Katrā punktā divi viļņi, kas izplatās telpā, dod savu svārstību ģeometrisko summu. Šo principu sauc par viļņu superpozīciju. Šis likums tiek ievērots ar neticamu precizitāti. Tomēr retos gadījumos to var ignorēt. Tas attiecas uz situācijām, kad viļņi izplatās sarežģītā vidē, kad to intensitāte (amplitūda) kļūst ļoti liela. Šis princips nozīmē, ka pati vide uz noteiktu skaitu elektromagnētisko viļņu, kas izplatās noteiktā vidē, reaģē ļoti specifiski – tā reaģē tikai uz vienu vilni, it kā citu tuvumā nebūtu. Matemātiski tas nozīmē, ka jebkurā izvēlētās vides punktā elektromagnētiskā lauka stiprums un indukcija būs vienāda ar visu apvienoto lauku magnētisko indukciju un stiprumu vektoru summu. Pateicoties elektromagnētisko viļņu superpozīcijas principam, rodas tādas parādības kā gaismas difrakcija un traucējumi. Viņi ir interesanti no fiziskā viedokļa, turklāt pārsteidz ar savu skaistumu.
Kas ir iejaukšanās?
Apsveriet šī parādība iespējams tikai ievērojot īpaši nosacījumi. Gaismas traucējumi ir vājināšanas un pastiprināšanas joslu veidošanās, kas mijas viena ar otru. Viens no svarīgiem nosacījumiem ir elektromagnētisko viļņu (gaismas staru) uzlikšana viens virs otra, un to skaitam jābūt no diviem vai vairāk. Stāvvilnis ir īpašs gadījums. Jāatzīmē, ka traucējumi ir tīri viļņu efekts, kas attiecas ne tikai uz gaismu. Stāvviļņā, kas veidojas pārklāšanās rezultātā uz atstarotā vai krītošā viļņa, tiek novēroti intensitātes maksimumi (antinodi) un intensitātes minimumi (mezgli), kas mijas savā starpā.
Pamatnosacījumi
Viļņu traucējumi rodas to saskaņotības dēļ. Ko nozīmē šis termins? Koherence ir viļņu konsekvence fāzē. Ja divi viļņi, kas nāk no dažādiem avotiem, tiek uzlikti viens otram, tad to fāzes mainīsies nejauši. Gaismas viļņi ir atomu starojuma sekas, tāpēc katrs no tiem ir ļoti daudzu komponentu superpozīcijas rezultāts.
Zemākie un kāpumi
Lai kosmosā parādītos "pareizi" kopējo viļņu pastiprinājumi un vājināšanās, ir nepieciešams, lai pievienotie komponenti izvēlētajā punktā viena otru izslēgtu. Tas nozīmē, ka ilgu laiku elektromagnētiskajiem viļņiem vajadzētu būt pretfāzē, lai fāzu starpība vienmēr paliktu nemainīga. Maksimums parādās brīdī, kad komponentu viļņi atrodas vienā fāzē, tas ir, kad tie tiek pastiprināti. Gaismas traucējumi tiek novēroti nemainīgas fāzes starpības apstākļos noteiktā punktā. Un šādus viļņus sauc par koherentiem.
dabiskie avoti
Kad var novērot tādu parādību kā gaismas traucējumi? Dabisko avotu izstarotie elektromagnētiskie viļņi ir nesakarīgi, jo tos nejauši ģenerē dažādi atomi, kas parasti ir pilnīgi pretrunā viens ar otru. Katrs atsevišķais atoma izdalītais vilnis ir sinusoīda segments, kas ir absolūti saskaņots ar sevi. Tādējādi ir nepieciešams sadalīt divos vai vairākos staros vienu gaismas plūsmu, kas nāk no avota, un pēc tam uzlikt iegūtos starus vienu virs otra. Šajā gadījumā mēs varēsim novērot tādas parādības kā gaismas traucējumu minimumus un maksimumus.
Pārklājošu viļņu skatīšanās
Kā minēts iepriekš, gaismas traucējumi ir ļoti plašs jēdziens, kurā gaismas staru intensitātes pievienošanas rezultāts nav vienāds ar atsevišķu staru intensitāti. Šīs parādības rezultātā telpā notiek enerģijas pārdale - veidojas vienādi minimumi un maksimumi. Tāpēc traucējumu modelis ir tikai tumšu un gaišu joslu maiņa. Ja izmantojat baltu gaismu, tad svītras tiks krāsotas dažādās krāsās. Bet kad parastajā dzīvē mēs sastopamies ar gaismas traucējumiem? Tas notiek diezgan bieži. Tās izpausmēs ir eļļas traipi uz asfalta, ziepju burbuļi ar to zaigojošajām nokrāsām, gaismas spēle uz rūdīta metāla virsmas, zīmējumi uz spāres spārniem. Tas viss ir gaismas iejaukšanās plānās kārtiņās. Faktiski šī efekta novērošana nav tik vienkārša, kā varētu šķist. Ja iedegas divas identiskas lampas, to intensitāte summējas. Bet kāpēc nav traucējumu efekta? Atbilde uz šo jautājumu slēpjas tajā, ka nav šāda pārklājuma ar vissvarīgāko nosacījumu - viļņu saskaņotību.
Freneļa biprizma
Lai iegūtu traucējumu modeli, ņemsim avotu, kas ir šaura izgaismota sprauga, kas uzstādīta paralēli pašas biprismas malai. No tā nākošais vilnis sadalīsies divās daļās refrakcijas dēļ biprismas pusēs un sasniegs ekrānu divos dažādos veidos, tas ir, tam būs ceļa atšķirība. Ekrānā tajā daļā, kur pārklājas gaismas kūļi no biprismas pusēm, parādās pamīšus tumšas un gaišas svītras. Dažu iemeslu dēļ gājiena atšķirība ir ierobežota. Katrā starojuma aktā atoms atbrīvo tā saukto viļņu vilcienu (elektromagnētisko viļņu sistēmas), kas izplatās telpā un laikā, saglabājot savu sinusoiditāti. Šī vilciena ilgumu ierobežo daļiņas (elektrona) dabisko vibrāciju slāpēšana atomā un šī atoma sadursmes ar citiem. Ja baltā gaisma tiek izlaista caur biprismu, var redzēt krāsu traucējumus, kā tas notika ar plānām plēvēm. Ja gaisma ir monohromatiska (no loka izlādes kādā gāzē), tad traucējumu modelis būs vienkārši gaišas un tumšas svītras. Tas nozīmē, ka dažādu krāsu viļņu garumi ir atšķirīgi, tas ir, gaismai ir dažādas krāsas un to raksturo viļņu garumu atšķirība.
Pārklātu viļņu iegūšana
Ideāls gaismas avots ir lāzers (kvantu ģenerators), kas pēc savas būtības ir koherents stimulētā starojuma avots. Koherenta lāzervilciena garums var sasniegt tūkstošiem kilometru. Pateicoties kvantu ģeneratoriem, zinātnieki ir izveidojuši veselu mūsdienu optikas jomu, ko viņi sauca par koherentu. Šī fizikas nozare ir neticami daudzsološa tehnisko un teorētisko sasniegumu ziņā.
Efekta pielietošanas jomas
Plašā nozīmē jēdziens "gaismas traucējumi" ir enerģijas plūsmas un tās starojuma stāvokļa (polarizācijas) modulācija telpā vairāku elektromagnētisko viļņu (divu vai vairāku) krustošanās zonā. Bet kur šis efekts tiek izmantots? Gaismas traucējumu izmantošana ir iespējama dažādās tehnoloģiju un rūpniecības jomās. Piemēram, šī parādība tiek izmantota, lai veiktu mehāniski apstrādātu izstrādājumu virsmu precīzu kontroli, kā arī mehānisko un termisko spriegumu daļās, lai izmērītu dažādu priekšmetu tilpumus. Gaismas traucējumi ir izmantoti arī mikroskopijā, infrasarkanā un optiskā starojuma spektroskopijā. Šī parādība ir mūsdienu trīsdimensiju hologrāfijas un aktīvās Ramana spektroskopijas pamatā. Pamatā traucējumi, kā redzams no piemēriem, tiek izmantoti augstas precizitātes mērījumiem un laušanas koeficientu aprēķināšanai dažādos medijos.
Augustina Fresnela ideja
Lai iegūtu saskaņotus gaismas avotus, franču fiziķis Augustins Fresnels (1788-1827) 1815. gadā atrada vienkāršu un ģeniālu metodi. Ir nepieciešams sadalīt gaismu no viena avota divos staros un, piespiežot tos iet pa dažādiem ceļiem, apvienot tos. Tad viena atoma izstarotā viļņu vilciens tiks sadalīts divos koherentos vilcienos. Tas attieksies uz viļņu vilcieniem, ko izstaro katrs avota atoms. Viena atoma izstarotā gaisma rada noteiktu traucējumu modeli. Kad šie attēli tiek uzlikti viens otram, tiek iegūts diezgan intensīvs apgaismojuma sadalījums uz ekrāna: var novērot traucējumu modeli.
Ir daudz veidu, kā iegūt koherentus gaismas avotus, taču to būtība ir viena. Sadalot staru divās daļās, tiek iegūti divi iedomāti gaismas avoti, kas dod koherentus viļņus. Šim nolūkam tiek izmantoti divi spoguļi (Fresnel bispoguļi), biprizma (divas prizmas salocītas pie pamatnēm), bilens (lēca, kas pārgriezta uz pusēm ar pusēm) utt.
Pirmais eksperiments par gaismas traucējumu novērošanu laboratorijā pieder I. Ņūtonam. Viņš novēroja traucējumu modeli, kas rodas no gaismas atstarošanas plānā gaisa spraugā starp plakanu stikla plāksni un plakaniski izliektu lēcu ar lielu izliekuma rādiusu. Interferences modelis izskatījās pēc koncentriskiem gredzeniem, ko sauc par Ņūtona gredzeniem (3. a, b att.).
Att.3a Fig.3b
Ņūtons no korpuskulārās teorijas viedokļa nevarēja izskaidrot, kāpēc parādās gredzeni, taču viņš saprata, ka tas ir saistīts ar kaut kādu gaismas procesu periodiskumu.
Janga eksperiments ar diviem spraugām
Metāla skelets veido kristāla režģi, kura mezglos atrodas joni.
Elektriskā lauka klātbūtnē ieslēgts neregulāra kustība elektroni tiek pārklāti ar to sakārtotu kustību lauka spēku iedarbībā.
To kustības laikā elektroni saduras ar režģa joniem. Tas izskaidro elektrisko pretestību.
Elektroniskā teorija ļāva kvantitatīvi aprakstīt daudzas parādības, taču vairākos gadījumos, piemēram, skaidrojot metālu pretestības atkarību no temperatūras utt., tā bija praktiski bezspēcīga. Tas bija saistīts ar faktu, ka vispārīgā gadījumā Ņūtona mehānikas likumus un ideālo gāzu likumus nevar attiecināt uz elektroniem, kas tika precizēts pagājušā gadsimta 30. gados.
1902. gadā Kaufmana eksperimentos tika konstatēts, ka lādiņa e attiecība pret tā masu m nav nemainīga vērtība, bet gan atkarīga no ātruma (tā samazinās, palielinoties ātrumam). No teorijas izrietēja, ka q = const. Tātad masa aug.
Fizikālie pamatprocesi pusvadītājos un to īpašības. Iekšējā pusvadītāja un iekšējā elektriskā vadītspēja
Pusvadītājs ir materiāls, kas savas vadītspējas ziņā ieņem starpstāvokli starp vadītājiem un dielektriķiem un atšķiras no vadītājiem ar spēcīgo vadītspējas atkarību no piemaisījumu koncentrācijas, temperatūras un dažāda veida starojuma iedarbības. Pusvadītāja galvenā īpašība ir elektriskās vadītspējas palielināšanās, palielinoties temperatūrai.
Pusvadītāji ir vielas, kuru joslas sprauga ir dažu elektronu voltu (eV) robežās. Piemēram, dimantu var klasificēt kā platas spraugas pusvadītāju, bet indija arsenīdu var klasificēt kā šauras spraugas pusvadītāju. Pusvadītājos ietilpst daudzi ķīmiskie elementi (germānija, silīcijs, selēns, telūrs, arsēns un citi), milzīgs skaits sakausējumu un ķīmiskie savienojumi(gallija arsenīds utt.). Gandrīz visas apkārtējās pasaules neorganiskās vielas ir pusvadītāji. Dabā visizplatītākais pusvadītājs ir silīcijs, kas veido gandrīz 30% no zemes garozas.
