sklinda sudėtingose terpėse, kai jų intensyvumas (amplitudė) tampa labai didelis. Šis principas reiškia, kad pati terpė į tam tikrą skaičių elektromagnetinių bangų, sklindančių tam tikroje terpėje, reaguoja labai specifiniu būdu – ji reaguoja tik į vieną bangą, tarsi kitų šalia nebūtų. Matematiškai tai reiškia, kad bet kuriame pasirinktos terpės taške elektromagnetinio lauko stipris ir indukcija bus lygi visų kombinuotų laukų magnetinių indukcijų ir stiprių vektorinei sumai. Dėl elektromagnetinių bangų superpozicijos principo atsiranda tokie reiškiniai kaip šviesos difrakcija ir trukdžiai. Jie įdomūs fiziniu požiūriu, be to, stebina savo grožiu.
Kas yra trukdžiai?
Apsvarstykite šis reiškinys galima tik laikantis specialios sąlygos. Šviesos trukdžiai – tai slopinimo ir stiprinimo juostų, kurios keičiasi viena su kita, susidarymas. Viena iš svarbių sąlygų yra elektromagnetinių bangų (šviesos pluoštų) uždėjimas viena ant kitos, o jų skaičius turėtų būti nuo dviejų ar daugiau. Stovinti banga yra ypatingas atvejis. Reikėtų pažymėti, kad trukdžiai yra grynai banginis efektas, taikomas ne tik šviesai. Stovinčioje bangoje, kuri susidaro dėl atsispindėjusios ar krintančios bangos superpozicijos, stebimi intensyvumo maksimumai (antinodai) ir minimumai (mazgai), kurie kaitaliojasi vienas su kitu.
Pagrindinės sąlygos
Bangų trukdžiai atsiranda dėl jų darnos. Ką reiškia šis terminas? Suderinamumas yra bangų pastovumas fazėje. Jei dvi bangos, kilusios iš skirtingų šaltinių, yra viena ant kitos, jų fazės pasikeis atsitiktinai. Šviesos bangos yra atomų spinduliavimo pasekmė, todėl kiekviena iš jų yra daugybės komponentų superpozicijos rezultatas.
Žemos ir aukštumos
Norint, kad erdvėje būtų „teisingi“ bendrų bangų sustiprinimai ir susilpnėjimai, būtina, kad pasirinktame taške pridėti komponentai panaikintų vienas kitą. Tai yra, ilgą laiką elektromagnetinės bangos turėtų būti priešfazėje, kad fazių skirtumas visada išliktų toks pat. Maksimumas atsiranda tuo metu, kai komponentinės bangos yra toje pačioje fazėje, tai yra, kai jos sustiprinamos. Šviesos trukdžiai stebimi esant pastoviam fazių skirtumui tam tikrame taške. Ir tokios bangos vadinamos koherentinėmis.
natūralių šaltinių
Kada galima pastebėti tokį reiškinį kaip šviesos trukdžiai? Natūralių šaltinių spinduliuojamos elektromagnetinės bangos yra nenuoseklios, nes jas atsitiktinai generuoja skirtingi atomai, dažniausiai visiškai nesuderinami vienas su kitu. Kiekviena atskira atomo išskiriama banga yra sinusoido segmentas, visiškai suderintas su savimi. Taigi reikia padalyti į du ar daugiau spindulių vieną šviesos srautą, kuris ateina iš šaltinio, o tada gautus pluoštus uždėti vieną ant kito. Tokiu atveju galėsime stebėti tokio reiškinio, kaip šviesos trukdžiai, minimumus ir maksimumus.
Sutampančių bangų stebėjimas
Kaip minėta aukščiau, šviesos trukdžiai yra labai plati sąvoka, kurioje šviesos pluoštų pridėjimo intensyvumo rezultatas nėra lygus atskirų pluoštų intensyvumui. Dėl šio reiškinio erdvėje vyksta energijos persiskirstymas – susidaro tie patys minimumai ir maksimumai. Štai kodėl trukdžių modelis yra tik tamsių ir šviesių juostų kaitaliojimas. Jei naudosite baltą šviesą, juostelės bus nudažytos įvairiomis spalvomis. Bet kada įprastame gyvenime susiduriame su šviesos trukdžiais? Taip nutinka gana dažnai. Jo apraiškos – alyvos dėmės ant asfalto, muilo burbuliukai su švytinčiais atspalviais, šviesos žaismas grūdinto metalo paviršiuje, piešiniai ant laumžirgio sparnų. Visa tai yra šviesos trukdžiai plonose plėvelėse. Tiesą sakant, stebėti šį efektą nėra taip paprasta, kaip gali atrodyti. Jei dega dvi vienodos lempos, jų intensyvumas sumuojasi. Bet kodėl nėra trukdžių efekto? Atsakymas į šį klausimą slypi tai, kad nėra tokios svarbiausios sąlygos – bangų darnos – perdangos.
Frenelio biprizmė
Norėdami gauti trukdžių modelį, paimkime šaltinį, kuris yra siauras apšviestas plyšys, sumontuotas lygiagrečiai pačios biprizmos kraštui. Iš jo kylanti banga dėl lūžio biprizmės pusėse suskils į dvi dalis ir ekraną pasieks dviem skirtingais būdais, tai yra, turės kelio skirtumą. Ekrane, toje jo dalyje, kur persidengia šviesos pluoštai iš biprizmės pusių, atsiranda pakaitomis tamsios ir šviesios juostos. Dėl tam tikrų priežasčių smūgių skirtumas yra ribotas. Kiekviename spinduliavimo akte atomas išskiria vadinamąją bangų seką (elektromagnetinių bangų sistemas), kuri sklinda erdvėje ir laike, išlaikydama savo sinusiškumą. Šio traukinio trukmę riboja natūralių dalelės (elektrono) virpesių slopinimas atome ir šio atomo susidūrimai su kitais. Jei balta šviesa praleidžiama per biprizmą, gali būti matomi spalvų trukdžiai, kaip ir plonų plėvelių atveju. Jei šviesa yra vienspalvė (iš lankinio išlydžio kai kuriose dujose), tada trukdžių modelis bus tiesiog šviesios ir tamsios juostelės. Tai reiškia, kad skirtingų spalvų bangos ilgiai yra skirtingi, tai yra, šviesa yra skirtingų spalvų ir pasižymi bangų ilgių skirtumu.
Gaunamos viena ant kitos esančios bangos
Idealus šviesos šaltinis yra lazeris (kvantinis generatorius), kuris pagal savo prigimtį yra koherentinis stimuliuojamos spinduliuotės šaltinis. Koherentinio lazerinio traukinio ilgis gali siekti tūkstančius kilometrų. Būtent kvantinių generatorių dėka mokslininkai sukūrė visą šiuolaikinės optikos sritį, kurią pavadino koherentine. Ši fizikos šaka yra neįtikėtinai daug žadanti techninės ir teorinės pažangos požiūriu.
Poveikio taikymo sritys
Plačiąja prasme „šviesos trukdžių“ sąvoka yra energijos srauto ir jo spinduliavimo būsenos (poliarizacijos) moduliavimas erdvėje kelių elektromagnetinių bangų (dviejų ar daugiau) susikirtimo srityje. Bet kur šis efektas naudojamas? Šviesos trukdžių naudojimas galimas įvairiose technologijų ir pramonės srityse. Pavyzdžiui, šiuo reiškiniu atliekama preciziška apdirbamų gaminių paviršių, taip pat mechaninių ir šiluminių įtempių dalyse kontrolė, matuojant įvairių objektų tūrius. Be to, šviesos trukdžiai buvo pritaikyti mikroskopijoje, infraraudonosios ir optinės spinduliuotės spektroskopijoje. Šis reiškinys yra šiuolaikinės trimatės holografijos ir aktyvios Ramano spektroskopijos pagrindas. Iš esmės, trukdžiai, kaip matyti iš pavyzdžių, naudojami didelio tikslumo matavimams ir lūžio rodiklių skaičiavimui įvairiose terpėse.
Augustino Fresnelio idėja
Prancūzų fizikas Augustinas Fresnelis (1788–1827) 1815 m. rado paprastą ir išradingą metodą, kad gautų koherentinius šviesos šaltinius. Reikia padalyti šviesą iš vieno šaltinio į du spindulius ir, privertus juos eiti skirtingais keliais, suvesti. Tada vieno atomo skleidžiama bangų seka bus padalinta į dvi koherentines traukinius. Tai bus kiekvieno šaltinio atomo skleidžiamų bangų traukinių atveju. Vieno atomo skleidžiama šviesa sukuria tam tikrą trukdžių modelį. Kai šie paveikslėliai dedami vienas ant kito, gaunamas gana intensyvus apšvietimo pasiskirstymas ekrane: galima stebėti trukdžių modelį.
Yra daug būdų gauti koherentinius šviesos šaltinius, tačiau jų esmė ta pati. Padalijus spindulį į dvi dalis, gaunami du įsivaizduojami šviesos šaltiniai, suteikiantys koherentines bangas. Tam naudojami du veidrodžiai (Fresnelio biveidrodžiai), biprizmė (dvi prizmės sulenktos prie pagrindų), bilensas (pusė perpjautas objektyvas) ir kt.
Pirmasis šviesos trukdžių stebėjimo eksperimentas laboratorijoje priklauso I. Newtonui. Jis pastebėjo interferencijos modelį, atsirandantį dėl šviesos atspindžio ploname oro tarpelyje tarp plokščios stiklo plokštės ir plokščio išgaubto lęšio su dideliu kreivio spinduliu. Interferencinis modelis atrodė kaip koncentriniai žiedai, vadinami Niutono žiedais (3 a, b pav.).
3a pav. 3b pav
Niutonas korpuskulinės teorijos požiūriu negalėjo paaiškinti, kodėl atsiranda žiedai, tačiau jis suprato, kad tai įvyko dėl tam tikro šviesos procesų periodiškumo.
Youngo eksperimentas su dviem plyšiais
Metalo skeletas sudaro kristalinę gardelę, kurios mazguose yra jonų.
Esant elektriniam laukui įjungta nepastovus judėjimas elektronai dedami ant jų tvarkingo judėjimo veikiant lauko jėgoms.
Judėdami elektronai susiduria su gardelės jonais. Tai paaiškina elektros varžą.
Elektroninė teorija leido kiekybiškai aprašyti daugybę reiškinių, tačiau daugeliu atvejų, pavyzdžiui, aiškinant metalų varžos priklausomybę nuo temperatūros ir pan., ji buvo praktiškai bejėgė. Taip atsitiko dėl to, kad apskritai Niutono mechanikos dėsniai ir idealių dujų dėsniai negali būti taikomi elektronams, o tai buvo išaiškinta 1930 m.
1902 m. Kaufmano eksperimentuose buvo nustatyta, kad krūvio e ir jo masės santykis m nėra pastovi reikšmė, o priklauso nuo greičio (didėjant greičiui jis mažėja). Iš teorijos išplaukė, kad q = const. Taigi masė auga.
Pagrindiniai fiziniai procesai puslaidininkiuose ir jų savybės. Vidinis puslaidininkis ir vidinis elektros laidumas
Puslaidininkis yra medžiaga, kuri pagal savo laidumą užima tarpinę padėtį tarp laidininkų ir dielektrikų ir skiriasi nuo laidininkų stipria laidumo priklausomybe nuo priemaišų koncentracijos, temperatūros ir įvairių spindulių poveikio. Pagrindinė puslaidininkio savybė yra elektros laidumo padidėjimas didėjant temperatūrai.
Puslaidininkiai yra medžiagos, kurių juostos tarpas yra kelių elektronų voltų (eV) dydžio. Pavyzdžiui, deimantas gali būti klasifikuojamas kaip plataus tarpo puslaidininkis, o indžio arsenidas gali būti klasifikuojamas kaip siauro tarpo puslaidininkis. Puslaidininkius sudaro daugybė cheminių elementų (germanis, silicis, selenas, telūras, arsenas ir kiti), daugybė lydinių ir cheminiai junginiai(galio arsenidas ir kt.). Beveik visos mus supančio pasaulio neorganinės medžiagos yra puslaidininkiai. Gamtoje labiausiai paplitęs puslaidininkis yra silicis, kuris sudaro beveik 30% žemės plutos.
Priklausomai nuo to, ar priemaišos atomas dovanoja ar paima elektroną, priemaišų atomai vadinami donoro arba akceptoriaus atomais. Priemaišos pobūdis gali keistis priklausomai nuo to, kurį kristalinės gardelės atomą ji pakeičia, kurioje kristalografinėje plokštumoje ji yra įterpta.