Atkarībā no tā, vai piemaisījuma atoms nodod vai uztver elektronu, piemaisījumu atomus sauc par donora vai akceptora atomiem. Piemaisījuma raksturs var mainīties atkarībā no tā, kuru kristāla režģa atomu tas aizstāj, kurā kristalogrāfiskajā plaknē tas ir iestrādāts.
Pusvadītāju vadītspēja ir ļoti atkarīga no temperatūras. Netālu no absolūtās nulles temperatūras pusvadītājiem ir dielektriķu īpašības. Pusvadītājus raksturo gan vadītāju, gan dielektriķu īpašības. Pusvadītāju kristālos atomi izveido kovalentās saites (tas ir, viens elektrons silīcija kristālā, tāpat kā dimants, ir saistīts ar diviem atomiem), elektroniem ir nepieciešams iekšējās enerģijas līmenis, lai atbrīvotos no atoma (1,76 10 -19 J pret 11,2). 10 −19 J, kas raksturo atšķirību starp pusvadītājiem un dielektriķiem).
Šī enerģija tajos parādās, paaugstinoties temperatūrai (piemēram, istabas temperatūrā atomu termiskās kustības enerģijas līmenis ir 0,4 10 −19 J), un atsevišķi elektroni saņem enerģiju, lai atdalītos no kodola. Palielinoties temperatūrai, palielinās brīvo elektronu un caurumu skaits, tāpēc pusvadītājā, kas nesatur piemaisījumus, elektriskā pretestība samazinās. Parasti par pusvadītājiem tiek uzskatīti elementi, kuru elektronu saistīšanas enerģija ir mazāka par 1,5–2 eV. Elektronu caurumu vadīšanas mehānisms izpaužas iekšējos (tas ir, bez piemaisījumiem) pusvadītājos. To sauc par pusvadītāju iekšējā elektrovadītspēja.
Kad saite starp elektronu un kodolu tiek pārtraukta, atoma elektronu apvalkā parādās brīva telpa. Tas izraisa elektrona pāreju no cita atoma uz atomu ar brīvu vietu. Atoms, no kura elektrons ir izgājis, nonāk citā elektronā no cita atoma utt. Šo procesu nosaka atomu kovalentās saites. Tādējādi notiek pozitīva lādiņa kustība, nepārvietojot pašu atomu. Šo nosacīto pozitīvo lādiņu sauc par caurumu.
Parasti caurumu kustīgums pusvadītājā ir mazāks nekā elektronu kustīgums.
Tiek saukti pusvadītāji, kuros atomu jonizācijas procesā parādās brīvie elektroni un "caurumi". pusvadītāji ar iekšējo vadītspēju. Pusvadītājos ar iekšējo vadītspēju brīvo elektronu koncentrācija ir vienāda ar "caurumu" koncentrāciju.
Savs pusvadītājs- tas ir tīrs pusvadītājs, kurā svešu piemaisījumu saturs nepārsniedz 10 -8 ... 10 -9%. Caurumu koncentrācija tajā vienmēr ir vienāda ar brīvo elektronu koncentrāciju, jo to nosaka nevis dopings, bet gan materiāla raksturīgās īpašības, proti, termiski ierosinātie nesēji, starojums un iekšējie defekti. Tehnoloģija ļauj iegūt materiālus ar augstu attīrīšanas pakāpi, starp kuriem var izdalīt netiešo spraugu pusvadītājus: Si (istabas temperatūrā nesēju skaits n i = lpp i \u003d 1,4 10 10 cm -3), Ge (istabas temperatūrā nesēju skaits n i = lpp i =2.5·10 13 cm -3) un tiešās spraugas GaAs.
Pusvadītāja bez piemaisījumiem ir pašu elektrovadītspēja, kurā ir divi ieguldījumi: elektrons un caurums. Ja pusvadītājam netiek pielikts spriegums, tad elektroni un caurumi veic termisko kustību un kopējā strāva ir nulle. Kad pusvadītājam tiek pielikts spriegums, tiek ģenerēts elektriskais lauks, kā rezultātā tiek izsaukta strāva dreifējošā strāva i utt. Kopējā dreifējošā strāva ir divu elektronu un caurumu strāvu ieguldījumu summa:
i dr \u003d i n + i p,
kur indekss n atbilst elektroniskajam ieguldījumam, un lpp- perforēts. Pusvadītāju pretestība ir atkarīga no nesēju koncentrācijas un no to mobilitātes, kā izriet no vienkāršākā Drude modeļa. Pusvadītājos, paaugstinoties temperatūrai elektronu-caurumu pāru rašanās dēļ, elektronu koncentrācija vadītspējas joslā un caurumos valences joslā palielinās daudz ātrāk, nekā samazinās to mobilitāte, tāpēc, paaugstinoties temperatūrai, vadītspēja palielinās.
Elektronu-caurumu pāru nāves procesu sauc par rekombināciju. Faktiski sava pusvadītāja vadītspēju pavada rekombinācijas un ģenerēšanas procesi, un, ja to ātrumi ir vienādi, tad viņi saka, ka pusvadītājs atrodas līdzsvara stāvoklī. Termiski ierosināto nesēju skaits ir atkarīgs no joslas spraugas, tāpēc pašreizējos pusvadītājos strāvas nesēju skaits ir mazs, salīdzinot ar leģētiem pusvadītājiem, un to pretestība ir daudz lielāka.
Iztvaikošana: procesa būtība, tā organizēšanas veidi
Iztvaicēšana - šķīdumu koncentrēšanas process, kas sastāv no šķīdinātāja daļējas atdalīšanas, iztvaicējot to vārot.
Iztvaikošana temperatūrā, kas zemāka par dotā šķīduma viršanas temperatūru, notiek no tā virsmas, savukārt vārīšanās laikā šķīdinātājs iztvaiko visā verdošā šķīduma tilpumā, kas ievērojami pastiprina šķīdinātāja atdalīšanas procesu no šķīduma.
Iztvaicēšanas process tiek plaši izmantots:
1) palielināt atšķaidītu šķīdumu koncentrāciju,
2) izšķīdušo vielu atdalīšana no tām kristalizācijas ceļā,
3) dažreiz šķīdinātāja ekstrakcijai (piemēram, ja dzeramo vai rūpniecisko ūdeni iegūst atsāļošanas iztvaicētājos).
Lai veiktu iztvaicēšanas procesu, ir nepieciešams pārnest siltumu no dzesēšanas šķidruma uz viršanas šķīdumu, kas ir iespējams tikai tad, ja starp tiem ir temperatūras starpība. Analizējot un aprēķinot iztvaikošanas procesu, šo dzesēšanas šķidruma un viršanas šķīduma temperatūras starpību parasti sauc par lietderīgās temperatūras starpību. Kā siltumnesējs iztvaicētājos visbiežāk tiek izmantots piesātināts ūdens tvaiks, ko sauc par sildīšanu vai primāro, lai gan, protams, šim nolūkam var izmantot arī citus apkures veidus un citus siltumnesējus. Tvaiku, kas veidojas šķīdumu iztvaicēšanas laikā, sauc par sekundāro jeb sulu.
Tādējādi iztvaikošana ir tipisks siltuma pārneses process no vairāk uzkarsēta dzesēšanas šķidruma - apkures tvaika - uz verdošu šķīdumu.
Iztvaicēšana tiek veikta: pie atmosfēras spiediena; zem vakuuma; zem spiediena, kas lielāks par atmosfēras spiedienu.
Galvenās atšķirības iztvaikošanas procesā, kuru dēļ iztvaikošana tiek izdalīta kā neatkarīga sadaļa termisko procesu sērijā, slēpjas tā aparatūras konstrukcijas iezīmēs un iztvaicētāja instalācijas aprēķināšanas metodē.
Atšķirībā no parastajiem siltummaiņiem, iztvaicētāji sastāv no divām galvenajām vienībām: sildīšanas kameras jeb katla (parasti cauruļu saišķa veidā) un separatora, kas paredzēts, lai notvertu šķīduma pilienus no tvaikiem, kas veidojas, šķīdumam vārot. Pilnīgākai notveršanai separatorā ir uzstādīti dažādi dizaina miglas uztvērēji.
Lai samazinātu piesārņotāju (mērogu) nogulsnēšanās ātrumu uz cauruļu sienām iztvaicētājos, tiek radīti apstākļi intensīvai šķīduma cirkulācijai (šajā gadījumā šķīduma ātrums caurulēs ir 1-3 m/s). Protams, projektējot iztvaicētājus, jāņem vērā arī šķīduma cirkulācija. Šāda veida iztvaicētājs darbojas pēc virzītas dabiskās cirkulācijas principa, ko izraisa viršanas šķīduma blīvuma atšķirības cirkulācijas caurulē un apkures kameras katla caurulēs.
Blīvuma atšķirība ir saistīta ar īpatnējās siltuma plūsmas atšķirību uz šķīduma tilpuma vienību: katla caurulēs tā ir lielāka nekā cirkulācijas caurulē.
Tāpēc arī viršanas intensitāte un līdz ar to arī iztvaikošana tajos ir lielāka; šeit izveidotajam tvaiku-šķidruma maisījumam ir mazāks blīvums nekā cirkulācijas caurulē. Tas noved pie virzītā viršanas šķīduma cirkulācijas, kas iet uz leju pa cirkulācijas cauruli un paceļas augšup pa katla caurulēm. Pēc tam tvaiku-šķidruma maisījums nonāk separatorā, kurā tvaiki tiek atdalīti no šķīduma, un tas tiek izņemts no aparāta. Viens notīrīts šķīdums izplūst no armatūras ierīces apakšā. Tādējādi aparātos ar šķīduma dabisko cirkulāciju tiek izveidota organizēta cirkulācijas ķēde pēc shēmas: katla (pacelšanas) caurules → tvaika telpa → cirkulācijas (apakšējā) caurule → pacelšanas caurules utt.
Ja iztvaicētājā ir viens iztvaicētājs, šādu instalāciju sauc par vienu korpusu. Ja iekārtai ir divi vai vairāki sērijveidā savienoti korpusi, tad šādu instalāciju sauc par daudzkorpusu. Šajā gadījumā sekundārais tvaiks no viena korpusa tiek izmantots apkurei citos tās pašas iekārtas iztvaicētājos, kas ļauj ievērojami ietaupīt svaigā apkures tvaiku. Sekundāro tvaiku, kas tiek ņemts no iztvaicētāja citiem mērķiem, sauc par papildu tvaiku. Vairāku efektu iztvaicētājā svaigs tvaiks tiek piegādāts tikai pirmajam apvalkam. No pirmās ēkas veidojas sekundārais tvaiks tās pašas instalācijas otrajā ēkā kā apkures, savukārt otrās ēkas sekundārais tvaiks nonāk trešajā ēkā kā apkures un tā tālāk.
Gaismas difrakcija. Huygens-Fresnel princips. Freneļa zonas metode. Freneļa difrakcija uz vienkāršākajiem šķēršļiem. Fraunhofera difrakcija ar vienu spraugu
1. Difrakcijas parādība
Viļņu difrakcija sastāv no šķēršļu noapaļošanas ar viļņiem vai viļņu novirzīšanos ģeometriskas ēnas apgabalā, ejot cauri caurumiem, ar nosacījumu, ka šo šķēršļu lineārie izmēri ir vienādi vai mazāki par viļņa garumu. Viļņu veidam nav nozīmes: difrakcija tiek novērota gan skaņai, gan gaismai, gan citiem viļņu procesiem.
Gaismas viļņu difrakcijas novērošana iespējama tikai tad, ja šķēršļu izmēri ir 10 -6 -10 -7 m (redzamai gaismai). Salīdzinot spraugas izmērus secībā ar viļņa garumu, sprauga kļūst par sekundāro sfērisko viļņu avotu, kuru interference nosaka intensitātes sadalījuma modeli aiz spraugas. Jo īpaši gaisma iekļūst ģeometriski nepieejamā vietā. Tādējādi nav viegli novērot difrakciju spektra redzamajā apgabalā. Citu diapazonu elektromagnētiskajiem viļņiem difrakcija tiek novērota katru dienu, visur un visur, jo, ja nebūtu šīs parādības, mēs nevarētu, piemēram, klausīties radio telpās.