Puslaidininkių laidumas labai priklauso nuo temperatūros. Netoli absoliutaus nulio temperatūros puslaidininkiai turi dielektrikų savybes. Puslaidininkiams būdingos ir laidininkų, ir dielektrikų savybės. Puslaidininkių kristaluose atomai užmezga kovalentinius ryšius (tai yra, vienas elektronas silicio kristale, kaip ir deimantas, yra sujungtas dviem atomais), elektronams reikia tam tikro vidinės energijos, kad išsiskirtų iš atomo (1,76 10 -19 J, palyginti su 11,2). 10 −19 J, kuri apibūdina skirtumą tarp puslaidininkių ir dielektrikų).
Ši energija juose atsiranda kylant temperatūrai (pavyzdžiui, kambario temperatūroje atomų šiluminio judėjimo energijos lygis yra 0,4 10 −19 J), o atskiri elektronai gauna energiją atsiskirti nuo branduolio. Kylant temperatūrai, didėja laisvųjų elektronų ir skylių skaičius, todėl puslaidininkyje, kuriame nėra priemaišų, elektrinė varža mažėja. Paprastai puslaidininkiais įprasta laikyti elementus, kurių elektronų surišimo energija yra mažesnė nei 1,5–2 eV. Elektronų skylių laidumo mechanizmas pasireiškia vidiniuose (ty be priemaišų) puslaidininkiuose. Tai vadinama vidinis puslaidininkių elektrinis laidumas.
Nutrūkus ryšiui tarp elektrono ir branduolio, atomo elektroniniame apvalkale atsiranda laisva erdvė. Tai sukelia elektrono perkėlimą iš kito atomo į atomą, kuriame yra laisvos vietos. Atomas, iš kurio elektronas išėjo, patenka į kitą elektroną iš kito atomo ir pan. Šį procesą lemia kovalentiniai atomų ryšiai. Taigi vyksta teigiamo krūvio judėjimas nejudinant paties atomo. Šis sąlyginis teigiamas krūvis vadinamas skyle.
Paprastai puslaidininkių skylių judrumas yra mažesnis nei elektronų judrumas.
Puslaidininkiai, kuriuose atomų, iš kurių yra pastatytas visas kristalas, jonizacijos procese atsiranda laisvųjų elektronų ir „skylių“, vadinami puslaidininkiai, turintys vidinį laidumą. Puslaidininkiuose su vidiniu laidumu laisvųjų elektronų koncentracija yra lygi „skylių“ koncentracijai.
Nuosavas puslaidininkis- tai grynas puslaidininkis, kuriame pašalinių priemaišų kiekis neviršija 10 -8 ... 10 -9%. Skylių koncentracija joje visada lygi laisvųjų elektronų koncentracijai, nes ją lemia ne dopingas, o vidinės medžiagos savybės, būtent termiškai sužadinti nešikliai, spinduliuotė ir vidiniai defektai. Ši technologija leidžia gauti aukšto gryninimo laipsnio medžiagas, tarp kurių galima išskirti netiesioginius puslaidininkius: Si (kambario temperatūroje, nešėjų skaičius n aš = p i \u003d 1,4 10 10 cm -3), Ge (kambario temperatūroje, nešėjų skaičius n aš = p i =2.5·10 13 cm -3) ir tiesioginio tarpo GaAs.
Puslaidininkis be priemaišų turi nuosavas elektros laidumas, kuris turi du indėlius: elektroną ir skylę. Jei puslaidininkiui neduodama įtampa, tai elektronai ir skylės atlieka šiluminį judėjimą, o bendra srovė lygi nuliui. Kai puslaidininkiui įjungiama įtampa, susidaro elektrinis laukas, dėl kurio susidaro srovė dreifo srovė i ir kt. Bendra dreifo srovė yra dviejų elektronų ir skylių srovių įnašų suma:
i dr \u003d i n + i p,
kur indeksas n atitinka elektroninį įnašą, ir p- perforuotas. Puslaidininkio savitoji varža priklauso nuo nešiklių koncentracijos ir jų judrumo, kaip matyti iš paprasčiausio Drude modelio. Puslaidininkiuose, kylant temperatūrai dėl elektronų ir skylių porų susidarymo, elektronų koncentracija laidumo juostoje ir skylių valentinėje juostoje didėja daug greičiau nei mažėja jų judrumas, todėl, kylant temperatūrai, laidumas didėja.
Elektronų ir skylių porų žūties procesas vadinamas rekombinacija. Tiesą sakant, jo paties puslaidininkio laidumą lydi rekombinacijos ir generavimo procesai, o jei jų greitis yra vienodas, tada jie sako, kad puslaidininkis yra pusiausvyros būsenoje. Termiškai sužadinamų nešlių skaičius priklauso nuo juostos tarpo, todėl srovių nešėjų skaičius natūraliuose puslaidininkiuose yra mažas, palyginti su legiruotais puslaidininkiais, o jų varža yra daug didesnė.
Garinimas: proceso esmė, jo organizavimo būdai
Garinimas - tirpalų koncentravimo procesas, kurį sudaro dalinis tirpiklio pašalinimas išgarinant jį virinant.
Esant žemesnei nei konkretaus tirpalo virimo temperatūrai, garavimas vyksta nuo jo paviršiaus, o verdant tirpiklis išgaruoja visame verdančio tirpalo tūryje, o tai žymiai sustiprina tirpiklio pašalinimo iš tirpalo procesą.
Garinimo procesas plačiai naudojamas:
1) padidinti praskiestų tirpalų koncentraciją,
2) ištirpusių medžiagų atskyrimas nuo jų kristalizacijos būdu,
3) kartais ekstrahavimui tirpikliu (pavyzdžiui, kai geriamasis arba pramoninis vanduo gaunamas gėlinimo garintuvuose).
Norint atlikti garinimo procesą, būtina perduoti šilumą iš aušinimo skysčio į verdantį tirpalą, o tai įmanoma tik tuo atveju, jei tarp jų yra temperatūros skirtumas. Analizuojant ir skaičiuojant garavimo procesą, šis aušinimo skysčio ir verdančio tirpalo temperatūrų skirtumas paprastai vadinamas naudingu temperatūrų skirtumu. Kaip šilumnešis garintuvuose dažniausiai naudojami sotieji vandens garai, kurie vadinami kaitinimo arba pirminiais, nors, žinoma, tam gali būti naudojami ir kiti šildymo tipai bei kiti šilumnešiai. Garuojant tirpalams susidarantys garai vadinami antriniais, arba sultimis.
Taigi, išgarinimas yra tipiškas šilumos perdavimo procesas iš labiau įkaitusio aušinimo skysčio – šildymo garų – į verdantį tirpalą.
Garinimas atliekamas: esant atmosferos slėgiui; vakuume; esant didesniam nei atmosferos slėgiui.
Pagrindiniai garinimo proceso skirtumai, dėl kurių garinimas išskiriamas kaip savarankiška šiluminių procesų serijos dalis, slypi jo techninės įrangos konstrukcijos ypatybėse ir garintuvo instaliacijos skaičiavimo metodikoje.
Skirtingai nuo įprastų šilumokaičių, garintuvai susideda iš dviejų pagrindinių mazgų: šildymo kameros arba katilo (dažniausiai vamzdžių ryšulio pavidalu) ir separatoriaus, skirto tirpalo lašams sulaikyti iš garų, susidarančių tirpalui verdant. Išsamesniam gaudymui separatoriuje įrengiami įvairaus dizaino rūko gaudytuvai.
Norint sumažinti garintuvuose esančių teršalų nusėdimo ant vamzdžių sienelių greitį, sudaromos sąlygos intensyviai tirpalo cirkuliacijai (šiuo atveju tirpalo greitis vamzdžiuose yra 1-3 m/s). Natūralu, kad projektuojant garintuvus reikia atsižvelgti ir į tirpalo cirkuliaciją. Šio tipo garintuvas veikia kryptingos natūralios cirkuliacijos principu, kurį lemia verdančio tirpalo tankio skirtumas cirkuliaciniame vamzdyje ir šildymo kameros katilo vamzdžiuose.
Tankio skirtumas atsiranda dėl savitojo šilumos srauto skirtumo tirpalo tūrio vienetui: katilo vamzdžiuose jis didesnis nei cirkuliaciniame vamzdyje.
Todėl virimo intensyvumas, taigi ir garavimas juose yra didesnis; čia susidaręs garų ir skysčių mišinys turi mažesnį tankį nei cirkuliaciniame vamzdyje. Tai veda į nukreiptą verdančio tirpalo cirkuliaciją, kuri cirkuliaciniu vamzdžiu eina žemyn ir kyla aukštyn per katilo vamzdžius. Tada garų ir skysčių mišinys patenka į separatorių, kuriame garai atskiriami nuo tirpalo ir pašalinami iš aparato. Vienas nuimtas tirpalas išeina iš aparato apačioje esančios jungties. Taigi aparatuose su natūralia tirpalo cirkuliacija sukuriama organizuota cirkuliacijos grandinė pagal schemą: katilo (kėlimo) vamzdžiai → garo erdvė → cirkuliacinis (apatinis) vamzdis → kėlimo vamzdžiai ir kt.
Jei garintuve yra vienas garintuvas, toks įrengimas vadinamas viengubu. Jei instaliacija turi du ar daugiau nuosekliai sujungtų korpusų, tokia instaliacija vadinama kelių korpusų. Tokiu atveju antrinis garas iš vieno korpuso naudojamas šildyti kituose tos pačios gamyklos garintuvuose, todėl žymiai sutaupoma šviežio šildymo garo. Antriniai garai, paimti iš garintuvo kitiems tikslams, vadinami papildomais garais. Daugiafunkciame garintuve švieži garai tiekiami tik į pirmąjį korpusą. Iš pirmojo korpuso susidaręs antrinis garas patenka į antrąjį tos pačios instaliacijos pastatą kaip šildomasis, savo ruožtu antrojo korpuso antrinis garas patenka į trečiąjį kaip šildomasis ir pan.
Šviesos difrakcija. Huygens-Fresnelio principas. Frenelio zonos metodas. Frenelio difrakcija ant paprasčiausių kliūčių. Fraunhoferio difrakcija pagal vieną plyšį
1. Difrakcijos reiškinys
Bangų difrakcija – tai kliūčių apvalinimas bangomis arba bangų nukreipimas į geometrinio šešėlio sritį, kai jos praeina pro skylutes, su sąlyga, kad šių kliūčių linijiniai matmenys yra bangos ilgio arba mažesni. Bangų tipas nesvarbus: difrakcija stebima garsui, šviesai ir bet kokiems kitiems bangų procesams.
Stebėti šviesos bangų difrakciją galima tik tada, kai kliūčių matmenys yra 10 -6 -10 -7 m (matomai šviesai). Plyšio matmenis eilės tvarka lyginant su bangos ilgiu, plyšys tampa antrinių sferinių bangų šaltiniu, kurių trukdžiai lemia intensyvumo pasiskirstymo už plyšio modelį. Visų pirma, šviesa prasiskverbia į geometriškai nepasiekiamą sritį. Taigi nėra lengva stebėti difrakciją matomoje spektro srityje. Kitų diapazonų elektromagnetinėms bangoms difrakcija stebima kasdien, visur ir visur, nes jei ne šis reiškinys, negalėtume, pavyzdžiui, klausytis radijo patalpose.
Pagal visuotinai priimtą apibrėžimą, šviesos difrakcija, reiškiniai, stebimi, kai šviesa sklinda pro aštrius nepermatomų ar skaidrių kūnų kraštus per siauras skylutes. Šiuo atveju pažeidžiamas šviesos sklidimo tiesumas, tai yra, nukrypstama nuo geometrinės optikos dėsnių. Dėl šviesos difrakcijos apšviečiant nepermatomus ekranus taškiniu šviesos šaltiniu šešėlio pakraštyje, kur pagal geometrinės optikos dėsnius turėjo būti staigus perėjimas iš šešėlio į šviesą, daug šviesos ir tamsos. stebimos difrakcijos juostos.
Kadangi difrakcija būdinga bet kokiam bangų judėjimui, šviesos difrakcijos atradimas XVII a. pradžios italų fizikas ir astronomas F. Grimaldis ir jo paaiškinimas. Prancūzų fizikas O. Fresnelis buvo vienas pagrindinių šviesos banginės prigimties įrodymų. Apytikslė šviesos difrakcijos teorija pagrįsta Huygens-Fresnelio principo taikymu. Kokybiškai išnagrinėti paprasčiausius šviesos difrakcijos atvejus, galima taikyti Frenelio zonų konstrukciją. Kai šviesa iš taškinio šaltinio praeina per mažą apvalią skylutę nepermatomame ekrane arba aplink apvalų nepermatomą ekraną, pastebimi difrakcijos pakraščiai koncentrinių apskritimų pavidalu.
Jei skylė palieka atvirą lyginį skaičių zonų, tada difrakcijos modelio centre gaunama tamsi dėmė, jei zonų skaičius nelyginis, gaunama šviesi dėmė. Šešėlio centre iš apvalaus ekrano, dengiančio ne per daug Frenelio zonų, gaunama šviesi dėmė. Huygens-Fresnelio principas leidžia paaiškinti difrakcijos reiškinį ir pateikti jo kiekybinio skaičiavimo metodus.
Yra du difrakcijos atvejai. Jei kliūtis, ant kurios atsiranda difrakcija, yra arti šviesos šaltinio arba ekrano, kuriame atliekamas stebėjimas, tai krintančių arba išsklaidytų bangų priekis turi išlenktą paviršių; šis atvejis vadinamas Frenelio difrakcija arba difrakcija divergentiniuose spinduliuose, t.y. čia b yra skylės dydis, z yra stebėjimo taško atstumas nuo ekrano, l yra bangos ilgis (Fresnelio difrakcija) ir šviesos difrakcija lygiagrečiai spinduliai, kuriuose skylė yra daug mažesnė viena Frenelio zona, t.y. (Fraunhoferio difrakcija).
Pastaruoju atveju, kai lygiagretus šviesos spindulys krinta į skylę, spindulys tampa divergentiškas su divergencijos kampu j ~ l/b (difrakcijos divergencija). Plokštumos bangos gaunamos perkeliant šviesos šaltinį ir stebėjimo tašką nuo difrakciją sukeliančios kliūties arba pritaikius atitinkamą lęšių išdėstymą.
Geometrinės optikos idėjų apie tiesųjį šviesos sklidimą požiūriu, šešėlio ribą už nepermatomos kliūties ryškiai nubrėžia spinduliai, praeinantys pro kliūtį, liečiantys jos paviršių. Vadinasi, geometrinės optikos požiūriu difrakcijos reiškinys yra nepaaiškinamas. Remiantis Huygenso bangų teorija, kuri kiekvieną bangos lauko tašką laiko antrinių bangų, sklindančių visomis kryptimis, įskaitant kliūties geometrinio šešėlio sritį, šaltiniu, visiškai neaišku, kaip gali atsirasti atskiras šešėlis. . Nepaisant to, patirtis įtikina mus, kad egzistuoja šešėlis, tačiau jis nėra aiškiai apibrėžtas, kaip taisyklingos šviesos sklidimo teorija, bet su neryškiais kraštais. Be to, suliejimo srityje stebima apšvietimo maksimumų ir minimumų sistema
2. Plyšinė difrakcija
Šviesos difrakcijos iš plyšio atvejis turi didelę praktinę reikšmę. Kai plyšys apšviečiamas lygiagrečiu monochromatinės šviesos pluoštu, ekrane gaunama tamsių ir šviesių juostų serija, kurios intensyvumas greitai mažėja. Jei šviesa krinta statmenai plyšio plokštumai, tada krašteliai yra išdėstyti simetriškai centrinio krašto atžvilgiu, o apšvietimas ekrane periodiškai keičiasi su j, išnyksta kampais j, kai sin j = m/lb (m = 1, 2, 3...).
Esant tarpinėms vertėms, apšvietimas pasiekia didžiausias reikšmes. Pagrindinis maksimumas vyksta esant m = 0, o sin j = 0, t. y. j = 0. Šie maksimumai, kurie savo dydžiu yra žymiai mažesni už pagrindinį, atitinka j reikšmes, nustatytas pagal sąlygas: sin j = 1,43 l/b, 2,46 l/b, 3,47 l/b ir kt. Mažėjant plyšio pločiui, centrinė šviesi juosta plečiasi, o esant tam tikram plyšio pločiui, minimumų ir maksimumų padėtys priklauso nuo l, t.y. kuo didesnis atstumas tarp juostų, tuo didesnis l.
Todėl baltos šviesos atveju yra įvairių spalvų atitinkamų raštų rinkinys. Šiuo atveju pagrindinis maksimumas bus bendras visiems l ir bus rodomas kaip balta juostelė, virsta spalvotomis juostelėmis su kintančiomis spalvomis nuo violetinės iki raudonos. Jei yra 2 identiški lygiagrečiai plyšiai, jie suteikia identiškus difrakcijos modelius, kurie persidengia vienas su kitu, dėl to atitinkamai padidėja maksimumai, be to, atsiranda abipusiai bangų trukdžiai iš pirmojo ir antrojo plyšių, o tai žymiai apsunkina. Nuotrauka. Dėl to minimumai bus tose pačiose vietose, nes. Tai yra kryptys, kuriomis nė vienas iš plyšių nesiunčia šviesos. Be to, galimos kryptys, kuriomis dviejų plyšių siunčiama šviesa panaikina viena kitą.
Taigi ankstesni minimumai nustatomi pagal sąlygas: b sin j = l, 2l, 3l, ..., papildomi minimumai d sin j = l/2, 3l/2, 5l/2, ... (d yra tarpo b dydis kartu su nepermatomu tarpu a), pagrindinis maksimumas d sin j = 0,l, 2l, 3l, ..., t.y. tarp dviejų pagrindinių maksimumų yra vienas papildomas minimumas, o maksimumai siaurėja. nei su vienu plyšiu. Padidinus plyšių skaičių, šis reiškinys dar labiau išryškėja. Šviesos difrakcija vaidina svarbų vaidmenį skleidžiant šviesą drumstose terpėse, pavyzdžiui, ant dulkių dalelių, rūko lašelių ir kt. Spektrinių instrumentų su difrakcine gardele (difrakcinių spektrometrų) veikimas pagrįstas šviesos difrakcija.
Šviesos difrakcija lemia optinių prietaisų (teleskopų, mikroskopų ir kt.) skiriamosios gebos ribą. Dėl šviesos difrakcijos taškinio šaltinio (pavyzdžiui, žvaigždės teleskope) vaizdas atrodo kaip apskritimas, kurio skersmuo yra lflD, kur D yra objektyvo skersmuo, o f - jo židinio nuotolis. Lazerio spinduliuotės divergenciją lemia ir šviesos difrakcija. Siekiant sumažinti lazerio spindulio divergenciją, jis teleskopu paverčiamas platesniu spinduliu, o tada spinduliuotės divergencija nustatoma pagal objektyvo skersmenį D pagal formulę j ~ l/D.
Difrakcijos modelis, stebimas ekrane, esančiame už vieno plyšio pertvaros, gali būti apskaičiuotas remiantis superpozicijos ir bangų trukdžių principu. Tegul ant plyšio nukrenta λ ilgio monochromatinis šviesos spindulys. Tarpo d matmenys yra palyginami su λ: d ~ λ. Atstumas nuo lizdo iki ekrano L >> d. Kiekvienas tarpo taškas pagal Huygenso principą yra antrinės sferinės bangos šaltinis. Šios bangos trukdo viena kitai, todėl tikroji susidariusio bangos fronto padėtis yra antrinių bangų gaubtas, atsižvelgiant į jų trukdžius. Panagrinėkime dviejų tokių bangų, kylančių iš plyšio vidurio ir vieno iš kraštų, superpoziciją ir apskaičiuokime skirtumą tarp tokių bangų kelių savavališkame ekrano taške. Iš paprastų geometrinių sumetimų, atsižvelgiant į kampo Θ mažumą, galima gauti, kad skirtumas tarp šių dviejų bangų kelių yra lygus:
kur y yra stebėjimo taško koordinatė ekrane. Dviejų bangų trukdžiai bus destruktyvūs, jei kelio skirtumas lygus sveikajam pusbangių skaičiui m(λ /2). Iš čia randamos tų ekrano taškų, kuriuose atsiranda tamsios juostelės, koordinatės:
Šviesos intensyvumo pasiskirstymas difrakcijos schemoje turi ryškų maksimumą. Reikėtų pažymėti, kad minimumų padėčių matavimai leidžia (žinomiems parametrams d ir L) nustatyti šviesos bangos ilgį.
3. Difrakcinė gardelė
Pažangesnis spektrinės šviesos analizės instrumentas yra difrakcinė gardelė. Difrakcinė gardelė – tai daugybės vienodo pločio ir lygiagrečių vienas kitam plyšių, esančių toje pačioje plokštumoje ir atskirtų vienodo pločio nepermatomais tarpais, sistema. Difrakcinė gardelė daroma lygiagrečiai judant stiklo paviršių, naudojant dalijimo mašinas. Dalijimo mašinos atsekamos vietos išsklaido šviesą visomis kryptimis ir todėl yra praktiškai nepermatomi tarpai tarp nepažeistų plokštės dalių, kurios atlieka plyšių vaidmenį.
Brūkšnių skaičius 1 mm nustatomas pagal tiriamos spinduliuotės spektro sritį - nuo 300 1/mm (infraraudonojoje srityje) iki 1200 1/mm (ultravioletinėje). Šis įrenginys yra dviejų tipų: pralaidus (skaidrūs plyšiai kaitaliojasi su nepermatomais tarpais) ir atspindintis (sritys, kurios atspindi šviesą, kaitaliojasi su sritimis, kurios išsklaido šviesą). Abiem atvejais ant paviršiaus nusėda daug plyšių arba šviesą sklaidančių juostelių, kurių potėpių skaičius siekia 10 3 1 mm, o bendras potėpių skaičius ~ 10 5 . Atstumas tarp dviejų gretimų plyšių vadinamas grotelių periodu. Dvi bangos, kylančios iš dviejų gretimų plyšių kraštų, konstruktyviai trukdo, jei:
Akivaizdu, kad tokiu atveju bangos iš visų plyšių viena kitą sustiprins (kelio skirtumas, kurį lemia taškai, atskirti vienas nuo kito sveikuoju gardelės periodų skaičiumi, nepažeidžia konstruktyvių trukdžių sąlygų), o sufokusavus visus spinduliai su objektyvu, ekrano intensyvumo maksimumai. Taigi, ankstesnė formulė nustato difrakcijos modelio, kurį sukuria difrakcijos gardelė, maksimumų padėtį. Visų maksimumų, išskyrus pagrindinį maksimumą, atitinkantį m = 0, padėtis priklauso nuo bangos ilgio. Todėl, jei ant grotelių patenka balta šviesa, ji suyra į spektrą. Naudojant difrakcinę gardelę galima labai tiksliai išmatuoti bangos ilgį, nes esant dideliam plyšių skaičiui, intensyvumo maksimumų sritys susiaurėja, virsdamos plonomis ryškiomis juostomis, o atstumai tarp maksimumų (tamsiųjų juostų plotis) ) padidinti.
Atspindinčios difrakcijos grotelės yra geriausios kokybės. Jos yra tokios mažos kintamos sritys, kad, atspindėdamos šviesą, ją išsklaido dėl difrakcijos. Taigi šviesos spindulys yra padalintas į daugybę koherentinių pluoštų.
Jeigu skaidrių pjūvių plotis yra a, o nepermatomų tarpų plotis b, tai reikšmė d=a+b vadinama grotelių periodu. Jei šviesa, kurios bangos ilgis l, krenta ant gardelės įprastai (statmenai) jos paviršiui, tai, kaip matyti iš 1 paveikslo, spinduliai, išsklaidyti kampu j į pradinę kryptį iš atitinkamų kiekvienos plyšio vietų, turi kelio skirtumus dsinj (I ir II spinduliai) , 2dsinj (I ir III spinduliai) ir kt.
Bangos sustiprina viena kitą trukdžių metu, jei šis kelio skirtumas yra lygus sveikajam bangų skaičiui. Iš santykio randami kampai, kuriais stebimi maksimumai
K = 0, ±1, ±2, ±3… (1)
Maksimumai stebimi abiejose krintančio pluošto pusėse, o centrinis maksimumas (k=0) – krintančio pluošto kryptimi.