Saskaņā ar vispārpieņemto definīciju Gaismas difrakcija ir parādība, ko novēro, kad gaisma izplatās garām necaurspīdīgu vai caurspīdīgu ķermeņu asajām malām caur šauriem caurumiem. Šajā gadījumā ir gaismas izplatīšanās taisnuma pārkāpums, t.i., novirze no ģeometriskās optikas likumiem. Gaismas difrakcijas dēļ, apgaismojot necaurspīdīgus ekrānus ar punktveida gaismas avotu ēnas malā, kur saskaņā ar ģeometriskās optikas likumiem vajadzēja notikt pēkšņai pārejai no ēnas uz gaismu, virkne gaismas un tumsas. tiek novērotas difrakcijas joslas.
Tā kā difrakcija ir raksturīga jebkurai viļņu kustībai, gaismas difrakcijas atklāšana 17. gs. Itāļu fiziķis un astronoms F. Grimaldi un tā skaidrojums 19. gadsimta sākumā. Franču fiziķis O. Fresnels bija viens no galvenajiem gaismas viļņveida rakstura pierādījumiem. Aptuvenā gaismas difrakcijas teorija ir balstīta uz Huygens-Fresnel principa piemērošanu. Vienkāršāko gaismas difrakcijas gadījumu kvalitatīvai izvērtēšanai var izmantot Fresnela zonu konstrukciju. Kad gaisma no punktveida avota iet caur nelielu apaļu caurumu necaurspīdīgā ekrānā vai ap apaļu necaurspīdīgu ekrānu, tiek novērotas difrakcijas malas koncentrisku apļu veidā.
Ja caurums atstāj atvērtu pāra zonu skaitu, tad difrakcijas modeļa centrā iegūst tumšu plankumu, ja zonu skaits ir nepāra, iegūst gaišu plankumu. Ēnas centrā no apaļa ekrāna, kas pārklāj ne pārāk daudz Fresnel zonu, tiek iegūts spilgts punkts. Huygens-Fresnel princips ļauj izskaidrot difrakcijas fenomenu un dot metodes tās kvantitatīvā aprēķināšanai.
Ir divi difrakcijas gadījumi. Ja šķērslis, uz kura notiek difrakcija, atrodas tuvu gaismas avotam vai ekrānam, uz kura tiek veikts novērojums, tad krītošo vai izkliedēto viļņu priekšpusei ir izliekta virsma; šo gadījumu sauc par Frenela difrakciju vai difrakciju diverģentos staros, t.i., kur b ir cauruma izmērs, z ir novērošanas punkta attālums no ekrāna, l ir viļņa garums (Fresnel difrakcija) un gaismas difrakcija paralēli. stari, kuros caurums ir daudz mazāks par vienu Fresnela zonu, t.i. (Fraunhofera difrakcija).
Pēdējā gadījumā, kad uz cauruma krīt paralēls gaismas stars, stars kļūst diverģents ar diverģences leņķi j ~ l/b (difrakcijas diverģence). Plaknes viļņus iegūst, vai nu virzot gaismas avotu un novērošanas punktu prom no šķēršļa, kas izraisa difrakciju, vai arī izmantojot atbilstošu lēcu izvietojumu.
No ģeometriskās optikas ideju viedokļa par gaismas taisnu izplatīšanos ēnas robežu aiz necaurspīdīga šķēršļa asi iezīmē stari, kas iet garām šķērslim, pieskaroties tā virsmai. Līdz ar to difrakcijas fenomens ir neizskaidrojams no ģeometriskās optikas viedokļa. Saskaņā ar Huygens viļņu teoriju, kurā katrs viļņu lauka punkts tiek uzskatīts par sekundāro viļņu avotu, kas izplatās visos virzienos, tostarp šķēršļa ģeometriskās ēnas apgabalā, nav skaidrs, kā var rasties atsevišķa ēna. . Neskatoties uz to, pieredze mūs pārliecina par ēnas esamību, taču tā nav skaidri definēta kā gaismas apgalvojumu taisnvirziena izplatīšanās teorija, bet ar izplūdušām malām. Turklāt izplūšanas apgabalā tiek novērota traucējumu maksimumu un apgaismojuma minimumu sistēma
2. Spraugas difrakcija
Gaismas difrakcijas gadījumam ar spraugu ir liela praktiska nozīme. Kad spraugu apgaismo paralēls monohromatiskas gaismas stars, ekrānā tiek iegūta virkne tumšu un gaišu joslu, kuru intensitāte strauji samazinās. Ja gaisma krīt perpendikulāri spraugas plaknei, tad bārkstis ir izvietotas simetriski attiecībā pret centrālo malu, un apgaismojums gar ekrānu periodiski mainās ar j, izzūdot leņķos j, kuriem sin j = m/lb (m = 1, 2, 3...).
Pie starpvērtībām apgaismojums sasniedz maksimālās vērtības. Galvenais maksimums notiek pie m = 0, savukārt sin j = 0, t.i., j = 0. Šādi maksimumi, kas pēc lieluma ir ievērojami zemāki par galveno, atbilst j vērtībām, kas noteiktas no nosacījumiem: sin j = 1,43 l/b, 2,46 l/b, 3,47 l/b utt. Kad spraugas platums samazinās, centrālā spilgtā josla paplašinās, un noteiktam spraugas platumam minimumu un maksimumu pozīcijas ir atkarīgas no l, t.i., jo lielāks attālums starp joslām, jo lielāks l.
Tāpēc baltās gaismas gadījumā ir dažādu krāsu atbilstošu rakstu kopums. Šajā gadījumā galvenais maksimums būs kopīgs visiem l un parādīsies kā balta svītra, kas pārvēršas krāsainās svītrās ar mainīgām krāsām no purpursarkanas līdz sarkanai. Ja ir 2 identiski paralēli spraugas, tad tie dod identiskus difrakcijas modeļus, kas pārklājas viens ar otru, kā rezultātā attiecīgi tiek palielināti maksimumi, un turklāt notiek viļņu savstarpēja iejaukšanās no pirmās un otrās spraugas, kas ievērojami sarežģī bilde. Rezultātā minimums būs tajās pašās vietās, jo. tie ir virzieni, kuros neviens no spraugām nesūta gaismu. Turklāt ir iespējami norādījumi, kuros abu spraugu sūtītā gaisma izslēdz viena otru.
Tādējādi iepriekšējos minimumus nosaka nosacījumi: b sin j = l, 2l, 3l, ..., papildu minimumi d sin j = l/2, 3l/2, 5l/2, ... (d ir spraugas b lielums kopā ar necaurspīdīgu spraugu a), galvenie maksimumi d sin j = 0,l, 2l, 3l, ..., t.i., starp diviem galvenajiem maksimumiem ir viens papildu minimums, un maksimumi kļūst šaurāki. nekā ar vienu spraugu. Palielinot spraugu skaitu, šī parādība kļūst vēl izteiktāka. Gaismas difrakcijai ir nozīmīga loma gaismas izkliedē duļķainā vidē, piemēram, uz putekļu daļiņām, miglas pilieniem utt. Spektrālo instrumentu ar difrakcijas režģi (difrakcijas spektrometru) darbība balstās uz gaismas difrakciju.
Gaismas difrakcija nosaka optisko instrumentu (teleskopu, mikroskopu utt.) izšķirtspējas robežu. Gaismas difrakcijas dēļ punktveida avota (piemēram, zvaigznes teleskopā) attēls izskatās kā aplis ar diametru lflD, kur D ir objektīva diametrs, bet f ir tā fokusa attālums. Lāzera starojuma novirzi nosaka arī gaismas difrakcija. Lai samazinātu lāzera stara diverģenci, to ar teleskopu pārvērš platākā starā, un pēc tam starojuma diverģenci nosaka objektīva diametrs D pēc formulas j ~ l/D.
Difrakcijas modeli, kas novērots uz ekrāna, kas novietots aiz vienas spraugas nodalījuma, var aprēķināt, pamatojoties uz superpozīcijas un viļņu traucējumu principu. Ļaujiet, lai uz spraugas nokristu monohromatisks gaismas stars ar garumu λ. Atstarpes d izmēri ir salīdzināmi ar λ: d ~ λ. Attālums no slota līdz ekrānam L >> d. Katrs spraugas punkts saskaņā ar Huygens principu ir sekundārā sfēriskā viļņa avots. Šie viļņi traucē viens otru, tā ka iegūtās viļņu frontes patiesā pozīcija ir sekundāro viļņu apvalks, ņemot vērā to traucējumus. Apskatīsim divu šādu viļņu superpozīciju, kas nāk no spraugas vidus un no vienas malas, un aprēķināsim atšķirību starp šādu viļņu ceļiem patvaļīgā ekrāna punktā. No vienkāršiem ģeometriskiem apsvērumiem, ņemot vērā leņķa Θ mazumu, var iegūt, ka starpība starp šo divu viļņu ceļiem ir vienāda ar:
kur y ir novērošanas punkta koordināte uz ekrāna. Divu viļņu traucējumi būs destruktīvi, ja ceļa starpība ir vienāda ar veselu pusviļņu skaitu m(λ /2). No šejienes tiek atrastas to ekrāna punktu koordinātas, kuros parādās tumšas svītras:
Gaismas intensitātes sadalījumam difrakcijas shēmā ir krass maksimums. Jāņem vērā, ka minimumu pozīciju mērījumi ļauj (zināmiem parametriem d un L) noteikt gaismas viļņa garumu.
3. Difrakcijas režģis
Progresīvāks gaismas spektrālās analīzes instruments ir difrakcijas režģis. Difrakcijas režģis ir sistēma, kurā ir liels skaits spraugu, kas ir identiski platumā un paralēli viens otram, atrodas vienā plaknē un ir atdalīti ar vienāda platuma necaurspīdīgām spraugām. Difrakcijas režģi veido, pieliekot paralēlus gājienus uz stikla virsmas, izmantojot dalāmās mašīnas. Sadalīšanas mašīnas izsekotās vietas izkliedē gaismu visos virzienos un tādējādi ir praktiski necaurredzamas spraugas starp neskartajām plāksnes daļām, kuras spēlē spraugu lomu.
Sitienu skaitu uz 1 mm nosaka pētāmā starojuma spektra apgabals - no 300 1/mm (infrasarkanajā reģionā) līdz 1200 1/mm (ultravioletajā). Šī ierīce ir divu veidu: caurlaidīga (caurspīdīgas spraugas mijas ar necaurspīdīgām spraugām) un atstarojoša (apgabali, kas atstaro gaismu, mijas ar apgabaliem, kas izkliedē gaismu). Abos gadījumos uz virsmas tiek nogulsnēts liels skaits spraugu vai gaismu izkliedējošu svītru, sitienu skaitam sasniedzot 10 3 uz 1 mm, bet kopējam sitienu skaitam ~ 10 5 . Attālumu starp divām blakus esošām spraugām sauc par režģa periodu. Divi viļņi, kas nāk no divu blakus esošo spraugu malām, konstruktīvi traucē, ja:
Ir skaidrs, ka šajā gadījumā viļņi no visām spraugām viens otru pastiprinās (ceļu starpība, ko nosaka punkti, kas viens no otra ir atdalīti ar veselu režģa periodu skaitu, nepārkāpj konstruktīvo traucējumu nosacījumus), un pēc visu fokusēšanas stari ar objektīvu, uz ekrāna parādīsies maksimumi. Tādējādi iepriekšējā formula nosaka difrakcijas režģa radītā difrakcijas modeļa maksimumu pozīciju. Visu maksimumu novietojums, izņemot galveno maksimumu, kas atbilst m = 0, ir atkarīgs no viļņa garuma. Tāpēc, ja uz režģa nokrīt balta gaisma, tā sadalās spektrā. Izmantojot difrakcijas režģi, ir iespējams ļoti precīzi izmērīt viļņa garumu, jo ar lielu spraugu skaitu intensitātes maksimumu apgabali sašaurinās, pārvēršoties plānās spilgtās joslās, un attālumi starp maksimumiem (tumšo joslu platums). ) palielināt.
Atstarojošie difrakcijas režģi ir vislabākās kvalitātes. Tie ir tik mazi mainīgi apgabali, ka, atstarojot gaismu, tie to izkliedē difrakcijas dēļ. Tādējādi gaismas stars ir sadalīts daudzos koherentos staros.
Ja caurspīdīgo posmu platums ir a, bet necaurspīdīgo spraugu platums ir b, tad vērtību d=a+b sauc par režģa periodu. Ja gaisma ar viļņa garumu l krīt uz režģa normāli (perpendikulāri) tās virsmai, tad, kā izriet no 1. attēla, stariem, kas izkliedēti leņķī j pret sākotnējo virzienu no katras spraugas attiecīgajām vietām, ir ceļu atšķirības dsinj (I un II stari) , 2dsinj (I un III stari) utt.
Viļņi pastiprina viens otru traucējumu laikā, ja šī ceļa starpība ir vienāda ar veselu viļņu skaitu. Leņķi, kuros tiek novēroti maksimumi, ir atrodami no attiecības
K = 0, ±1, ±2, ±3… (1)
Maksimumi tiek novēroti abās krītošās gaismas pusēs, un centrālais maksimums (k=0) tiek novērots krītošā stara virzienā.
Lāzera CD spoguļvirsma ir spirālveida celiņš, kura solis ir samērojams ar redzamās gaismas viļņa garumu. Uz šādas sakārtotas un smalki strukturētas virsmas atstarotajā gaismā manāmi izpaužas difrakcijas un interferences parādības, kas ir iemesls tās radīto atspulgu zaigojošajai krāsai. Lāzera stars kompaktdiskā aizņem tik mazu laukumu, ka šo laukumu var uzskatīt par viendimensijas difrakcijas režģi.
Ierīces (ierīce Nr. 1) shēma gaismas difrakcijas novērošanai kompaktdiska gabalā, kas spēlē atstarojoša difrakcijas režģa lomu, ir parādīta 2. attēlā. Šeit: 1 - gaismas avots - lāzera atslēgu piekariņš, kas uzstādīts uz rotējošais stienis, 2 - atstarojošais difrakcijas režģis - kompaktdiska gabals, 3 - skava preparāta fiksēšanai, 4 - transporteris difrakcijas leņķu mērīšanai, 5 - transporteris gaismas stara krišanas leņķa mērīšanai , 6 - skava polaroīda piestiprināšanai.
4. Huygens-Fresnel princips
Difrakcijas efektu iezīme ir tāda, ka difrakcijas modelis katrā telpas punktā ir daudzu sekundāro Huygens avotu staru traucējumu rezultāts. Šo efektu skaidrojumu veica Fresnels, un to sauca par Huygens-Fresnel principu.
Huygens-Fresnel principa būtību var attēlot vairāku noteikumu veidā:
1) visu viļņu virsmu, ko ierosina kāds apgabala S avots S 0, var sadalīt mazos posmos ar vienādiem laukumiem dS, kas būs sekundāro avotu sistēma, kas izstaro sekundāros viļņus;
2) šie sekundārie avoti, kas ir ekvivalenti vienam un tam pašam primārajam avotam S 0 , ir savstarpēji saskaņoti. Tāpēc viļņiem, kas izplatās no avota S 0 jebkurā telpas punktā, jābūt visu sekundāro viļņu interferences rezultātam;
3) visu sekundāro avotu - viļņu virsmas posmu ar vienādiem laukumiem - starojuma jauda ir vienāda;
4) katrs sekundārais avots (ar laukumu dS) pārsvarā izstaro ārējās normas n virzienā uz viļņa virsmu šajā punktā; sekundāro viļņu amplitūda virzienā, kas veido leņķi ar n, ir mazāks, jo lielāks ir leņķis a, un tā ir vienāda ar nulli;
5) sekundāro viļņu amplitūda, kas sasniegusi noteiktu telpas punktu, ir atkarīga no sekundārā avota attāluma līdz šim punktam: nekā lielāks attālums, jo mazāka amplitūda;
6) kad daļu no viļņa virsmas S pārklāj necaurspīdīgs ekrāns, sekundāros viļņus izstaro tikai šīs virsmas atklātie laukumi. Šajā gadījumā gaismas viļņa daļa, ko pārklāj necaurspīdīgs ekrāns, vispār nedarbojas, un viļņa atvērtās zonas darbojas tā, it kā ekrāna vispār nebūtu.
5. Fresneļa zonu metode
Freneļa difrakcijai ir liela nozīme viļņu teorijā, jo pretēji Huygens principam un pamatojoties uz Huygens-Fresnel principu, izskaidro taisnu gaismas izplatīšanos viendabīgā vidē, kurā nav šķēršļu. Lai to parādītu, apsveriet sfēriska gaismas viļņa darbību no punktveida avota s0 patvaļīgā telpas punktā Р. Šāda viļņa viļņa virsma ir simetriska attiecībā pret taisni S0P. Vēlamā viļņa amplitūda punktā P ir atkarīga no visu virsmas S sekciju dS emitēto sekundāro viļņu traucējumu rezultāta. Sekundāro viļņu amplitūdas un sākotnējās fāzes ir atkarīgas no atbilstošo avotu atrašanās vietas dS ar attiecībā pret punktu P.
Izmantojot problēmas simetriju, Fresnels piedāvāja oriģinālu metodi viļņu virsmas sadalīšanai zonās (Fresnel zonu metode). Saskaņā ar šo metodi viļņu virsmu sadala gredzenveida zonās, kas konstruētas tā, lai attālumi no katras zonas malām līdz punktam P atšķirtos par (gaismas viļņa garumu vidē, kurā vilnis izplatās). Ja ar r0 apzīmējam attālumu no viļņa virsmas O virsotnes līdz punktam P, tad attālumi r 0 + k veido visu zonu robežas, kur k ir zonas numurs. Svārstības, kas nāk uz punktu P no līdzīgiem punktiem - divām blakus zonām, fāzē ir pretējas, jo ceļa atšķirība no šīm zonām līdz punktam P ir vienāda. Tāpēc šīs svārstības, ja tās ir uzliktas, savstarpēji vājina viena otru, un iegūtā amplitūda tiks izteikta ar summu:
A \u003d A 1 -A 2 + A 3 -A 4 + ....
Amplitūdas a k lielums ir atkarīgs no --tās zonas laukuma un leņķa starp ārējo normālu pret zonas virsmu jebkurā tās punktā un taisni, kas vērsta no šī punkta uz punktu P. Tas var būt parādīts, ka --tās zonas platība nav atkarīga no zonas skaita apstākļos. Līdz ar to aplūkotajā tuvinājumā visu Fresnela zonu laukumi ir vienādi un visu Fresnela zonu – sekundāro avotu – starojuma jauda ir vienāda. Tajā pašā laikā, palielinoties k, palielinās leņķis starp normālu pret virsmu un virzienu uz punktu P, kas noved pie starojuma intensitātes samazināšanās. k-tā zonašajā virzienā, t.i. līdz amplitūdas A k samazinājumam salīdzinājumā ar iepriekšējo zonu amplitūdām. A amplitūda k samazinās arī, jo - palielinās attālums no zonas līdz punktam P, palielinoties k. Galu galā
A 1 > A 2 > A 3 > A 4 > ... > A k >….
Lielā zonu skaita dēļ Ak samazinājums ir monotons, un aptuveni varam pieņemt, ka, ņemot vērā attālo zonu mazo amplitūdu, visas iekavās esošās izteiksmes ir vienādas ar nulli. Iegūtais rezultāts nozīmē, ka svārstībām, ko punktā P rada sfēriskā viļņa virsma, ir tāda pati amplitūda, it kā būtu aktīva tikai puse no centrālās Fresnela zonas. Līdz ar to gaisma no avota S 0 līdz punktam P izplatās it kā ļoti šaurā tiešā kanālā, t.i. taisni. Mēs nonākam pie secinājuma, ka traucējumu fenomena rezultātā tiek iznīcināta visu zonu darbība, izņemot pirmo.
6. Viena spraugas Fraunhofera difrakcija
Praksē slotu attēlo taisnstūrveida caurums, kura garums ir daudz lielāks par platumu. Šajā gadījumā gaisma izkliedējas pa labi un pa kreisi no spraugas. Ja mēs novērojam avota attēlu virzienā, kas ir perpendikulārs spraugas ģenerātora virzienam, tad varam aprobežoties ar difrakcijas modeļa aplūkošanu vienā dimensijā (gar x). Ja vilnis normāli nokrīt uz spraugas plakni, saskaņā ar Huygens-Fresnel principu, spraugas punkti ir sekundāri viļņu avoti, kas svārstās vienā fāzē, jo spraugas plakne sakrīt ar krītošā viļņa priekšpusi. Sadalīsim slota laukumu vairākās šaurās vienāda platuma sloksnēs, kas ir paralēlas slota ģenerātoram. Viļņu fāzes no dažādām joslām vienādos attālumos, pamatojoties uz iepriekš minēto, ir vienādas, arī amplitūdas ir vienādas, jo atlasītajiem elementiem ir vienādi laukumi un tie ir vienādi slīpi novērošanas virzienā.
Ja gaismai ejot caur spraugu tiktu ievērots gaismas taisnās izplatīšanās likums (nebūtu difrakcijas), tad uz ekrāna E, kas uzstādīts lēcas L 2 fokusa plaknē, spraugas attēls būtu redzams. iegūts. Tāpēc virziens = 0 definē neizkliedētu vilni ar amplitūdu a 0, kas vienāda ar viļņa amplitūdu, kas tiek nosūtīts cauri visai spraugai.
Difrakcijas dēļ gaismas stari novirzās no taisnās izplatīšanās stūros. Novirze pa labi un pa kreisi ir simetriska pret viduslīniju OS0 (8.5. att., C un C,). Lai atrastu visas spraugas darbību leņķa noteiktajā virzienā, ir jāņem vērā fāzu starpība, kas raksturo viļņus, kas no dažādām joslām (Fresnela zonām) sasniedz novērošanas punktu C, jo Kā minēts iepriekš, visi paralēlie stari, kas krīt uz objektīvu leņķī pret tā optisko asi OS0, kas ir perpendikulāra krītošā viļņa priekšpusei, tiek savākti objektīva C sānu fokusā. Uzzīmēsim plakni FD, kas ir perpendikulāra difrakcijas staru virzienam un attēlo jauna viļņa priekšpusi.
Tā kā lēca nerada papildu atšķirību staru ceļā, visu staru ceļš no FD plaknes līdz punktam C ir vienāds. Līdz ar to staru kopējo ceļa starpību no spraugas FE nosaka segments ED. Uzzīmēsim plaknes, kas ir paralēlas viļņu virsmai FD tā, lai tās sadalītu segmentu ED vairākos posmos, no kuriem katra garums ir /2. Šīs plaknes sadalīs slotu iepriekš minētajās joslās - Fresnel zonās, un ceļa atšķirība no blakus zonām ir vienāda saskaņā ar Fresnel metodi. Tad difrakcijas rezultātu punktā C noteiks Fresnela zonu skaits, kas iekļaujas spraugās: ja zonu skaits ir pāra (z = 2k), punktā C ir difrakcijas minimums, ja z ir nepāra. (z = 2k + 1), punktā C - maksimālā difrakcija .
Fresnela zonu skaitu, kas iekļaujas slotos FE, nosaka, cik reižu ED ir ietverts segmentā, t.i. z = 0. Segmentu ED, kas izteikts spraugas platumā un difrakcijas leņķī, rakstīsim kā ED = 0. Rezultātā iegūstam nosacījumu difrakcijas maksimumu novietojumam, kur k - 1,2 ,3 .. ir veseli skaitļi. Vērtību k, kas ņem naturālo rindu skaitļu vērtības, sauc par difrakcijas maksimuma secību. Zīmes + un - formulās atbilst gaismas stariem, kas izkliedējas no spraugas + un - leņķos un saplūst objektīva L2 sānu fokusos: C un C, kas ir simetriski attiecībā pret galveno fokusu C 0 . Virzienā = 0 tiek novērots visintensīvākais nulles kārtas centrālais maksimums, kopš svārstības no visām Fresneļa zonām nonāk līdz punktam С0 vienā fāzē.
Centrālā maksimuma pozīcija (= 0) nav atkarīga no viļņa garuma un tāpēc ir kopīga visiem viļņu garumiem. Tāpēc baltas gaismas gadījumā difrakcijas modeļa centrs parādīsies kā balta svītra. Ir skaidrs, ka maksimumu un minimumu novietojums ir atkarīgs no viļņa garuma. Tāpēc vienkārša tumšo un gaišo joslu maiņa notiek tikai monohromatiskā gaismā. Baltās gaismas gadījumā difrakcijas modeļi dažādiem viļņu garumiem mainās atkarībā no viļņa garuma. Centrālajam baltajam maksimumam ir varavīksnes krāsa tikai malās (viena Fresnel zona iekļaujas spraugas platumā).