Lazerinio kompaktinio disko veidrodinis paviršius yra spiralinis takelis, kurio žingsnis yra proporcingas matomos šviesos bangos ilgiui. Tokiame tvarkingame ir smulkios struktūros paviršiuje atspindėtoje šviesoje pastebimai pasireiškia difrakcijos ir interferencijos reiškiniai, todėl jos sukuriamų atspindžių spalva yra vaivorykštė. Lazerio spindulys užima tokį mažą plotą kompaktiniame diske, kad šį plotą galima laikyti vienmačiu difrakcijos gardeliu.
Įrenginio (prietaiso Nr. 1), skirto šviesos difrakcijai stebėti kompaktinio disko, atliekančio atspindinčios difrakcijos grotelės vaidmenį, schema parodyta 2 paveiksle. Čia: 1 - šviesos šaltinis - lazerinis raktų pakabukas, pritvirtintas prie sukamoji juosta, 2 - atspindinčios difrakcijos grotelės - kompaktinio disko dalis, 3 - spaustukas preparato tvirtinimui, 4 - matuoklis difrakcijos kampams matuoti, 5 - matuoklis šviesos pluošto kritimo kampui matuoti , 6 - poliaroido tvirtinimo spaustukas.
4. Huygens-Fresnelio principas
Difrakcijos efektų ypatybė yra ta, kad difrakcijos modelis kiekviename erdvės taške yra daugelio antrinių Huygenso šaltinių spindulių trukdžių rezultatas. Šių poveikių paaiškinimą atliko Fresnelis ir jis buvo vadinamas Huygens-Fresnelio principu.
Huygenso-Fresnelio principo esmė gali būti išreikšta keliomis nuostatomis:
1) visas bangos paviršius, sužadintas kažkokiu S srities šaltiniu S 0, gali būti suskirstytas į mažas dalis su vienodais plotais dS, kurios bus antrinių šaltinių, skleidžiančių antrines bangas, sistema;
2) šie antriniai šaltiniai, kurie yra lygiaverčiai tam pačiam pirminiam šaltiniui S 0 , yra koherentiški vienas su kitu. Todėl bangos, sklindančios iš šaltinio S 0 bet kuriame erdvės taške, turi būti visų antrinių bangų interferencijos rezultatas;
3) visų antrinių šaltinių – bangos paviršiaus atkarpų su vienodais plotais – spinduliavimo galia yra vienoda;
4) kiekvienas antrinis šaltinis (kurio plotas dS) spinduliuoja daugiausia išorinės normaliosios n kryptimi į bangos paviršių šiame taške; antrinių bangų amplitudė kryptimi, kuri sudaro kampą su n, yra mažesnė, tuo didesnis kampas a ir lygi nuliui;
5) antrinių bangų, pasiekusių tam tikrą erdvės tašką, amplitudė priklauso nuo antrinio šaltinio atstumo iki šio taško: nei didesnis atstumas, tuo mažesnė amplitudė;
6) kai dalį bangos paviršiaus S dengia nepermatomas ekranas, antrines bangas skleidžia tik atviri šio paviršiaus plotai. Tokiu atveju šviesos bangos dalis, kurią dengia nepermatomas ekranas, visiškai neveikia, o atviros bangos sritys veikia taip, lyg ekrano iš viso nebūtų.
5. Frenelio zonų metodas
Frenelio difrakcija vaidina svarbų vaidmenį bangų teorijoje, nes priešingai Huygenso principui ir remiantis Huygens-Fresnelio principu, paaiškina tiesinį šviesos sklidimą vienalytėje terpėje, kurioje nėra kliūčių. Norėdami tai parodyti, apsvarstykite taškinio šaltinio s0 sferinės šviesos bangos veikimą savavališkame erdvės taške Р. Tokios bangos bangos paviršius yra simetriškas tiesės S0P atžvilgiu. Norimos bangos amplitudė taške P priklauso nuo visų paviršiaus S ruožų dS skleidžiamų antrinių bangų interferencijos rezultato. Antrinių bangų amplitudės ir pradinės fazės priklauso nuo atitinkamų šaltinių vietos dS su dėl taško P.
Pasinaudodamas problemos simetrija, Fresnelis pasiūlė originalų bangos paviršiaus padalijimo į zonas metodą (Frenelio zonų metodas). Pagal šį metodą bangos paviršius padalinamas į žiedines zonas, sukonstruotas taip, kad atstumai nuo kiekvienos zonos kraštų iki taško P skiriasi (šviesos bangos ilgiu terpėje, kurioje banga sklinda). Jei r0 žymime atstumą nuo bangos paviršiaus O viršaus iki taško P, tai atstumai r 0 + k sudaro visų zonų ribas, kur k yra zonos numeris. Svyravimai, ateinantys į tašką P iš panašių taškų - dviejų gretimų zonų, fazėje yra priešingi, nes kelio skirtumas nuo šių zonų iki taško P yra lygus. Todėl sudėjus šie virpesiai vienas kitą susilpnina, o gauta amplitudė bus išreikšta suma:
A \u003d A 1 -A 2 + A 3 -A 4 + ....
Amplitudės a k dydis priklauso nuo -tosios zonos ploto ir kampo tarp išorinės normaliosios zonos paviršiaus bet kuriame jos taške ir tiesės, nukreiptos iš šio taško į tašką P. parodyta, kad -osios zonos plotas nepriklauso nuo zonos skaičiaus sąlygomis. Taigi nagrinėjamu aproksimavimu visų Frenelio zonų plotai yra vienodi ir visų Frenelio zonų – antrinių šaltinių – spinduliavimo galia yra vienoda. Tuo pačiu metu, kai k didėja, kampas tarp normalios paviršiaus ir krypties į tašką P didėja, o tai lemia spinduliuotės intensyvumo sumažėjimą. k-oji zonašia kryptimi, t.y. iki amplitudės A k sumažėjimo, lyginant su ankstesnių zonų amplitudėmis. A amplitudė k taip pat mažėja dėl - didėjant atstumui nuo zonos iki taško P, didėjant k. Galų gale
A 1 > A 2 > A 3 > A 4 > ... > A k >….
Dėl didelio zonų skaičiaus Ak mažėjimas yra monotoniškas, ir galime apytiksliai daryti prielaidą, kad, atsižvelgiant į nedidelę tolimų zonų amplitudę, visos skliausteliuose pateiktos išraiškos yra lygios nuliui. Gautas rezultatas reiškia, kad sferinės bangos paviršiaus taške P sukeliami virpesiai yra tokios pat amplitudės, lyg būtų aktyvi tik pusė centrinės Frenelio zonos. Vadinasi, šviesa nuo šaltinio S 0 iki taško P sklinda tarsi labai siauru tiesioginiu kanalu, t.y. tiesmukai. Darome išvadą, kad dėl trukdžių reiškinio sunaikinamas visų zonų veikimas, išskyrus pirmąją.
6. Vieno plyšio Fraunhoferio difrakcija
Praktiškai lizdą vaizduoja stačiakampė skylė, kurios ilgis yra daug didesnis nei plotis. Šiuo atveju šviesa sklinda į dešinę ir į kairę plyšio pusę. Jei šaltinio vaizdą stebėsime kryptimi, statmena plyšio generatoriaus krypčiai, galime apsiriboti difrakcijos modelio svarstymu vienoje dimensijoje (išilgai x). Jei banga paprastai patenka į plyšio plokštumą, pagal Huygens-Fresnelio principą, plyšio taškai yra antriniai vienoje fazėje svyruojančių bangų šaltiniai, nes plyšio plokštuma sutampa su krintančios bangos priekiu. Padalinkime plyšio plotą į daugybę vienodo pločio siaurų juostelių, lygiagrečių lizdo generatoriui. Iš skirtingų juostų vienodais atstumais bangų fazės, remiantis tuo, kas išdėstyta pirmiau, yra vienodos, amplitudės taip pat yra vienodos, nes pasirinkti elementai turi vienodus plotus ir yra vienodai linkę į stebėjimo kryptį.
Jei šviesai praeinant pro plyšį būtų laikomasi tiesinio sklidimo dėsnio (nebūtų difrakcijos), tai ekrane E, sumontuotame lęšio L 2 židinio plokštumoje, būtų plyšio vaizdas. gautas. Todėl kryptis = 0 apibrėžia nedifrakuotą bangą, kurios amplitudė a 0 lygi bangos, siunčiamos per visą plyšį, amplitudei.
Dėl difrakcijos šviesos spinduliai nukrypsta nuo tiesinio sklidimo kampuose. Nuokrypis į dešinę ir į kairę yra simetriškas vidurio linijai OS0 (8.5 pav., C ir C,). Norint rasti viso plyšio veikimą kampo nustatyta kryptimi, būtina atsižvelgti į fazių skirtumą, apibūdinantį bangas, pasiekiančias stebėjimo tašką C iš skirtingų juostų (Fresnelio zonų), nes Kaip minėta pirmiau, visi lygiagretūs spinduliai, patenkantys į objektyvą kampu jo optinei ašiai OS0, kuri yra statmena krintančios bangos priekiui, surenkami į objektyvo C šoninį židinį. Nubraižykime plokštumą FD, statmeną difrakuotų spindulių krypčiai ir vaizduojančią naujos bangos priekį.
Kadangi lęšis neįveda papildomo spindulių kelio skirtumo, visų spindulių kelias nuo FD plokštumos iki taško C yra vienodas. Vadinasi, bendras spindulių kelio skirtumas nuo plyšio FE pateikiamas segmentu ED. Nubrėžkime plokštumas lygiagrečias bangos paviršiui FD taip, kad jos padalintų atkarpą ED į kelias dalis, kurių kiekvienos ilgis yra /2. Šios plokštumos padalins plyšį į anksčiau minėtas juostas – Frenelio zonas, o kelių skirtumas nuo gretimų zonų yra lygus pagal Frenelio metodą. Tada difrakcijos rezultatas taške C bus nustatomas pagal Frenelio zonų, kurios telpa į plyšius, skaičių: jei zonų skaičius lyginis (z = 2k), taške C yra minimali difrakcija, jei z nelyginis. (z = 2k + 1), taške C – didžiausia difrakcija .
Frenelio zonų, kurios telpa į lizdus FE, skaičius nustatomas pagal tai, kiek kartų ED yra segmente, t.y. z = 0. Atkarpa ED, išreikšta plyšio pločiu ir difrakcijos kampu, bus užrašoma kaip ED = 0. Dėl to gauname difrakcijos maksimumų padėties sąlygą, kur k - 1,2 ,3 .. yra sveikieji skaičiai. Reikšmė k, kuri paima natūralių eilučių skaičių reikšmes, vadinama difrakcijos maksimumo tvarka. Formulėse esantys + ir - ženklai atitinka šviesos spindulius, besiskiriančius nuo plyšio + ir - kampais ir susiliejančius šoniniuose objektyvo židiniuose L2: C ir C, kurie yra simetriški pagrindinio židinio C 0 atžvilgiu. Kryptimi = 0 stebimas intensyviausias nulinės eilės centrinis maksimumas, nes svyravimai iš visų Frenelio zonų vienoje fazėje ateina į tašką С0.
Centrinio maksimumo (= 0) padėtis nepriklauso nuo bangos ilgio, todėl yra bendra visiems bangos ilgiams. Todėl baltos šviesos atveju difrakcijos modelio centras bus rodomas kaip balta juostelė. Aišku, kad maksimumų ir minimumų padėtis priklauso nuo bangos ilgio. Todėl paprastas tamsių ir šviesių juostų kaitaliojimas vyksta tik monochromatinėje šviesoje. Baltos šviesos atveju skirtingų bangos ilgių difrakcijos modeliai pasislenka pagal bangos ilgį. Centrinis baltas maksimumas turi vaivorykštės spalvą tik kraštuose (viena Frenelio zona telpa plyšio plotyje).
Skirtingų bangų ilgių šoniniai maksimumai nebesutampa tarpusavyje; arčiau centro yra maksimumai, atitinkantys trumpesnes bangas. Ilgųjų bangų maksimumai yra toliau vienas nuo kito nei trumpųjų bangų maksimumai. Todėl difrakcijos maksimumas yra spektras, kurio violetinė dalis atsukta į centrą. Visiškas šviesos užgesimas neįvyksta jokiame ekrano taške, nes šviesos maksimumai ir minimumai sutampa su skirtingais.