Sānu maksimumi dažādiem viļņu garumiem vairs nesakrīt viens ar otru; tuvāk centram ir maksimumi, kas atbilst īsākiem viļņiem. Garo viļņu maksimumi atrodas tālāk viens no otra nekā īsviļņu maksimumi. Tāpēc difrakcijas maksimums ir spektrs, kura violetā daļa ir vērsta pret centru. Pilnīga gaismas izzušana nenotiek nevienā ekrāna punktā, jo gaismas maksimumi un minimumi pārklājas ar dažādiem.
Relativitātes teorija (Alberts Einšteins)
Telpa un laiks ir viens, pastāv saikne starp masu un enerģiju - īpašā relativitātes teorija, kas pagājušā gadsimta sākumā pārvērta vispārpieņemtos priekšstatus par pasauli, joprojām turpina saviļņot cilvēku prātus un sirdis.
1905. gadā Alberts Einšteins publicēja īpašo relativitātes teoriju (STR), kurā paskaidrots, kā interpretēt kustības starp dažādiem inerciālajiem atskaites rāmjiem - vienkāršiem objektiem, kas pārvietojas ar nemainīgu ātrumu viens pret otru.
Einšteins paskaidroja, ka tad, kad divi objekti pārvietojas ar nemainīgu ātrumu, jāņem vērā to kustība vienam pret otru, nevis jāņem viens no tiem par absolūtu atskaites sistēmu.
Tātad, ja divi astronauti, jūs un, teiksim, Hermanis, lidojat ar diviem kosmosa kuģiem un vēlaties salīdzināt savus novērojumus, vienīgais, kas jums jāzina, ir jūsu ātrums attiecībā pret otru.
Speciālā relativitāte ņem vērā tikai vienu īpašu gadījumu (tātad nosaukums), kad kustība ir taisna un vienmērīga.
Ja materiāla korpuss paātrinās vai pagriežas uz sāniem, SRT likumi vairs nav spēkā. Tad tiek izmantota vispārējā relativitātes teorija (GR), kas izskaidro kustības materiālie ķermeņi vispār.
Einšteina teorija balstās uz diviem galvenajiem principiem:
1. Relativitātes princips: fizikālie likumi tiek saglabāti pat ķermeņiem, kas ir inerciāli atskaites rāmji, t.i., virzās tālāk nemainīgs ātrums attiecībā vienam pret otru.
2. Gaismas ātruma princips: gaismas ātrums paliek nemainīgs visiem novērotājiem neatkarīgi no to ātruma attiecībā pret gaismas avotu. (Fiziķi gaismas ātrumu dēvē par c.)
Viens no Alberta Einšteina panākumu iemesliem ir tas, ka viņš eksperimentālos datus izvirzīja augstāk par teorētiskajiem datiem. Kad vairāki eksperimenti uzrādīja rezultātus, kas bija pretrunā vispārpieņemtajai teorijai, daudzi fiziķi nolēma, ka šie eksperimenti ir kļūdaini.
Alberts Einšteins bija viens no pirmajiem, kurš nolēma celt jauna teorija pamatojoties uz jauniem eksperimentāliem datiem.
19. gadsimta beigās fiziķi meklēja noslēpumainu ēteri – vidi, kurā saskaņā ar vispārpieņemtiem pieņēmumiem būtu jāizplatās gaismas viļņiem, līdzīgi kā akustiskajiem viļņiem, kuru izplatībai nepieciešams gaiss vai cits līdzeklis. - cieta, šķidra vai gāzveida.
Ticība ētera esamībai radīja pārliecību, ka gaismas ātrumam ir jāmainās līdz ar novērotāja ātrumu attiecībā pret ēteri.
Alberts Einšteins atteicās no ētera jēdziena un pieņēma, ka visi fiziskie likumi, tostarp gaismas ātrums, paliek nemainīgi neatkarīgi no novērotāja ātruma - kā parādīja eksperimenti.
Gaismas traucējumu izpēte un izmantotā starojuma viļņa garuma noteikšana
Laboratorijas darbu vadlīnijas
PENZA 2007. gads
Mērķis- traucējumu modeļa novērošanas un tā parametru mērīšanas metožu izpēte, izmantotā starojuma viļņa garuma noteikšana.
INSTRUMENTI UN PIEDERUMI
1. Optiskais sols.
3. Freneļa biprizma.
5.Atstarojošs ekrāns.
TRAUCĒJUMU RAKSTU IEGŪŠANAS METODES
No pieredzes zināms, ja uz noteiktas virsmas krīt gaisma no diviem avotiem (piemēram, no divām kvēlspuldzēm), tad šīs virsmas apgaismojums ir katra avota atsevišķi radīto apgaismojumu summa. Virsmas apgaismojumu nosaka gaismas plūsmas vērtība uz laukuma vienību, tāpēc kopējā gaismas plūsma, kas attiecīgajā gadījumā krīt uz jebkuru virsmas elementu, ir vienāda ar plūsmu summu no katra no avoti. Šādi novērojumi ļāva atklāt gaismas staru neatkarības likumu.
Taču situācija būtiski mainās, ja virsmu izgaismo divi gaismas viļņi, ko izstaro viens un tas pats punktveida avots, bet kas virzās uz satikšanās punktu dažādus ceļus. Šajā gadījumā, kā liecina pieredze, atsevišķas virsmas daļas tiks izgaismotas ļoti vāji; gaismas viļņi, uzlikti, dzēš viens otru. Citu zonu apgaismojums, kur viens otru pastiprina viens otru uzklāti viļņi, ievērojami pārsniegs dubultoto apgaismojumu, ko varētu radīt kāds no šiem viļņiem.
Tādējādi uz virsmas tiks novērots mainīga apgaismojuma maksimumu un minimumu modelis, ko sauc par interferences modeli (1. att.).
Šāda attēla parādīšanos, pārklājot gaismas viļņus, sauc par gaismas traucējumiem. Nepieciešams nosacījums viļņu traucējumi ir saskaņotība, t.i. to frekvenču vienādība un fāzu starpības noturība laikā. Divi neatkarīgi gaismas avoti, piemēram, divas spuldzes, rada nesakarīgus viļņus un neveido traucējumu modeli. Ir dažādas metodes, kā mākslīgi radīt koherentus viļņus un novērot gaismas traucējumus. Apskatīsim dažus no tiem.
1.1. Younga metode
Pirmais eksperiments, kas ļāva veikt traucējumu fenomena kvantitatīvo analīzi, bija Janga eksperiments, kas tika iestudēts 1802. gadā.
Iedomājieties ļoti mazu monohromatiskās gaismas avotu o (2. att.), kas ekrānā apgaismo divus vienādi mazus un cieši izvietotus caurumus. BET.
Saskaņā ar Huygens principu šos caurumus var uzskatīt par neatkarīgiem sekundāro sfērisko viļņu avotiem. Ja punkti un atrodas vienādā attālumā no gaismas avota S, tad svārstību fāzes šajos punktos būs vienādas (viļņi ir koherenti) un jebkurā punktā R otrais ekrāns AT, no kurienes nāks gaismas viļņi un , viena uz otru uzlikto svārstību fāzu starpība būs atkarīga no starpības , ko sauc par ceļa starpību.
Ar ceļa starpību, kas vienāda ar pāra skaitu pusviļņu, svārstību fāzes atšķirsies ar 2π daudzkārtni, un gaismas viļņi, ja tie atrodas vienā punktā. R pastiprinās viens otru, punkts R ekrāns būs vairāk apgaismots nekā blakus esošie punkti uz taisnas līnijas VAI.
Punkta P maksimālā apgaismojuma nosacījumu var uzrakstīt šādi:
kur Uz=1,2,3,4…
Ja ceļa starpība ir vienāda ar nepāra skaitu pusviļņu, tad punktā R svārstības, kas izplatās no un izslēgs viena otru, un šis punkts netiks izgaismots. Punkta minimālais apgaismojuma stāvoklis
Tie paši punkti uz ekrāna AT, ceļa starpība, līdz kurai atbilst nosacījumam
tiks izgaismotas, bet to apgaismojums būs mazāks par maksimālo. Tāpēc ekrānā novērotais traucējumu modelis ir joslu sistēma, kurā apgaismojums vienmērīgi mainās atbilstoši sinusoidālajam likumam, pārejot no gaišas joslas uz tumšo.
Par punktu O ekrāns, vienādā attālumā no avotiem un , staru ceļa starpība un ir vienāda ar nulli, t.i. traucējumu rezultātā šis punkts tiks pēc iespējas vairāk izgaismots (nulles kārtas maksimums).
Noteiksim attālumu līdz tiem punktiem, kuros tiks novēroti sekojoši traucējumu maksimumi, t.i. definēt.
No taisnleņķa trijstūriem un mums ir (saskaņā ar Pitagora teorēmu):
Atņemot vārdu pa vārdam, mēs iegūstam
Pārrakstīsim šo vienādību formā
Pieņemot, ka attālums starp avotiem ir daudz mazāks nekā attālums no avotiem līdz ekrānam, mēs varam pieņemt, ka
Tad vienlīdzība (5) iegūst formu
Savukārt kur tad
Visbeidzot, attālumu līdz punktiem, kuros tiek novēroti maksimumi, var atrast no nosacījumiem (1) un (8).
No (9)
Tāpēc pirmā maksimāli apgaismotā līnija atradīsies attālumā, sākot no ekrāna vidus:
Otrā līnija ar maksimālu apgaismojumu atradīsies attālumā
Attālums līdz punktiem, kur tiek ievēroti minimumi (tumšas līnijas), tiek iegūts no nosacījuma
kur = 0,1,2,3...
Interferences modeļa periods, t.i. attālums starp tuvākajām viena un tā paša apgaismojuma līnijām (piemēram, maksimālais vai minimālais), kā izriet no (9) vai (10), ir vienāds ar
Kad caurumi tiek izgaismoti ar baltu (polihromatisku) gaismu, ekrānā tiek iegūtas krāsainas svītras, nevis tumšas un gaišas, kā aprakstītajā eksperimentā.
1.2. Loida metode
Uz att. 3. attēlā parādīta traucējumu ierīce, kas sastāv no īsta gaismas avota S un plakans spogulis (Lloyd's spogulis). Viens gaismas stars, kas nāk no gaismas avota, tiek atstarots no spoguļa un saskaras ar ekrānu. Šo gaismas staru var attēlot kā tādu, kas izplūst no virtuāla attēla
gaismas avots, ko veido spogulis. Turklāt stari, kas nāk tieši no gaismas avota, sasniedz ekrānu. S. Ekrāna zonā, kur pārklājas abi gaismas kūļi, t.i. tiek uzlikti divi koherenti viļņi, tiks novērots traucējumu modelis.
1.3. Freneļa biprizma
Koherentus viļņus var uzlādēt arī ar Fresnela biprismas palīdzību – divām prizmām (ar ļoti maziem refrakcijas leņķiem), kas sakrautas to pamatnēs.
4. attēlā parādīta šī eksperimenta staru ceļa diagramma.
Atšķirīgu staru kūlis no gaismas avota S, ejot garām augšējai prizmai, tiek lauzta līdz pamatnei un izplatās tālāk, it kā no punkta - iedomāts punkta attēls. Vēl viens staru kūlis, kas krīt uz apakšējās prizmas, tiek lauzts un novirzīts uz augšu. Punkts, no kura novirzās šī stara stari, ir arī punkta iedomātais attēls. Abi stari ir uzlikti viens otram un rada traucējumu modeli ekrānā. Interferences rezultāts katrā ekrāna punktā, piemēram, punktā P, ir atkarīgs no staru ceļa atšķirības, kas krīt uz šo punktu, t.i. no attālumu starpības līdz iedomātiem gaismas avotiem un .
2. UZSTĀDĪŠANAS APRAKSTS
UN APRĒĶINĀŠANAS FORMULAS ATvasinājums
Šajā darbā ir nepieciešams noteikt izmantotā monohromatiskā starojuma viļņa garumu no novērotā traucējumu modeļa perioda mērīšanas rezultātiem. Starojuma avots ir lāzers, kas novietots kopā ar citām eksperimentālās iekārtas vienībām uz optiskā stenda (lāzera darbības fizika aprakstīta pielikumā). Instalācijas optiskā shēma parādīta 5. att.
Lāzera radīts paralēls gaismas stars LG, tiek fokusēts ar objektīvu L 1, un tā fokusa punkts ir avots, kas apgaismo Fresnela biprismu bf. Ņemot vērā, ka attālums no punkta līdz biprismai ir daudz lielāks nekā gaismas plankums uz biprismas, t.i. no objektīva fokusa izplūstošā staru kūļa diverģence L 1, ir mazs, pirmajā tuvinājumā varam pieņemt, ka visi stari, kas krīt uz biprismu, ir paralēli. Tad stari, kas krīt uz biprismas augšējo ķīli, tiek novirzīti uz leju ar leņķi
kur P- biprismas refrakcijas indekss;
Biprismas laušanas leņķis.
Arī stari, kas krīt uz apakšējo ķīli, tiek novirzīti uz augšu ar leņķi. Tātad no biprismas līdz objektīvam L 2 izplatās divi paralēli gaismas kūļi (divi plaknes viļņi), kuru leņķis ir vienāds ar 2 . Objektīvs L 2 fokusē šos starus un savā fokusa plaknē veido divus punktveida avotus, kas atrodas attālumā viens no otra
kur ir objektīva fokusa attālums L 2.
Ņemot vērā, ka novirze, kā arī leņķis ir ļoti mazs, attālumu starp avotiem var rakstīt kā
Koherentie viļņi, kas izplatās no šiem avotiem, tiek uzlikti viens otram un uz ekrāna veido traucējumu modeli, kura periodu apraksta izteiksme (11). Aizvietojot šo izteiksmi
(kas izriet no formulām (12), (14) un 5. att.) par periodu, kuru mēs rakstām
No šejienes mēs iegūstam aprēķina formulu
Formulā (17) iekļautie parametri ir apkopoti tabulā.
DARBA PROCEDŪRA
1. Pievienojiet lāzera barošanas avota strāvas vadu strāvas kontaktligzdai. Ieslēdziet lāzeru, izmantojot "tīkla" pārslēgšanas slēdzi, kas atrodas barošanas avota priekšējā panelī.
2. Uz optiskā stenda, pārvietojot biprismu un lēcu (pārvietojot ratiņus), iestatiet tos tādā stāvoklī, kurā būs skaidri redzams 1. attēlā līdzīgais traucējumu modelis.
3. Optiskā stenda skalā nosakiet attālumu L no objektīva L 1 līdz ekrānam E.
4. Izmantojot ekrāna mēroga režģi, nosakiet traucējumu modeļa periodu (lai periodu noteiktu visprecīzāk, apsveriet, cik gaismas joslu iekļaujas 20-30 mm segmentā, un pēc tam sadaliet segmenta garumu pēc joslu skaita).
5. Izmantojot tabulas datus un aprēķina formulu (17), aprēķiniet viļņa garumu .
6. Punktos noteiktās darbības. 2-5, atkārtojiet 3-4 reizes, katru reizi pārvietojot objektīvu L 1 50-100 mm no sākotnējās pozīcijas.
7. Vidēji aprēķiniet iegūtās viļņa garuma vērtības.
| pieredzes numurs | P | , m | L, m | , m | , m | sr, m | |
| 1,53 | |||||||
| 1,53 | |||||||
| 1,53 | |||||||
| 1,53 |
testa jautājumi
1. Kas ir viļņu traucējumi?
2. Kādi ir interferences modeļa parādīšanās nosacījumi?
3. Nosauc koherentu gaismas viļņu iegūšanas metodes.
4. Kādi ir traucējumu maksimumu un minimumu veidošanās nosacījumi?
5. Paskaidrojiet, kā traucējumu shēmas periods ir atkarīgs no biprismas laušanas leņķa un gaismas viļņa garuma.
6. Kāds ir lāzera mērķis šajā darbā?
7. Uzzīmējiet instalācijas optisko izkārtojumu un izskaidrojiet elementu mērķi.
Pieteikums
Lāzera darbības fiziskā bāze
Pētot kvantu sistēmas (atoma vai molekulas) izpētes un absorbcijas mehānismu, mēs atklājām, ka pārejas laikā kvantu sistēma No viena enerģijas stāvokļa uz otru tiek emitēta vai absorbēta daļa elektromagnētiskās enerģijas (6. att.).
Tajā pašā laikā tika apspriests tikai tāds starojuma mehānisms, kurā atoms spontāni (spontāni) pāriet uz zemāku enerģijas līmeni, t.i. bez jebkāda ārēja spiediena (siltuma starojuma, luminiscences utt.). Tomēr šis starojuma mehānisms nav vienīgais iespējamais.
A. Einšteins 1917. gadā atklāja, ka kvantu sistēma ārējā elektromagnētiskā lauka ietekmē var izstarot enerģijas kvantu (pāriet uz stāvokli ar zemāku enerģiju). Šo efektu sauc par inducētu (stimulētu) starojumu. Tas ir process, kas ir apgriezts fotonu absorbcijas procesam vidē (negatīvs absorbcijas koeficients). Tas ir, kad ierosinātais atoms tiek pakļauts citam, ārējam fotonam, kura enerģija ir vienāda ar spontāni izstarotā fotona enerģiju, ierosinātais atoms nonāks ne zemākā enerģijas līmenī un izstaros fotonu, kas tiks pievienots fotonam. incidents viens ("6. att., b).
Inducētajam elektromagnētiskajam starojumam ir ievērojama īpašība, tas ir identisks primārajam starojumam, kas krīt uz vielu, t.i. sakrīt ar to pēc frekvences, virziena izplatīšanās un polarizācijas, kā arī saskaņota visā vielas tilpumā. Ar spontānu emisiju fotoniem ir dažādas fāzes un virzieni, un to frekvences ir ietvertas noteiktā vērtību diapazonā.
Videi, kurā ir iespējama inducēta (stimulēta) starošana, ir negatīvs absorbcijas koeficients, jo starojuma plūsma, kas iet caur šādu vidi, netiek vājināta, bet gan pastiprināta. Šie mediji atšķiras no parastajiem ar to, ka tajos ir vairāk ierosinātu atomu nekā nesatrauktu.
Normālos apstākļos absorbcija vienmēr dominē pār stimulēto emisiju. Tas izskaidrojams ar to, ka parasti neierosināto atomu skaits vienmēr ir lielāks par ierosināto atomu skaitu, un pāreju iespējamības vienā vai otrā virzienā ārējo fotonu ietekmē ir vienādas ("sk. b att., a ).
Iespēju izveidot kvantu sistēmu, kas spēj nodot enerģiju elektromagnētiskajam viļņam, 1939. gadā pirmo reizi pamatoja padomju fiziķis V.A.Fabrikants. Vēlāk, 1955. gadā, padomju fiziķi N.G.Basovs un A.M.Prohorovs un neatkarīgi no viņiem amerikāņu fiziķi L.Taunss un Dž.Gordons izstrādāja pirmās funkcionējošās kvantu ierīces, kuru pamatā bija inducētā starojuma izmantošana.
Ierīces, kas izmanto stimulētu emisiju, var darboties gan pastiprināšanas, gan ģenerēšanas režīmā. Attiecīgi tos sauc par kvantu pastiprinātājiem vai kvantu ģeneratoriem. Tos sauc arī par lāzeriem īsumā (ja tā ir redzamās gaismas pastiprināšana vai ģenerēšana) un māzeriem - pastiprinot (vai ģenerējot) garāka viļņa garumu (infrasarkanos starus, radioviļņus).
Lāzerā galvenās galvenās daļas ir: aktīvā vide, kurā notiek stimulētais starojums, šīs vides daļiņu ierosmes avots (“kvēlspīle”) un ierīce, kas ļauj pastiprināt fotonu lavīnu.
Kā mūsdienu kvantu pastiprinātāju un ģeneratoru darba elements (aktīvā vide) tiek izmantotas dažādas vielas, visbiežāk cietā un gāzveida stāvoklī.
Apsveriet vienu no kvantu ģeneratoru veidiem, kuru pamatā ir sintētiskais rubīns (7. attēls). Darba elements ir cilindrs 2, kas izgatavots no rozā rubīna (aktīvā vide), kas saskaņā ar ķīmiskais sastāvs ir alumīnija oksīds - korunds, kurā alumīnija atomi nelielā daudzumā ir aizstāti ar hroma atomiem. Jo augstāks ir hroma saturs, jo intensīvāka ir rubīna sarkanā krāsa. Tā krāsa ir saistīta ar to, ka hroma atomiem ir selektīva gaismas absorbcija spektra zaļi dzeltenajā daļā. Šajā gadījumā hroma atomi, kas absorbējuši starojumu, pāriet uzbudinātā stāvoklī. Apgriezto pāreju pavada fotonu emisija.
Cilindra izmēri var būt aptuveni no 0,1 līdz 2 cm diametrā un no 2 līdz 23 cm garumā. Tā plakanie gala gali ir rūpīgi pulēti un paralēli ar augstu precizitātes pakāpi. Tie ir pārklāti ar sudrabu, lai viens rubīna gals kļūtu pilnībā atstarojošs (spoguļots), bet otrs, starojošs, ir sudrabots ne tik blīvi un ir daļēji atstarojošs (caurlaidība parasti ir no 10 līdz 25%).
Rubīna cilindru ieskauj spirālveida zibspuldzes 1 spoles, kas izstaro galvenokārt zaļo un zilo starojumu. Pateicoties šī starojuma enerģijai, rodas ierosme. Gaismas ģenerēšanas fenomenā piedalās tikai hroma joni.
Uz att. 8. attēlā parādīta vienkāršota rubīna stimulētās emisijas parādīšanās diagramma. Kad rubīna kristāls tiek apstarots ar gaismu (no lampas) ar viļņa garumu 5600A (zaļš), hroma joni, kas iepriekš bija pamata stāvoklī 1. enerģijas līmenī, pāriet uz augšējo enerģijas līmeni 3, precīzāk, uz līmeņiem, kas atrodas 3. joslā.
Īsā (bet diezgan noteiktā) laika posmā daži no šiem joniem atgriezīsies 1. līmenī ar emisiju, citi līdz 2. līmenim, ko sauc par metastabiliem ( R-līmenis). Šajā pārejā starojums nenotiek: hroma joni izdala enerģiju rubīna kristāliskajam režģim. Joni paliek metastabilajā (vidējā) līmenī ilgāk nekā augšējā līmenī, kā rezultātā tiek panākta metastabilā 1. līmeņa liekā populācija (populācijas inversija), ko sauc par optisko sūknēšanu.
Ja mēs tagad virzām starojumu uz rubīnu ar frekvenci, kas atbilst pārejas enerģijai no 2. līmeņa uz 1. līmeni, t.i.
tad šis starojums stimulē jonus, kas atrodas 2. līmenī, atdot savu lieko enerģiju un pāriet uz 1. līmeni. Pāreju pavada tādas pašas frekvences fotonu emisija
Tādējādi sākotnējais signāls tiek pastiprināts daudzas reizes un rodas lavīnai līdzīga šauru sarkanu līniju emisija.
Fotoni, kas nepārvietojas paralēli kristāla gareniskajai asij, atstāj kristālu, izejot cauri caurspīdīgajām sānu sienām.
Šī iemesla dēļ izejas stars veidojas tāpēc, ka fotonu plūsmas, kas vairākkārt atstarojas no rubīna cilindra priekšējās un aizmugurējās spoguļa virsmas, sasniedzot pietiekamu jaudu, iziet caur šo gala virsmu, kurai ir daži caurspīdīgums.
Straujš staru virziens ļauj koncentrēt enerģiju ārkārtīgi mazos apgabalos. Lāzera impulsa enerģija ir aptuveni 1 J, un impulsa laiks ir aptuveni 1 μs. Tāpēc impulsa jauda ir aptuveni 1000 W.
Ja šāds stars ir koncentrēts uz 100 μm lielu laukumu, tad īpatnējā jauda impulsa laikā būs 109 W/cm. Ar šo jaudu visi ugunsizturīgie materiāli pārvēršas tvaikā. Jaudīgs un ļoti šaurs koherentas gaismas stars jau ir atradis pielietojumu mikrometināšanas un caurumu veidošanas tehnoloģijā medicīnā - kā ķirurģiskais nazis acu operācijās (atdalītas tīklenes "metināšana") utt.