Reliatyvumo teorija (Albertas Einšteinas)
Erdvė ir laikas yra viena, egzistuoja ryšys tarp masės ir energijos – specialioji reliatyvumo teorija, praėjusio šimtmečio pradžioje pavertusi visuotinai priimtas idėjas apie pasaulį, iki šiol ir toliau jaudina žmonių protus ir širdis.
1905 m. Albertas Einšteinas paskelbė specialiąją reliatyvumo teoriją (STR), kuri paaiškino, kaip interpretuoti judesius tarp skirtingų inercinių atskaitos rėmų – paprasčiau tariant, objektų, kurie vienas kito atžvilgiu juda pastoviu greičiu.
Einšteinas paaiškino, kad kai du objektai juda pastoviu greičiu, reikėtų atsižvelgti į jų judėjimą vienas kito atžvilgiu, o ne vieną iš jų laikyti absoliučia atskaitos sistema.
Taigi, jei du astronautai, jūs ir, tarkime, Hermanas, skraidote dviem erdvėlaiviais ir norite palyginti savo stebėjimus, vienintelis dalykas, kurį turite žinoti, yra jūsų greitis vienas kito atžvilgiu.
Specialusis reliatyvumas svarsto tik vieną ypatingą atvejį (taigi ir pavadinimas), kai judesys yra tiesus ir vienodas.
Jeigu materialus kūnas įsibėgėja arba pasisuka į šoną, SRT dėsniai nebegalioja. Tada pradeda veikti bendroji reliatyvumo teorija (GR), kuri paaiškina judesius materialūs kūnai apskritai.
Einšteino teorija remiasi dviem pagrindiniais principais:
1. Reliatyvumo principas: fizikiniai dėsniai išsaugomi net kūnams, kurie yra inercinės atskaitos sistemos, t.y. juda toliau pastovus greitis vienas kito atžvilgiu.
2. Šviesos greičio principas: šviesos greitis išlieka vienodas visiems stebėtojams, nepriklausomai nuo jų greičio šviesos šaltinio atžvilgiu. (Fizikai šviesos greitį vadina c.)
Viena iš Alberto Einšteino sėkmės priežasčių yra ta, kad eksperimentinius duomenis jis iškėlė aukščiau už teorinius duomenis. Kai daugybė eksperimentų parodė rezultatus, kurie prieštarauja visuotinai priimtai teorijai, daugelis fizikų nusprendė, kad šie eksperimentai buvo klaidingi.
Albertas Einšteinas buvo vienas pirmųjų, nusprendusių statyti nauja teorija remiantis naujais eksperimentiniais duomenimis.
XIX amžiaus pabaigoje fizikai ieškojo paslaptingo eterio – terpės, kurioje, remiantis visuotinai priimtomis prielaidomis, turėtų sklisti šviesos bangos, kaip ir akustinės bangos, kurių sklidimui reikalingas oras, arba kitos terpės. - kietas, skystas arba dujinis.
Tikėjimas eterio egzistavimu paskatino manyti, kad šviesos greitis turi keistis stebinčiojo greičiu eterio atžvilgiu.
Albertas Einšteinas atsisakė eterio sąvokos ir manė, kad visi fiziniai dėsniai, įskaitant šviesos greitį, išlieka nepakitę, nepaisant stebėtojo greičio – kaip parodė eksperimentai.
Šviesos trukdžių tyrimas ir naudojamos spinduliuotės bangos ilgio nustatymas
Laboratorinių darbų gairės
PENZA 2007 m
Tikslas- trukdžių modelio stebėjimo ir jo parametrų matavimo, naudojamos spinduliuotės bangos ilgio nustatymo metodų tyrimas.
INSTRUMENTAI IR PRIEDAI
1. Optinis suoliukas.
3. Frenelio biprizma.
5.Atspindintis ekranas.
TRUKDŽIŲ RAŠTŲ GAVIMO METODAI
Iš patirties žinoma, kad jei šviesa iš dviejų šaltinių krenta ant tam tikro paviršiaus (pavyzdžiui, iš dviejų kaitrinių lempų), tai šio paviršiaus apšvietimas yra kiekvieno šaltinio atskirai sukuriamų apšvietimų suma. Paviršiaus apšvietimas nustatomas pagal šviesos srauto ploto vienetui vertę, todėl bendras šviesos srautas, nagrinėjamu atveju patenkantis į bet kurį paviršiaus elementą, yra lygus srautų sumai iš kiekvieno paviršiaus. šaltinius. Tokie stebėjimai leido atrasti šviesos pluoštų nepriklausomybės dėsnį.
Tačiau situacija iš esmės pasikeičia, jei paviršių apšviečia dvi šviesos bangos, kurias skleidžia tas pats taškinis šaltinis, bet skirtingais keliais keliauja į susitikimo vietą. Tokiu atveju, kaip rodo patirtis, atskiros paviršiaus dalys bus apšviestos labai silpnai; šviesos bangos, uždengtos, užgesina viena kitą. Kitų sričių, kuriose viena kitą stiprinančios bangos, apšvietimas žymiai viršys dvigubą apšvietimą, kurį gali sukurti viena iš šių bangų.
Taigi paviršiuje bus stebimas kintamo apšvietimo maksimumų ir minimumų raštas, kuris vadinamas interferenciniu modeliu (1 pav.).
Tokio paveikslo atsiradimas, kai šviesos bangos sutampa, vadinamas šviesos trukdžiais. Būtina sąlyga bangos trukdžiai yra koherentiškumas, t.y. jų dažnių lygybė ir fazių skirtumo pastovumas laike. Du nepriklausomi šviesos šaltiniai, pavyzdžiui, dvi lemputės, sukuria nenuoseklias bangas ir nesudaro trukdžių modelio. Yra įvairių būdų dirbtinai sukurti koherentines bangas ir stebėti šviesos trukdžius. Panagrinėkime kai kuriuos iš jų.
1.1. Youngo metodas
Pirmasis eksperimentas, leidęs atlikti kiekybinę trukdžių reiškinio analizę, buvo Youngo eksperimentas, surengtas 1802 m.
Įsivaizduokite labai mažą monochromatinės šviesos šaltinį o (2 pav.), apšviečiantį dvi vienodai mažas ir glaudžiai išdėstytas angas ekrane. BET.
Pagal Huygenso principą šios skylės gali būti laikomos nepriklausomais antrinių sferinių bangų šaltiniais. Jei taškai ir yra vienodu atstumu nuo šviesos šaltinio S, tada svyravimų fazės šiuose taškuose bus vienodos (bangos yra koherentiškos) ir bet kuriame taške R antrasis ekranas AT, iš kur kils šviesos bangos ir , vienas ant kito esančių virpesių fazių skirtumas priklausys nuo skirtumo , kuris vadinamas kelio skirtumu.
Kai kelio skirtumas lygus lyginiam pusbangių skaičiui, svyravimų fazės skirsis 2π kartotiniu, o šviesos bangos, kai jos yra viename taške R sustiprins vienas kitą, taškas R ekranas bus labiau apšviestas nei gretimi taškai tiesioje linijoje ARBA.
Maksimalaus taško P apšvietimo sąlyga gali būti parašyta taip:
kur Į=1,2,3,4…
Jei kelio skirtumas lygus nelyginiam pusbangių skaičiui, tada taške R svyravimai, sklindantys iš ir panaikins vienas kitą, ir šis taškas nebus apšviestas. Minimali taško apšvietimo sąlyga
Tie patys taškai ekrane AT, kelio skirtumas, iki kurio tenkinama sąlyga
bus apšviestos, tačiau jų apšvietimas bus mažesnis nei maksimalus. Todėl ekrane stebimas trukdžių modelis yra juostų sistema, kurioje apšvietimas sklandžiai kinta pagal sinusoidinį dėsnį pereinant iš šviesios juostos į tamsią.
Už tašką O ekranas, vienodu atstumu nuo šaltinių ir , spindulių kelio skirtumas ir lygus nuliui, t.y. dėl trukdžių šis taškas bus kiek įmanoma apšviestas (nulinės eilės maksimumas).
Nustatykime atstumą iki tų taškų, kuriuose bus stebimi šie trukdžių maksimumai, t.y. apibrėžti.
Iš stačiųjų trikampių ir mes turime (pagal Pitagoro teoremą):
Atimdami terminą po termino gauname
Perrašykime šią lygybę į formą
Darant prielaidą, kad atstumas tarp šaltinių yra daug mažesnis nei atstumas nuo šaltinių iki ekrano, galime daryti prielaidą, kad
Tada lygybė (5) įgauna formą
Savo ruožtu, tada kur
Ir galiausiai, atstumą iki taškų, kuriuose stebimi maksimumai, galima rasti iš (1) ir (8) sąlygų.
Nuo (9)
Todėl pirmoji maksimaliai apšviesta linija bus atstumu nuo ekrano vidurio:
Antroji linija su didžiausiu apšvietimu bus išdėstyta atstumu
Atstumas iki taškų, kuriuose stebimi minimumai (tamsios linijos), gaunamas iš sąlygos
kur = 0,1,2,3...
Interferencinio modelio periodas, t.y. atstumas tarp artimiausių to paties apšvietimo linijų (pavyzdžiui, maksimalaus arba mažiausio), kaip matyti iš (9) arba (10), yra lygus
Kai skylės apšviečiamos balta (polichromatine) šviesa, ekrane gaunamos spalvotos juostelės, o ne tamsios ir šviesios, kaip aprašytame eksperimente.
1.2. Lloydo metodas
Ant pav. 3 parodytas trukdžių įtaisas, sudarytas iš tikro šviesos šaltinio S ir plokščias veidrodis (Lloyd's veidrodis). Vienas šviesos spindulys, sklindantis iš šviesos šaltinio, atsispindi veidrodyje ir patenka į ekraną. Šis šviesos spindulys gali būti pavaizduotas kaip sklindantis iš virtualaus vaizdo
šviesos šaltinis, kurį sudaro veidrodis. Be to, į ekraną patenka tiesiai iš šviesos šaltinio sklindantys spinduliai. S. Ekrano srityje, kurioje persidengia abu šviesos pluoštai, t.y. dvi koherentinės bangos yra uždėtos, bus stebimas trukdžių modelis.
1.3. Frenelio biprizmė
Koherentines bangas galima įkrauti ir Frenelio biprizmės pagalba – dvi prizmės (su labai mažais lūžio kampais), sukrautos jų pagrinduose.
4 paveiksle parodyta šio eksperimento spindulių kelio diagrama.
Skirtingų spindulių pluoštas iš šviesos šaltinio S, einantis per viršutinę prizmę, lūžta iki jos pagrindo ir plinta toliau, tarsi iš taško – įsivaizduojamas taško vaizdas. Kitas spindulys, patenkantis į apatinę prizmę, lūžta ir nukreipiamas aukštyn. Taškas, nuo kurio išsiskiria šio pluošto spinduliai, taip pat yra įsivaizduojamas taško vaizdas. Abu spinduliai yra vienas ant kito ir ekrane sukuria trukdžių modelį. Trikdžių rezultatas kiekviename ekrano taške, pavyzdžiui, taške P, priklauso nuo į šį tašką patenkančių spindulių kelio skirtumo, t.y. nuo atstumų skirtumo iki įsivaizduojamų šviesos šaltinių ir .
2. MONTAVIMO APRAŠYMAS
IR SKAIČIAVIMO FORMULĖS IŠVADA
Šiame darbe iš stebimo trukdžių modelio periodo matavimo rezultatų reikia nustatyti panaudotos monochromatinės spinduliuotės bangos ilgį. Spinduliuotės šaltinis yra lazeris, kartu su kitais eksperimentinės sąrankos blokais pastatytas ant optinio stendo (lazerio veikimo fizika aprašyta priede). Instaliacijos optinė schema parodyta 5 pav.
Lygiagretus lazerio generuojamas šviesos spindulys LG, sufokusuotas objektyvu L 1, o jo židinio taškas yra šaltinis, apšviečiantis Frenelio biprizmą bf. Atsižvelgiant į tai, kad atstumas nuo taško iki biprizmės yra daug didesnis nei šviesos taškas ant biprizmės, t.y. iš lęšio židinio sklindančio spindulių pluošto divergencija L 1, yra mažas, pirmuoju aproksimavimu galime daryti prielaidą, kad visi spinduliai, patenkantys į biprizmą, yra lygiagretūs. Tada spinduliai, patenkantys į viršutinį biprizmės pleištą, nukreipiami žemyn kampu
kur P- biprizmės lūžio rodiklis;
Biprizmos lūžio kampas.