GĀZES LĀZERI
Gadu pēc tam, kad 1960. gadā amerikāņu fiziķis T. Maimans izveidoja rubīna lāzeru, tika izveidots gāzes lāzers, kurā aktīvā vide bija hēlija un neona gāzu maisījums ar spiedienu, kas vairākus simtus reižu mazāks par atmosfēras spiedienu. Gāzu maisījumu ievietoja stikla vai kvarca caurulē (9. att.), kurā ar lodētajiem elektrodiem E pievadīta ārēja sprieguma palīdzību tika uzturēta elektriskā izlāde, t.i. elektrība gāzē.
Šajā ziņā gāzes lāzera caurule maz atšķiras no parastajām neona reklāmas caurulēm. Spoguļi 3 ir novietoti gāzizlādes caurules galos (vairākus desmitus centimetru garas), veidojot tādu pašu optisko rezonatoru kā rubīna lāzeram. Tomēr populācijas inversija šajā lāzerā tiek panākta citādā veidā nekā cietvielu lāzeros ar optisko sūknēšanu no zibspuldzes.
Brīvie elektroni, kas gāzē veido elektriskās izlādes strāvu, saduras ar palīggāzes, šajā gadījumā hēlija, atomiem un pārnes hēlija atomus ierosinātā stāvoklī, trieciena brīdī dodot tiem kinētisko enerģiju. Šis satrauktais stāvoklis ir metastabils; hēlija atoms tajā var uzturēties salīdzinoši ilgu laiku, pirms tas spontānas emisijas dēļ nonāk pamatstāvoklī. Faktiski šādai starojuma pārejai vispār nav laika notikt, jo hēlija atoms atdod savu enerģiju neona atomam, kas ar to sadūrās. Rezultātā hēlija atoms atgriežas sākotnējā stāvoklī, un neona enerģijas līmeņos rodas apgrieztā populācija, kas nodrošina starojuma pastiprināšanu un ģenerēšanu ar viļņa garumu, kas atbilst sarkanajai gaismai.
Nepārtrauktā režīmā strādājoša hēlija-neona lāzera starojuma jauda ir neliela, tā ir dažas tūkstošdaļas vatu. Taču gāzveida vides augstās optiskās viendabības dēļ šim starojumam ir ļoti augsta virziena un monohromatiskums, kā arī koherenitāte. Ir viegli panākt, lai šāds starojums traucētu, kas tiek izmantots šajā darbā.
.Gaismas viļņu īpašības izpaužas traucējumu parādībās. Pēdējā būtība slēpjas apstāklī, ka noteiktos apstākļos divu gaismas avotu apgaismotajā zonā novērošanas telpā tiek radīta periodiska apgaismojuma maiņa.Ja nodziest kāds no avotiem, tad mainās apgaismojums tajā pašā zonā. monotoni.
Ļaujiet telpā izplatīties diviem ceļojošiem elektromagnētiskiem viļņiem, kuru elektriskie vektori ir paralēli:
Šeit r 1 un r 2 - attālumi no viļņu avotiem līdz apskatāmajam telpas punktam, ω 1 - svārstību leņķiskās frekvences, - viļņu skaitļi.
Pieņemot, ka novērošanas reģions atrodas tālu no avotiem un maza izmēra, mēs varam neņemt vērā amplitūdas izmaiņas ar attālumu. Tad kopējās svārstības kādā brīdī tiks aprakstītas ar izteiksmi:
kur zīme Δ apzīmē atšķirību starp attiecīgajiem lielumiem.
Tā kā gandrīz visi gaismas uztvērēji reaģē uz enerģiju un tiem ir ievērojama inerce, šo viļņu uztveri noteiks amplitūdas kvadrāta vidējā laika vērtība:
(šeit mēs ņēmām vērā, ka kosinusa vidējais kvadrāts ir 1/2). Bet starojuma intensitāte ir proporcionāla amplitūdas kvadrātam, tāpēc šajā gadījumā intensitātes vienkārši summējas:
Tas tiek novērots, ja redzes lauku apgaismo neatkarīgi avoti. Šāda veida svārstības (un avotus) sauc par nesakarīgām (nekonsekventām). Pilnīgi atšķirīgs rezultāts tiek iegūts, ja avoti atbilst stingriem (bet praktiski īstenojamiem) nosacījumiem:
a) to svārstību frekvences ir stingri vienādas;
b) sākuma fāžu starpība ir nemainīga visā novērošanas laikā (vienkāršības labad pieņemsim to vienādu ar nulli).
Tiek izsaukti avoti, kas atbilst norādītajiem nosacījumiem saskaņota(vienojās); Šajā gadījumā (3.1) vietā mēs iegūstam:
(3.2)
Tādējādi tagad gaismas intensitāte ir būtiski atkarīga no novērošanas punkta stāvokļa: plkst
tas ir maksimālais (un divreiz pārsniedz divu līdzīgu nesakarīgu avotu intensitāti); plkst
tas iet uz nulli.
No klasiskā viedokļa matērijas atomu gaismas starojumu vienkāršākajā gadījumā var attēlot šādi: katrs atoms, būdams tā vai citādi ierosināts, izstaro laikā τ izl (10 -10 - 10 -8 s) "kosinusa viļņa fragments" (viļņu vilciens); tad tas kādu laiku paliek neierosinātā stāvoklī τ, pēc tam atkal tiek ierosināts un izveido jaunu vilcienu. Sekojošie "kosinusa viļņu lūžņi" savā starpā nekādā veidā nav saistīti; starojuma akti atsevišķi atomi arī pilnīgi neatkarīgs. Tāpēc saskaņotība pastāv tikai katrā vilcienā, un "koherences laiks" τ coh nevar pārsniegt starojuma laiku τ rad. Viļņa noietais ceļš koherences laikā ir vienāds ar lCOG-st KOG, sauc par "koherences garumu"; tas vienmēr ir mazāks par vilciena garumu l c =sτ izl.
Parastajiem gāzes gaismas avotiem (nevis lāzeriem) koherences garums parasti ir mazāks par centimetru. Pie gaismas viļņu vidējās frekvences v=5x10 14 Hz vilcienā ietilps liels viļņu skaits - ap simtiem tūkstošu; gaisma ir diezgan vienkrāsaina. Koherentā starojuma avotiem (lāzeriem), kuros atsevišķu atomu starojuma akti ir saistīti viens ar otru, ir milzīgs koherences laiks, kas sasniedz 10 -5 -10 -3 s, un koherences garums ir simtiem metru. . Šajā gadījumā, protams, monohromatiskums ievērojami uzlabojas. Radiotehnikas ģeneratoros radiācijas relatīvā monohromatiskums ir tuvu lāzeram un pat pārsniedz to par vairākām kārtām. Lielā svārstību perioda dēļ koherences laiks palielinās līdz desmitiem stundu, un koherences garums (lielā viļņa garuma dēļ) sasniedz 10 10 km, t.i., izmērus. Saules sistēma. Tāpēc radiofrekvencēs vairākas minūtes ir iespējams novērot divu neatkarīgu avotu - vienkāršu elektrisko svārstību ģeneratoru - viļņu traucējumus.
Tātad parastajā optikā avoti ir nesakarīgi, un, lai iegūtu koherentu starojumu, ir jāizmanto sekundāri - atkarīgi - starojuma avoti; tie tiek radīti, sadalot primārā avota vilni divos viļņos, kas iet dažādus ceļus un atkal saplūst. Protams, viena viļņa aizkaves laiks attiecībā pret otru novērošanas punktā nedrīkst pārsniegt avota koherences laiku. Tāpēc apgabala izmērus, kur var novērot traucējumus, nosaka attālumu starpība no novērošanas punkta līdz avotiem un pēdējo koherences garums.
Gaismas traucējumi
Ja gaisma ir viļņu straume, tad jāievēro gaismas traucējumu parādība. Tomēr, lai iegūtu traucējumu modeli (mainīgu apgaismojuma maksimumu un minimumu), izmantojot divus neatkarīgus gaismas avotus, piemēram, divus spuldzes, neiespējami. Citas spuldzes ieslēgšana tikai palielina virsmas apgaismojumu, bet nerada apgaismojuma minimumu un maksimumu maiņu.
Noskaidrosim, kāds tam ir iemesls un kādos apstākļos ir iespējams novērot gaismas traucējumus.
Gaismas viļņu koherences nosacījums
Iemesls tam, ka eksperimentā ar divām spuldzēm nav traucējumu modeļa, ir tas, ka neatkarīgu avotu izstarotie gaismas viļņi nav savstarpēji saskaņoti. Lai iegūtu stabilu traucējumu modeli, ir nepieciešami saskaņoti viļņi. Tiem jābūt vienādiem viļņu garumiem un nemainīgai fāzes laika atšķirībai jebkurā telpas punktā. Atgādinām, ka šādus saskaņotus viļņus ar vienādu viļņu garumu un nemainīgu fāzes starpību sauc par koherentiem.
Nav grūti sasniegt gandrīz precīzu viļņu garumu vienādību no diviem avotiem. Lai to izdarītu, ir pietiekami izmantot labus filtrus, kas pārraida gaismu ļoti šaurā viļņu garuma diapazonā. Bet no diviem neatkarīgiem avotiem nav iespējams realizēt fāzu starpības noturību. Avotu atomi izstaro gaismu neatkarīgi viens no otra atsevišķos sinusoidālo viļņu "izrāvienos" (vilcienos), kuru garums parasti ir aptuveni metrs. Un šādi viļņu vilcieni no abiem avotiem ir uzlikti viens otram. Rezultātā svārstību amplitūda jebkurā telpas punktā nejauši mainās laika gaitā, atkarībā no tā, kā noteiktā laika momentā dažādu avotu viļņu vilcieni tiek novirzīti viens pret otru fāzē. Viļņi no dažādiem gaismas avotiem ir nesakarīgi tāpēc, ka viļņu fāzu starpība nepaliek nemainīga 1 .
Jaunais Tomass (1773-1829) - Angļu zinātnieks ar neparastu zinātnisko interešu plašumu un talantu daudzpusību. Tajā pašā laikā slavens ārsts un fiziķis ar lielisku intuīciju, astronoms un mehāniķis, metalurgs un ēģiptologs, fiziologs un poliglots, talantīgs mūziķis un pat spējīgs vingrotājs. Viņa galvenie nopelni ir gaismas traucējumu atklāšana (viņš ieviesa fizikā terminu "traucējums") un difrakcijas fenomena skaidrojums, pamatojoties uz viļņu teoriju. Viņš bija pirmais, kurš izmērīja gaismas viļņa garumu.
Nav novērots stabils attēls ar noteiktu apgaismojuma maksimumu un minimumu sadalījumu telpā.
Traucējumi plānās kārtiņās
Neskatoties uz to, var novērot gaismas traucējumus. Lai gan tas tika novērots ļoti ilgu laiku, viņi vienkārši nepiešķīra tam nekādu nozīmi.
Arī jūs daudzkārt esat redzējuši interferences rakstu, kad bērnībā izklaidējāties, pūšot ziepju burbuļus vai vērojot šādas petrolejas vai eļļas plēves zaigojošu krāsu pārplūdi uz ūdens virsmas. “Gaisā peldošs ziepju burbulis... iedegas ar visiem apkārtējiem objektiem raksturīgās krāsu nokrāsas. Ziepju burbulis, iespējams, ir izsmalcinātākais dabas brīnums” (Marks Tvens). Tieši gaismas iejaukšanās padara ziepju burbuli tik apbrīnojamu.
Angļu zinātnieks Tomass Jangs pirmais nāca klajā ar spožu ideju par iespēju skaidrot plāno kārtiņu krāsas, pievienojot 1. un 2. viļņus (8.48. att.), no kuriem viens (1) atspīd no ārējās virsmas. plēvi un otru (2) no iekšējās. Šajā gadījumā notiek gaismas viļņu interference - divu viļņu pievienošana, kā rezultātā laikā tiek novērots stabils radušos gaismas vibrāciju pastiprināšanās vai vājināšanās modelis dažādos telpas punktos. Interferences rezultāts (izraisošo svārstību pastiprināšanās vai vājināšanās) ir atkarīgs no gaismas krišanas leņķa uz plēvi, tās biezuma un gaismas viļņa garuma. Gaismas pastiprināšanās notiks, ja lauztais vilnis 2 atpaliek no atstarotā viļņa 1 par veselu viļņu garumu skaitu. Ja otrais vilnis atpaliek no pirmā par pusi viļņa garuma vai nepāra skaitu pusviļņu, gaisma tiks vājināta.