Ant apatinio pleišto patenkantys spinduliai taip pat nukreipiami į viršų kampu. Taigi nuo biprizmos iki objektyvo L 2 sklinda du lygiagretūs šviesos pluoštai (dvi plokštumos bangos), kurių kampas lygus 2 . Objektyvas L 2 sufokusuoja šiuos spindulius ir savo židinio plokštumoje sudaro du taškinius šaltinius, nutolusius vienas nuo kito per atstumą
kur yra objektyvo židinio nuotolis L 2.
Atsižvelgiant į tai, kad poslinkis, kaip ir kampas, yra labai mažas, atstumas tarp šaltinių gali būti parašytas kaip
Iš šių šaltinių sklindančios koherentinės bangos dedamos viena ant kitos ir ekrane sudaro interferencijos modelį, kurio periodas apibūdinamas išraiška (11), pakeičiant šią išraišką.
(kas išplaukia iš (12), (14) formulių ir 5 pav.) laikotarpiui, kurį rašome
Iš čia gauname skaičiavimo formulę
Į (17) formulę įtraukti parametrai yra apibendrinti lentelėje.
DARBO TVARKA
1. Įkiškite lazerinio maitinimo šaltinio maitinimo laidą į elektros lizdą. Įjunkite lazerį naudodami „tinklo“ perjungimo jungiklį, esantį maitinimo šaltinio priekiniame skydelyje.
2. Ant optinio stendo, judindami biprizmą ir lęšį (judindami vežimėlius), nustatykite juos į tokią padėtį, kurioje būtų aiškiai matomas trukdžių modelis, panašus į 1 pav.
3. Optinio stendo skalėje nustatykite atstumą L nuo objektyvo L 1 iki ekrano E.
4. Naudodami ekrano mastelio tinklelį, nustatykite trukdžių modelio periodą (kad tiksliausiai nustatytumėte laikotarpį, apsvarstykite, kiek šviesos juostų telpa 20–30 mm segmente, tada padalinkite segmento ilgį pagal juostų skaičių).
5. Naudodamiesi lentelės duomenimis ir skaičiavimo formule (17), apskaičiuokite bangos ilgį .
6. Pastraipose nurodytos operacijos. 2–5, pakartokite 3–4 kartus, kiekvieną kartą judindami objektyvą L 1 50-100 mm nuo pradinės padėties.
7. Vidutiniškai apskaičiuokite gautas bangos ilgio vertes.
| patirties numeris | P | , m | L, m | , m | , m | sr, m | |
| 1,53 | |||||||
| 1,53 | |||||||
| 1,53 | |||||||
| 1,53 |
testo klausimai
1. Kas yra bangų trukdžiai?
2. Kokios sąlygos atsiranda trukdžių modeliui?
3. Įvardykite koherentinių šviesos bangų gavimo būdus.
4. Kokios yra trukdžių maksimumų ir minimumų susidarymo sąlygos?
5. Paaiškinkite, kaip trukdžių rašto periodas priklauso nuo biprizmės lūžio kampo ir šviesos bangos ilgio.
6. Kokia lazerio paskirtis šiame darbe?
7. Nubraižykite instaliacijos optinį išdėstymą ir paaiškinkite elementų paskirtį.
Taikymas
Lazerio veikimo fizinis pagrindas
Tyrinėdami kvantinės sistemos (atomo ar molekulės) tyrimo ir absorbcijos mechanizmą, nustatėme, kad perėjimo metu kvantinė sistema Iš vienos energetinės būsenos į kitą išspinduliuojama arba sugeriama dalis elektromagnetinės energijos (6 pav.).
Kartu buvo kalbama tik apie tokį spinduliavimo mechanizmą, kuriame atomas spontaniškai (spontaniškai) pereina į žemesnį energijos lygį, t.y. be jokio išorinio postūmio (šilumos spinduliuotės, liuminescencijos ir kt.). Tačiau šis spinduliavimo mechanizmas nėra vienintelis įmanomas.
A. Einšteinas 1917 metais nustatė, kad kvantinė sistema išorinio elektromagnetinio lauko įtakoje gali išspinduliuoti energijos kvantą (perkeldama į būseną, kurios energija mažesnė). Šis poveikis vadinamas indukuota (stimuliuota) spinduliuote. Tai procesas, atvirkštinis fotonų absorbcijos terpėje procesui (neigiamas sugerties koeficientas). Tai yra, kai sužadintas atomas yra veikiamas kito, išorinio fotono, kurio energija lygi spontaniškai išspinduliuoto fotono energijai, sužadintas atomas pereis į ne žemesnį energijos lygį ir išskirs fotoną, kuris bus pridėtas prie fotono. incidentas vienas ("6 pav., b).
Indukuota elektromagnetinė spinduliuotė turi nepaprastą savybę, ji yra identiška pirminei spinduliuotei, patenkančiai į medžiagą, t.y. sutampa su juo dažniu, kryptingai sklinda ir poliarizuojasi, ir nuosekliai per visą medžiagos tūrį. Esant spontaninei emisijai, fotonai turi skirtingas fazes ir kryptis, o jų dažniai yra tam tikrame verčių diapazone.
Terpė, kurioje galima indukuota (stimuliuojama) spinduliuotė, turi neigiamą sugerties koeficientą, nes spinduliavimo srautas, praeinantis per tokias terpes, ne susilpnėja, o sustiprėja. Šios terpės nuo įprastų skiriasi tuo, kad jose yra daugiau sužadintų atomų nei nesužadintų.
Normaliomis sąlygomis absorbcija visada viršija stimuliuojamą emisiją. Tai paaiškinama tuo, kad paprastai nesužadintų atomų skaičius visada yra didesnis nei sužadintų atomų skaičius, o perėjimų viena ar kita kryptimi tikimybė veikiant išoriniams fotonams yra vienoda (“žr. b pav., a ).
Galimybę sukurti kvantinę sistemą, galinčią perduoti energiją elektromagnetinei bangai, 1939 m. pirmą kartą pagrindė sovietų fizikas V. A. Fabrikantas. Vėliau, 1955 m., sovietų fizikai N. G. Basovas ir A. M. Prochorovas ir, nepriklausomai nuo jų, amerikiečių fizikai L. Townesas ir J. Gordonas sukūrė pirmuosius veikiančius kvantinius prietaisus, pagrįstus indukuotos spinduliuotės naudojimu.
Įrenginiai, naudojantys stimuliuojamą emisiją, gali veikti tiek stiprinimo, tiek generavimo režimu. Atitinkamai, jie vadinami kvantiniais stiprintuvais arba kvantiniais generatoriais. Jie dar vadinami trumpais lazeriais (jei tai yra stiprinimas ar matomos šviesos generavimas), o mazeriais – kai stiprinama (ar generuojama) ilgesnės bangos spinduliuotė (infraraudonieji spinduliai, radijo bangos).
Lazeryje pagrindinės dalys yra: aktyvioji terpė, kurioje vyksta stimuliuojama spinduliuotė, šios terpės dalelių sužadinimo šaltinis ("įkaitinimas") ir įrenginys, leidžiantis sustiprinti fotonų laviną.
Šiuolaikinių kvantinių stiprintuvų ir generatorių darbinis elementas (aktyvioji terpė) naudojamos įvairios medžiagos, dažniausiai kietos ir dujinės.
Apsvarstykite vieną iš kvantinio generatoriaus tipų, kurių pagrindą sudaro sintetinis rubinas (7 pav.). Darbinis elementas yra cilindras 2, pagamintas iš rožinio rubino (aktyvioji terpė), kuris, pasak cheminė sudėtis yra aliuminio oksidas – korundas, kuriame aliuminio atomai nedideliais kiekiais pakeisti chromo atomais. Kuo didesnis chromo kiekis, tuo intensyvesnė rubino raudona spalva. Jo spalva atsirado dėl to, kad chromo atomai selektyviai sugeria šviesą žaliai geltonoje spektro dalyje. Šiuo atveju spinduliuotę sugėrę chromo atomai pereina į sužadinimo būseną. Atvirkštinį perėjimą lydi fotonų emisija.
Cilindro matmenys gali būti maždaug 0,1–2 cm skersmens ir 2–23 cm ilgio. Plokšti jo galai yra kruopščiai poliruoti ir lygiagrečiai su dideliu tikslumu. Jie yra padengti sidabru, kad vienas rubino galas taptų visiškai atspindintis (veidrodinis), o kitas, švytintis, pasidabruotas ne taip tankiai ir iš dalies atspindi (pralaidumas paprastai yra nuo 10 iki 25%).
Rubino cilindras yra apsuptas spiralinės blykstės lempos 1 ritėmis, kurios skleidžia daugiausia žalią ir mėlyną spinduliuotę. Dėl šios spinduliuotės energijos atsiranda sužadinimas. Šviesos susidarymo reiškinyje dalyvauja tik chromo jonai.
Ant pav. 8 paveiksle parodyta supaprastinta rubino stimuliuojamos emisijos atsiradimo schema. Kai rubino kristalas apšvitinamas šviesa (iš lempos), kurios bangos ilgis yra 5600 A (žalia), chromo jonai, kurie anksčiau buvo 1 energijos lygyje, pereina į viršutinį 3 energijos lygį, tiksliau, į lygius, esančius 3 juostoje.
Per trumpą (bet gana apibrėžtą) laiką kai kurie iš šių jonų sugrįš į 1 lygį su emisija, kiti į 2 lygį, vadinamą metastabiliais ( R- lygis). Šiame perėjime spinduliuotė nevyksta: chromo jonai atiduoda energiją rubino kristalinei gardelei. Metastabiliame (tarpiniame) lygyje jonai išbūna ilgiau nei viršutiniame lygyje, ko pasekoje pasiekiama metastabiliojo 1 lygio populiacijos perteklius (populiacijos inversija).Tai vadinama optiniu pumpavimu.
Jei dabar nukreiptume spinduliuotę į rubiną, kurio dažnis atitinka perėjimo iš 2 lygio į 1 lygį energiją, t.y.
tada ši spinduliuotė skatina jonus, esančius 2 lygyje, atiduoti savo energijos perteklių ir pereiti į 1 lygį. Perėjimą lydi to paties dažnio fotonų emisija
Taigi pradinis signalas daug kartų sustiprinamas ir įvyksta laviną primenanti siaurų raudonų linijų emisija.
Fotonai, kurie nejuda lygiagrečiai išilginei kristalo ašiai, palieka kristalą, pereidami per skaidrias šonines sieneles.
Dėl šios priežasties išėjimo spindulys susidaro dėl to, kad fotonų srautai, daug kartų atsispindėdami nuo rubino cilindro priekinių ir galinių veidrodžių paviršių, pasiekę pakankamą galią, išeina per tą galinį paviršių, kuris turi šiek tiek skaidrumas.
Staigus spindulio kryptingumas leidžia sutelkti energiją į itin mažus plotus. Lazerio impulso energija yra maždaug 1 J, o impulso laikas - 1 μs. Todėl impulsų galia yra apie 1000 W.
Jei toks spindulys sutelktas į 100 μm plotą, savitoji galia impulso metu bus 109 W/cm. Esant tokiai galiai, bet kokios ugniai atsparios medžiagos virsta garais. Galingas ir labai siauras koherentinės šviesos spindulys jau rado pritaikymą mikrosuvirinimo ir skylių darymo technologijoje medicinoje – kaip chirurginis peilis atliekant akių operacijas („suvirinant“ atsiskyrusią tinklainę) ir kt.
DUJŲ LAZERIAI
Praėjus metams po to, kai 1960 m. amerikiečių fizikas T. Maimanas sukūrė rubino lazerį, buvo sukurtas dujinis lazeris, kuriame aktyvioji terpė buvo helio ir neoninių dujų mišinys, kurio slėgis kelis šimtus kartų mažesnis nei atmosferos. Dujų mišinys buvo patalpintas į stiklinį arba kvarcinį vamzdelį (9 pav.), kuriame išorinės įtampos pagalba į lituojamus elektrodus E buvo palaikoma elektros iškrova, t.y. elektros dujose.
Šiuo atžvilgiu dujinis lazerio vamzdis mažai skiriasi nuo įprastų neoninių reklaminių vamzdžių. Dujų išlydžio vamzdžio galuose (kelių dešimčių centimetrų ilgio) dedami veidrodžiai 3, kurie sudaro tą patį optinį rezonatorių kaip ir rubino lazerio. Tačiau populiacijos inversija šiame lazeryje pasiekiama kitaip nei kietojo kūno lazeriuose su optiniu siurbimu iš blykstės lempos.
Laisvieji elektronai, kurie dujose sudaro elektros iškrovos srovę, susiduria su pagalbinių dujų, šiuo atveju helio, atomais ir perkelia helio atomus į sužadinimo būseną, suteikdami jiems kinetinę energiją smūgio metu. Ši sužadinta būsena yra metastabili; helio atomas jame gali išbūti gana ilgai, kol dėl spontaniškos emisijos pereina į pagrindinę būseną. Tiesą sakant, toks spinduliavimo perėjimas iš viso neturi laiko įvykti, nes helio atomas atiduoda savo energiją neoniniam atomui, kuris su juo susidūrė. Dėl to helio atomas grįžta į pradinę būseną, o neono energijos lygiuose atsiranda atvirkštinė populiacija, kuri sustiprina ir generuoja spinduliuotę, kurios bangos ilgis atitinka raudoną šviesą.
Nenutrūkstamu režimu veikiančio helio-neoninio lazerio spinduliuotės galia nedidelė, tai kelios tūkstantosios vatų dalys. Tačiau dėl didelio dujinės terpės optinio homogeniškumo ši spinduliuotė pasižymi labai dideliu kryptingumu ir monochromatiškumu bei koherentiškumu. Nesunku padaryti, kad tokia spinduliuotė trukdytų, kuri naudojama šiame darbe.
.Šviesos banginės savybės pasireiškia trukdžių reiškiniais. Pastarojo esmė slypi tame, kad esant tam tikroms sąlygoms dviejų šviesos šaltinių apšviestoje zonoje, stebėjimo erdvėje susidaro periodinis apšvietimo pokytis.Jei vienas iš šaltinių užgęsta, tai apšvietimas toje pačioje srityje pasikeičia. monotoniškai.
Tegul erdvėje sklinda dvi slenkančios elektromagnetinės bangos, kurių elektriniai vektoriai yra lygiagrečiai:
Čia r 1 ir r 2 - atstumai nuo bangų šaltinių iki nagrinėjamo erdvės taško, ω 1 - svyravimų kampiniai dažniai, - bangų skaičiai.
Darant prielaidą, kad stebėjimo sritis yra toli nuo šaltinių ir nedidelė, galime nepaisyti amplitudės pokyčio atsižvelgiant į atstumą. Tada bendras svyravimas tam tikru momentu bus aprašytas išraiška:
kur ženklas Δ reiškia skirtumą tarp atitinkamų dydžių.
Kadangi beveik visi šviesos imtuvai reaguoja į energiją ir turi didelę inerciją, šių bangų suvokimą lems vidutinė amplitudės kvadrato vertė:
(čia atsižvelgėme į tai, kad vidutinis kosinuso kvadratas yra 1/2). Tačiau spinduliuotės intensyvumas yra proporcingas amplitudės kvadratui, todėl šiuo atveju intensyvumas tiesiog susumuojamas:
Tai pastebima, kai matymo laukas yra apšviestas nepriklausomų šaltinių. Tokio pobūdžio svyravimai (ir šaltiniai) vadinami nenuosekliais (nenuosekliais). Visiškai kitoks rezultatas gaunamas, jei šaltiniai atitinka griežtas (bet praktiškai įmanomas) sąlygas:
a) jų virpesių dažniai yra griežtai lygūs;
b) pradinių fazių skirtumas yra pastovus per visą stebėjimo laiką (paprastumo dėlei laikysime lygų nuliui).
Šaltiniai, kurie tenkina nurodytas sąlygas, vadinami nuoseklus(sutarta); Šiuo atveju vietoj (3.1) gauname:
(3.2)
Taigi dabar šviesos intensyvumas labai priklauso nuo stebėjimo taško padėties: ties
jis yra didžiausias (ir du kartus viršija dviejų panašių nenuoseklių šaltinių intensyvumą); adresu
jis eina į nulį.
Klasikiniu požiūriu medžiagos atomų šviesos spinduliavimą paprasčiausiu atveju galima pavaizduoti taip: kiekvienas atomas, vienaip ar kitaip sužadintas, spinduliuoja per laiką τ izl (10 -10 - 10 -8 s) „kosinuso bangos fragmentas“ (bangų traukinys); tada jis kurį laiką būna nesužadintoje būsenoje τ, po kurio vėl sužadinamas ir sukuriamas naujas traukinys. Vėlesnės „kosinuso bangų atraižos“ viena su kita niekaip nesusijusios; radiacijos aktai atskiri atomai taip pat visiškai nepriklausomas. Todėl darna egzistuoja tik kiekviename traukinyje, o „koherencijos laikas“ τ coh negali viršyti spinduliavimo laiko τ rad. Bangos nueitas kelias per koherencijos laiką lygus lCOG-st KOG, vadinamas „nuoseklumo ilgiu“; jis visada mažesnis už traukinio ilgį l c =sτ izl.
Įprastų dujų šviesos šaltinių (ne lazerių) koherencijos ilgis paprastai yra mažesnis nei centimetras. Esant vidutiniam šviesos bangų dažniui v=5x10 14 Hz, traukinyje telpa daug bangų – apie šimtus tūkstančių; šviesa gana vienspalvė. Koherentinės spinduliuotės šaltiniai (lazeriai), kuriuose atskirų atomų spinduliavimo aktai yra sujungti vienas su kitu, turi didžiulę koherentiškumo trukmę, siekiančią 10 -5 -10 -3 s, o koherencijos ilgis siekia šimtus metrų. . Šiuo atveju, žinoma, monochromatiškumas žymiai pagerėja. Radijo inžinerijos generatoriuose santykinis spinduliuotės monochromatiškumas yra artimas lazeriui ir net keliomis eilėmis jį viršija. Dėl didelio svyravimų periodo koherencijos laikas pailgėja iki dešimčių valandų, o koherencijos ilgis (dėl didelio bangos ilgio) siekia 10 10 km, t.y., dydžius. saulės sistema. Todėl radijo dažniuose galima keletą minučių stebėti dviejų nepriklausomų šaltinių – paprastų elektrinių virpesių generatorių – bangų trukdžius.
Taigi įprastoje optikoje šaltiniai yra nenuoseklūs, o koherentinei spinduliuotei gauti reikia naudoti antrinius – priklausomus – spinduliuotės šaltinius; jie sukuriami padalijant pirminio šaltinio bangą į dvi bangas, kurios keliauja skirtingais keliais ir vėl susilieja. Natūralu, kad vienos bangos delsos laikas kitos bangos atžvilgiu stebėjimo taške neturėtų viršyti šaltinio koherentiškumo laiko. Todėl srities, kurioje galima stebėti trukdžius, matmenis lemia atstumų nuo stebėjimo taško iki šaltinių skirtumas ir pastarųjų koherentiškumo ilgis.
Šviesos trukdžiai
Jei šviesa yra bangų srautas, tuomet reikėtų stebėti šviesos trukdžių reiškinį. Tačiau norint gauti trukdžių modelį (kintamus apšvietimo maksimumus ir minimumus), naudojant du nepriklausomus šviesos šaltinius, pavyzdžiui, du elektros lemputės, neįmanomas. Įjungus kitą lemputę tik padidinamas paviršiaus apšvietimas, bet nesukuriama apšvietimo minimumų ir maksimumų kaita.
Išsiaiškinkime, kokia to priežastis ir kokiomis sąlygomis galima stebėti šviesos trukdžius.
Šviesos bangų koherentiškumo sąlyga
Eksperimento su dviem lemputėmis trukdžių modelio nebuvimo priežastis yra ta, kad nepriklausomų šaltinių skleidžiamos šviesos bangos nėra suderintos viena su kita. Norint gauti stabilų trukdžių modelį, reikia suderintų bangų. Jie turi turėti vienodus bangos ilgius ir pastovų fazių skirtumą bet kuriame erdvės taške. Prisiminkite, kad tokios suderintos bangos su vienodu bangos ilgiu ir pastoviu fazių skirtumu vadinamos koherentinėmis.
Beveik tikslią dviejų šaltinių bangų ilgių lygybę nėra sunku pasiekti. Norėdami tai padaryti, pakanka naudoti gerus filtrus, kurie perduoda šviesą labai siaurame bangos ilgio diapazone. Tačiau iš dviejų nepriklausomų šaltinių fazių skirtumo pastovumo suvokti neįmanoma. Šaltinių atomai skleidžia šviesą nepriklausomai vienas nuo kito atskirais sinusoidinių bangų „traukiniais“ (traukiniais), kurių ilgis paprastai yra apie metrą. Ir tokie bangų traukiniai iš abiejų šaltinių yra vienas ant kito. Dėl to svyravimų amplitudė bet kuriame erdvės taške atsitiktinai kinta laikui bėgant, priklausomai nuo to, kaip tam tikru laiko momentu įvairių šaltinių bangų eigos fazėje pasislenka viena kitos atžvilgiu. Skirtingų šviesos šaltinių bangos yra nenuoseklios dėl to, kad bangų fazių skirtumas nelieka pastovus 1 .
Jaunasis Tomas (1773-1829) – Anglų mokslininkas, turintis neįprastą mokslinių interesų platumą ir talentų įvairovę. Tuo pačiu metu garsus gydytojas ir fizikas, turintis puikią intuiciją, astronomas ir mechanikas, metalurgas ir egiptologas, fiziologas ir poliglotas, talentingas muzikantas ir net gabus gimnastas. Pagrindiniai jo nuopelnai yra šviesos interferencijos atradimas (jis įvedė į fiziką terminą „interferencija“) ir difrakcijos reiškinio paaiškinimas remiantis bangų teorija. Jis pirmasis išmatavo šviesos bangos ilgį.
Stabilaus vaizdo su tam tikru apšvietimo maksimumų ir minimumų pasiskirstymu erdvėje nepastebima.
Trikdžiai plonose plėvelėse
Nepaisant to, galima pastebėti šviesos trukdžius. Nors tai buvo stebima labai ilgai, jie tiesiog neteikė tam jokios reikšmės.
Jūs irgi ne kartą matėte interferencinį modelį, kai vaikystėje smagiai pūstėte muilo burbulus ar stebėjote, kaip vandens paviršiuje žydi tokios žibalo ar aliejaus plėvelės spalvos. „Ore plaukiojantis muilo burbulas... nušvinta visais spalvų atspalviais, būdingais aplinkiniams objektams. Muilo burbulas yra bene nuostabiausias gamtos stebuklas“ (Markas Tvenas). Būtent dėl šviesos trukdžių muilo burbulas žavisi.
Anglų mokslininkas Thomas Youngas pirmasis sugalvojo galimybę paaiškinti plonų plėvelių spalvas pridedant 1 ir 2 bangas (8.48 pav.), iš kurių viena (1) atsispindi nuo išorinio paviršiaus. plėvelę, o kitą (2) iš vidinės. Tokiu atveju atsiranda šviesos bangų interferencija – dviejų bangų sudėjimas, dėl ko laike stebimas stabilus susidarančių šviesos virpesių stiprėjimo arba susilpnėjimo modelis įvairiuose erdvės taškuose. Interferencijų rezultatas (susijusių svyravimų stiprėjimas arba susilpnėjimas) priklauso nuo šviesos kritimo kampo į plėvelę, jos storio ir šviesos bangos ilgio. Šviesos stiprinimas įvyks, jei lūžusi banga 2 atsilieka nuo atspindėtos bangos 1 sveikuoju bangos ilgių skaičiumi. Jei antroji banga atsilieka nuo pirmosios puse bangos ilgio arba nelyginiu pusinių bangų skaičiumi, šviesa susilpnėja.
1 Išimtis – kvantiniai šviesos šaltiniai, lazeriai, sukurti 1960 m.
Iš išorinio ir vidinio plėvelės paviršių atsispindinčių bangų darna atsiranda dėl to, kad jos yra to paties šviesos pluošto dalys. Kiekvieno spinduliuojančio atomo bangų seką plėvelė padalija į dvi dalis, o tada šios dalys sujungiamos ir trukdo.
Jungas taip pat suprato, kad spalvos skiriasi dėl šviesos bangų bangos ilgio (arba dažnio) skirtumo. Įvairių spalvų šviesos pluoštai atitinka skirtingo bangos ilgio bangas. Abipusiam bangų, kurios skiriasi viena nuo kitos bangos ilgiu (laikoma, kad kritimo kampai yra vienodi), stiprinimas reikalauja skirtingo plėvelės storio. Todėl, jei plėvelė yra nevienodo storio, tada, kai ji apšviečiama balta šviesa, turėtų atsirasti skirtingų spalvų.
Niutono žiedai
Paprastas interferencinis raštas susidaro ploname oro sluoksnyje tarp stiklo plokštės ir ant jos uždėto plokščio išgaubto lęšio, kurio sferinis paviršius turi didelį kreivio spindulį. Šis interferencijos modelis turi koncentrinių žiedų, vadinamų Niutono žiedais, formą.
Paimkite plokščią išgaubtą lęšį su nedideliu sferinio paviršiaus išlinkimu ir padėkite jį išgaubtą ant stiklo plokštės. Atidžiai ištyrę plokščią objektyvo paviršių (geriausia per didinamąjį stiklą), lęšio ir plokštelės sąlyčio taške rasite tamsią dėmę ir aplink ją mažų vaivorykštinių žiedelių rinkinį (žr. III pav., 1 ant. spalvos intarpas). Tai Niutono žiedai. Niutonas juos stebėjo ir tyrinėjo ne tik baltoje šviesoje, bet ir tada, kai objektyvas buvo apšviestas vienspalviu (vienspalviu) spinduliu. Paaiškėjo, kad žiedų spinduliai to paties serijos numeris didėja pereinant iš spektro f lauko galo į raudoną; raudoni žiedai turi didžiausią spindulį. Atstumai tarp gretimų žiedų mažėja, kai jų spindulys didėja (žr. III, 2, 3 pav. ant spalvoto intarpo).
Niutonas negalėjo patenkinamai paaiškinti, kodėl atsiranda žiedai. Jungui pavyko. Sekime jo samprotavimo eigą. Jie pagrįsti prielaida, kad šviesa yra bangos. Apsvarstykite atvejį, kai tam tikro bangos ilgio banga krinta beveik statmenai ant plokščio-išgaubto lęšio (8.49 pav.). 1 banga atsiranda dėl atspindžio nuo išgaubto lęšio paviršiaus stiklo ir oro sąsajoje, o 2 banga - dėl atspindžio nuo plokštės oro ir stiklo sąsajoje. Šios bangos yra koherentinės: turi vienodą bangos ilgį ir pastovų fazių skirtumą, atsirandantį dėl to, kad 2 banga nukeliauja didesnį atstumą nei banga 1. Jei antroji banga nuo pirmosios atsilieka sveikuoju bangos ilgių skaičiumi, tada sudėjus, bangos viena kitą sustiprina.
Priešingai, jei antroji banga atsilieka nuo pirmosios nelyginiu pusbangių skaičiumi, tada jų sukelti svyravimai vyks priešingomis fazėmis, o bangos viena kitą panaikins.
Jei žinomas lęšio išgaubto paviršiaus kreivio spindulys R, tai galima apskaičiuoti, kokiais atstumais nuo lęšio sąlyčio su stiklo plokšte taško kelio skirtumai yra tokie, kad tam tikro bangos ilgio bangos panaikina kiekvieną kitas. Šie atstumai yra Niutono tamsiųjų žiedų spinduliai. Juk pastovaus oro tarpo storio linijos yra apskritimai. Išmatavus žiedų spindulius galima apskaičiuoti bangos ilgius.
Šviesos bangos ilgis. Atlikus matavimus nustatyta, kad esant raudonai šviesai kp = 8 . 10–7 m, o violetinei - f \u003d 4. 10 7 m. Bangos ilgiai, atitinkantys kitas spektro spalvas, turi tarpines vertes. Bet kokios spalvos šviesos bangos ilgis yra labai mažas. Paaiškinkime tai paprastu pavyzdžiu. Įsivaizduokite vidutinę kelių metrų ilgio jūros bangą, kuri taip išaugo, kad užima visą Atlanto vandenyną nuo Amerikos krantų iki Europos. Šviesos bangos ilgis, padidintas ta pačia proporcija, tik šiek tiek viršytų šio puslapio plotį.
Interferencijos reiškinys ne tik įrodo, kad šviesa turi bangų savybių, bet ir leidžia išmatuoti bangos ilgį. Kaip garso aukštį lemia jo dažnis, taip ir šviesos spalvą lemia jo dažnis arba bangos ilgis.
Gamtoje nėra spalvų, yra tik skirtingo bangos ilgio bangos. Akis yra sudėtingas fizinis prietaisas, galintis aptikti spalvų skirtumą, kuris atitinka labai nedidelį (apie 10 6 cm) šviesos bangų bangų ilgių skirtumą. Įdomu tai, kad dauguma gyvūnų nesugeba atskirti spalvų. Jie visada mato nespalvotą vaizdą. Spalvų neskiria ir daltonikai – žmonės, kenčiantys nuo daltonizmo.
Kai šviesa pereina iš vienos terpės į kitą, bangos ilgis pasikeičia. Tai galima pamatyti. Oro tarpą tarp lęšio ir plokštelės užpildykime vandeniu arba kitu skaidriu lūžio rodiklį turinčiu skysčiu. Sumažės trukdžių žiedų spindulys.
Kodėl tai vyksta? Žinome, kad šviesai pereinant iš vakuumo į kokią nors terpę, šviesos greitis sumažėja n kartų. Kadangi \u003d v, tada dažnis v arba bangos ilgis turėtų sumažėti n kartų. Bet žiedų spindulys priklauso nuo bangos ilgio. Todėl, kai šviesa patenka į terpę, n kartų keičiasi bangos ilgis, o ne dažnis.
Elektromagnetinių bangų trukdžiai
Eksperimentuose su mikrobangų generatoriumi galima pastebėti elektromagnetinių bangų (radijo bangų) trukdžius (žr. § 54).
Generatorius ir imtuvas dedami vienas priešais kitą (8.50 pav.). Tada iš apačios horizontalioje padėtyje atnešama metalinė plokštė. Palaipsniui keliant plokštę, pakaitomis randamas garso slopinimas ir stiprinimas.
Reiškinys paaiškinamas taip. Dalis bangos iš generatoriaus rago patenka tiesiai į priėmimo signalą. Kita jo dalis atsispindi nuo metalinės plokštės. Keisdami plokštelės vietą, keičiame kelio skirtumą tarp tiesioginių ir atspindėtų bangų. Dėl to bangos arba sustiprina, arba susilpnina viena kitą, priklausomai nuo to, ar kelio skirtumas yra lygus sveikajam bangų ilgių skaičiui, ar nelyginiam pusbangių skaičiui.
Šviesos trukdžių stebėjimas įrodo, kad šviesa, sklindanti, pasižymi banginėmis savybėmis. Interferenciniai eksperimentai leidžia išmatuoti šviesos bangos ilgį: jis labai mažas - nuo 4 10 -7 iki 8 10 -7 m.
Trikdžiai aplink mus
Šioje pamokoje mes jau sužinojome, kas yra šviesos trukdžiai. Apibendrinkime savo pamoką. Taigi darome išvadą, kad šviesos interferencija vadinama netiesiniu dviejų ar daugiau šviesos bangų, kurios erdvėje kaitaliojasi su didžiausiu arba mažiausiu intensyvumo lygiu, intensyvumo sudėjimas. Šis pasiskirstymas taip pat vadinamas trukdžių modeliu.
Dabar pabandykime prisiminti, kur esame Kasdienybė buvo tokių reiškinių kaip trukdžiai ir kur jį galima pritaikyti.
Kiekvienas iš jūsų vaikystėje mėgo leisti muilo burbulus. Prisiminkite, kaip, pūsdamas muilo burbulą, jis lėtai judėjo erdvėje, mirgėdamas ir keisdamas spalvą. Tai reiškinys, atsirandantis esant muilo burbului šviesoje, vadinamas trikdžiais plonose plėvelėse.
Tai yra, nuo vidinės filmo ribos krentantys ir atsispindintys spinduliai trukdo. Bet dėl to, kad plėvelės storis negali būti pastovus, tuomet, priklausomai nuo jos storio kitimo, plėvelės spalva nuolat kinta. Trumpiau tariant, tokios vaiskios muilo burbulų spalvos išeina dėl šviesos bangų trukdžių ir priklausomai nuo jo plėvelės storio.
Kadangi dėl vandens išgaravimo muilo burbulo plėvelė vis plonėja, todėl keičiasi ir jos spalva. Kol ši plėvelė vis dar stora, raudonas komponentas dingsta nuo baltos šviesos, ir mes gauname mėlynai žalią atspindį. Ir kuo plonesnė plėvelė, tuo daugiau spalvos komponentų išnyksta. Po raudonojo komponento, plonėjant plėvelei, geltona išnyksta ir lieka mėlyna, tada dingsta žalia ir lieka purpurinė spalva, o išnykus mėlynam komponentui stebime aukso geltoną spalvą, ir dėl to atspindžio išvis nebematome. Ir kai muilo burbulas pasieks šią fazę, greičiausiai jis greitai sprogs.
Žinoma, muilo burbulo spalva priklauso ne tik nuo plėvelės storio, bet ir nuo šviesos pluošto susidūrimo kampo. Todėl jei darytume prielaidą, kad plėvelės storis visur būtų vienodas, tai vis tiek stebėtume skirtingas jos spalvas dėl burbulo judėjimo. Bet kadangi dėl gravitacijos jo storis nuolat kinta, traukdamas skystį į apatinę dalį, tada stebime įvairiaspalvių juostelių judėjimą, judančią iš viršaus į apačią.
Tikriausiai kiekvienas iš jūsų, būdamas jūros pakrantėje, stebėjo, kaip jūros kriauklės, paukščių plunksnos mirga visomis vaivorykštės spalvomis, ar po burlaivio vandens paviršiuje lieka spalvota plėvelė iš naftos plėvelių, visi šie pavyzdžiai. taip pat galima paaiškinti trukdžių fenomenu.
Taip pat šviesos trukdžių apraiškas galima pastebėti tiriant neįprastus kai kurių drugelių, ugniagesių ir kitų vabzdžių sparnų raštus.
Spalvingomis ir ryškiomis spalvomis vilioja ir povų patinų plunksnos. Čia galite rasti sodriai mėlyną atspalvį, ryškiai žalią ir auksinį. Jei pažvelgsime į paveikslėlį žemiau, povo plunksnų perpildymui galime pastebėti tokį patį poveikį kaip ir muilo burbuluose.
Tačiau iš tikrųjų tokia spalvingų plunksnų įvairovė tėra iliuzija, nes daugybė plunksnų atspalvių, kuriuos sukelia šviesos trukdžių reiškinys, o iš tikrųjų dėl dažančio pigmento melanino, šių paukščių plunksnos dažniausiai būna rudos.
Faktas yra tas, kad kai žiūrime į povo plunksną po mikroskopu, galime pastebėti, kad kiekviena plunksna susideda iš dvimačių kristalinių struktūrų. Jie sudaryti iš melanino šakelių, kurias tarpusavyje jungia baltymas, vadinamas keratinu. O kadangi ir šių šakelių skaičius, ir intervalai tarp jų yra linkę keistis, tai iškreipia šviesos bangų atspindį, o atsitrenkę į plunksnas stebime tokį spalvų šėlsmą.
Be jau išvardytų pavyzdžių, mes taip pat stebime trikdžius plonose plokštėse. Šie trukdžių tipai yra mėnulio akmuo, perlamutras, opalas ar perlai. Ir tokių pavyzdžių yra daug.
1. Kaip gaunamos koherentinės šviesos bangos!
2. Kas yra šviesos trukdžių reiškinys!
3. Su kokia fizikine šviesos bangų savybe siejamas spalvų skirtumas!
4. Atsitrenkus į akmenį ant skaidraus ledo atsiranda įtrūkimai, mirgantys visomis vaivorykštės spalvomis. Kodėl!
5. Šviesos bangos ilgis vandenyje sumažėja n kartų (n – vandens lūžio rodiklis oro atžvilgiu). Ar tai reiškia, kad naras po vandeniu natūralioje šviesoje nemato aplinkinių objektų!
Myakishev G. Ya., fizika. 11 klasė: vadovėlis. bendrajam lavinimui institucijos: pagrindinės ir profilio. lygiai / G. Ya. Myakishev, B. V. Buchovtsev, V. M. Charugin; red. V. I. Nikolajevas, N. A. Parfenteva. - 17 leidimas, pataisytas. ir papildomas - M.: Išsilavinimas, 2008. - 399 p.: iliustr.