1 Izņēmums ir kvantu gaismas avoti, lāzeri, kas radīti 1960. gadā.
No filmas ārējās un iekšējās virsmas atspoguļoto viļņu saskaņotība rodas no tā, ka tie ir viena un tā paša gaismas stara daļas. Katra izstarojošā atoma viļņu vilcienu plēve sadala divos vilcienos, un tad šīs daļas tiek apvienotas un traucē.
Jungs arī saprata, ka krāsu atšķirība ir saistīta ar gaismas viļņu viļņa garuma (vai frekvences) atšķirībām. Dažādu krāsu gaismas stari atbilst viļņiem ar dažādu viļņu garumu. Savstarpējai viļņu pastiprināšanai, kas atšķiras viens no otra pēc viļņa garuma (tiek pieņemts, ka krišanas leņķi ir vienādi), ir nepieciešami dažādi plēves biezumi. Tāpēc, ja plēvei ir nevienlīdzīgs biezums, tad, apgaismojot to ar baltu gaismu, vajadzētu parādīties dažādām krāsām.
Ņūtona gredzeni
Vienkāršs interferences modelis rodas plānā gaisa slānī starp stikla plāksni un uz tās novietotu plakaniski izliektu lēcu, kuras sfēriskajai virsmai ir liels izliekuma rādiuss. Šim traucējumu modelim ir koncentriski gredzeni, ko sauc par Ņūtona gredzeniem.
Paņemiet plakaniski izliektu lēcu ar nelielu sfēriskas virsmas izliekumu un novietojiet to izliekti uz leju uz stikla plāksnes. Uzmanīgi izpētot objektīva plakano virsmu (vēlams caur palielināmo stiklu), jūs atradīsiet tumšu plankumu saskares punktā starp objektīvu un plāksni un mazu zaigojošu gredzenu kopu ap to (sk. III att., 1. krāsu ieliktnis). Tie ir Ņūtona gredzeni. Ņūtons tos novēroja un pētīja ne tikai baltā gaismā, bet arī tad, kad objektīvs tika izgaismots ar vienkrāsainu (monohromatisku) staru. Izrādījās, ka gredzenu rādiusi ir vienādi sērijas numurs palielinās, pārejot no spektra f-lauka gala uz sarkano; sarkanajiem gredzeniem ir maksimālais rādiuss. Attālumi starp blakus esošajiem gredzeniem samazinās, palielinoties to rādiusiem (sk. III, 2., 3. att. uz krāsu ieliktņa).
Ņūtons nevarēja apmierinoši izskaidrot, kāpēc rodas gredzeni. Jungam tas izdevās. Sekosim viņa argumentācijas gaitai. Tie ir balstīti uz pieņēmumu, ka gaisma ir viļņi. Aplūkosim gadījumu, kad noteikta viļņa garuma vilnis gandrīz perpendikulāri krīt uz plakaniski izliektas lēcas (8.49. att.). 1. vilnis parādās atstarošanas rezultātā no lēcas izliektās virsmas stikla-gaisa saskarnē, bet 2. vilnis - atstarošanas rezultātā no plāksnes gaisa un stikla saskarnē. Šie viļņi ir koherenti: tiem ir vienāds viļņa garums un nemainīga fāzes starpība, kas rodas tāpēc, ka 2. vilnis virzās garāku attālumu nekā vilnis 1. Ja otrais vilnis atpaliek no pirmā par veselu viļņu garumu skaitu, tad summējot, viļņi viens otru pastiprina.
Gluži pretēji, ja otrais vilnis atpaliek no pirmā par nepāra skaitu pusviļņu, tad to izraisītās svārstības notiks pretējās fāzēs, un viļņi viens otru dzēsīs.
Ja ir zināms lēcas izliektās virsmas izliekuma rādiuss R, tad var aprēķināt, kādos attālumos no lēcas saskares punkta ar stikla plāksni ceļa atšķirības ir tādas, ka noteikta viļņa garuma viļņi atceļ katru. cits. Šie attālumi ir Ņūtona tumšo gredzenu rādiusi. Galu galā gaisa spraugas nemainīga biezuma līnijas ir apļi. Izmērot gredzenu rādiusus, var aprēķināt viļņu garumus.
Gaismas viļņa garums. Mērījumu rezultātā tika konstatēts, ka sarkanai gaismai kp = 8 . 10 -7 m, bet violetai - f = 4. 10 7 m. Viļņu garumi, kas atbilst citām spektra krāsām, ņem starpvērtības. Jebkurai krāsai gaismas viļņa garums ir ļoti īss. Paskaidrosim to ar vienkāršu piemēru. Iedomājieties dažus metrus garu vidējo jūras vilni, kas ir pieaudzis tik ļoti, ka aizņem visu Atlantijas okeānu no Amerikas krastiem līdz Eiropai. Gaismas viļņa garums, kas palielināts tādā pašā proporcijā, tikai nedaudz pārsniegtu šīs lapas platumu.
Interferences fenomens ne tikai pierāda, ka gaismai piemīt viļņu īpašības, bet arī ļauj izmērīt viļņa garumu. Tāpat kā skaņas augstumu nosaka tās frekvence, gaismas krāsu nosaka tās frekvence vai viļņa garums.
Dabā nav krāsu, ir tikai dažāda viļņa garuma viļņi. Acs ir sarežģīta fiziska ierīce, kas spēj noteikt krāsu atšķirību, kas atbilst ļoti nelielai (apmēram 10 6 cm) gaismas viļņu viļņu garuma atšķirībai. Interesanti, ka lielākā daļa dzīvnieku nespēj atšķirt krāsas. Viņi vienmēr redz melnbaltu attēlu. Krāsas neatšķir arī daltoniķi – cilvēki, kas cieš no daltoniskuma.
Kad gaisma pāriet no vienas vides uz otru, mainās viļņa garums. To var redzēt. Aizpildīsim gaisa spraugu starp objektīvu un plāksni ar ūdeni vai citu caurspīdīgu šķidrumu ar refrakcijas koeficientu. Traucējošo gredzenu rādiusi samazināsies.
Kāpēc tas notiek? Mēs zinām, ka, gaismai pārejot no vakuuma uz kādu vidi, gaismas ātrums samazinās par n reizēm. Tā kā \u003d v, tad frekvencei v vai viļņa garumam jāsamazinās par n reizēm. Bet gredzenu rādiusi ir atkarīgi no viļņa garuma. Tāpēc, kad gaisma nonāk vidē, n reizes mainās viļņa garums, nevis frekvence.
Elektromagnētisko viļņu traucējumi
Eksperimentos ar mikroviļņu ģeneratoru var novērot elektromagnētisko viļņu (radioviļņu) traucējumus (skat. § 54).
Ģenerators un uztvērējs ir novietoti viens otram pretī (8.50. att.). Tad no apakšas horizontālā stāvoklī tiek nogādāta metāla plāksne. Pakāpeniski paceļot plāksni, pārmaiņus tiek atrasta skaņas vājināšanās un pastiprināšana.
Parādība ir izskaidrota šādi. Daļa viļņa no ģeneratora raga nonāk tieši uztverošajā ragā. Otra tā daļa atspīd no metāla plāksnes. Mainot plāksnes atrašanās vietu, mēs mainām ceļa starpību starp tiešajiem un atstarotajiem viļņiem. Rezultātā viļņi vai nu pastiprina, vai vājina viens otru atkarībā no tā, vai ceļa starpība ir vienāda ar veselu viļņu garumu skaitu vai nepāra skaitu pusviļņu.
Gaismas traucējumu novērošana pierāda, ka gaismai, izplatoties, piemīt viļņu īpašības. Interferences eksperimenti ļauj izmērīt gaismas viļņa garumu: tas ir ļoti mazs - no 4 10 -7 līdz 8 10 -7 m.
Interference mums apkārt
Šajā nodarbībā mēs jau uzzinājām, kas ir gaismas interference. Apkoposim mūsu mācību. Tātad, mēs secinām, ka gaismas traucējumus sauc par divu vai vairāku gaismas viļņu intensitātes nelineāru pievienošanu, kas telpā mijas ar maksimālo vai minimālo intensitātes līmeni. Šo sadalījumu sauc arī par traucējumu modeli.
Tagad mēģināsim atcerēties, kur mēs atrodamies Ikdiena bija tādas parādības kā traucējumi un kur to var pielietot.
Katram no jums bērnībā patika palaist ziepju burbuļus. Atcerieties, kā, izpūšot ziepju burbuli, tas lēnām pārvietojās telpā, mirgojot un mainot savu krāsu. Šī ir parādība, kas rodas ar ziepju burbuli gaismā, ko sauc par traucējumiem plānās kārtiņās.
Tas ir, stari, kas krīt un atstarojas no filmas iekšējās robežas, traucē. Bet sakarā ar to, ka plēves biezums nevar būt nemainīgs, tad, atkarībā no tā biezuma izmaiņām, plēves krāsa nemitīgi mainās. Īsāk sakot, šādas zaigojošas ziepju burbuļu krāsas iznāk gaismas viļņu iejaukšanās dēļ un atkarībā no plēves biezuma.
Tā kā ūdens iztvaikošanas rezultātā ziepju burbuļa plēve kļūst arvien plānāka, līdz ar to mainās arī tās krāsa. Kamēr šī plēve joprojām ir bieza, sarkanais komponents pazūd no baltās gaismas, un mēs iegūstam zili zaļu atspulgu. Un jo plānāka kļūst plēve, jo vairāk krāsu komponentu pazūd. Pēc sarkanā komponenta, plēvei plānās, pazūd dzeltens un paliek zils, tad zaļais pazūd un paliek fuksīns, un pēc zilā komponenta pazušanas mēs novērojam zeltaini dzeltenu, un rezultātā mēs vispār pārstājam redzēt atspulgu. Un, kad ziepju burbulis sasniegs šo fāzi, visticamāk, tas drīz pārplīsīs.
Protams, ziepju burbuļa krāsa ir atkarīga ne tikai no plēves biezuma, bet arī no leņķa, kādā gaismas stars saduras. Tāpēc, ja pieņemam, ka plēves biezums visur būtu vienāds, tad vienādi mēs novērotu tās dažādās krāsas, pateicoties burbuļa kustībai. Bet, un tā kā gravitācijas dēļ tā biezums pastāvīgi mainās, ievelkot šķidrumu tā apakšējā daļā, tad mēs novērojam daudzkrāsainu svītru kustību, kas virzās no augšas uz leju.
Katrs no jums, iespējams, atrodoties jūras piekrastē, vēroja, kā jūras gliemežvāki, putnu spalvas mirdz visās varavīksnes krāsās vai pēc buru laivas ūdens virspusē paliek krāsaina plēve no eļļas plēvēm, visi šie piemēri var izskaidrot arī ar traucējumu fenomenu.
Tāpat gaismas traucējumu izpausmes var novērot, pētot neparastus rakstus uz dažu tauriņu, ugunspuķu un citu kukaiņu spārniem.
Arī pāvu tēviņu apspalvojums piesaista ar krāsainajām un košajām krāsām. Šeit jūs varat atrast bagātīgu zilu nokrāsu un spilgti zaļu un zeltainu. Ja skatāmies uz attēlu zemāk, tad pāva spalvu pārplūdē varam novērot tādu pašu efektu kā ziepju burbuļos.
Bet patiesībā šāda krāsainu apspalvojumu dažādība ir tikai ilūzija, jo daudzo spalvu nokrāsu dēļ, ko izraisa gaismas interferences parādība, un patiesībā krāsojošā pigmenta melanīna dēļ šo putnu spalvas pārsvarā ir brūnas.
Fakts ir tāds, ka, skatoties uz pāva spalvu zem mikroskopa, mēs varam novērot, ka katra spalva sastāv no divdimensiju kristāliskām struktūrām. Tie sastāv no melanīna zariem, kas ir savstarpēji saistīti ar proteīnu, ko sauc par keratīnu. Un tā kā mēdz mainīties gan šo zaru skaits, gan intervāli starp tiem, tas izkropļo gaismas viļņu atspīdumu, un, atsitoties pret spalvām, novērojam tādu krāsu sacelšanos.
Papildus jau uzskaitītajiem piemēriem mēs novērojam arī traucējumus plānās plāksnēs. Šie traucējumu veidi ir mēnessakmens, perlamutra, opāls vai pērles. Un šādu piemēru ir daudz.
1. Kā iegūst koherentus gaismas viļņus!
2. Kas ir gaismas traucējumu parādība!
3. Ar kādu gaismas viļņu fizikālo īpašību ir saistīta krāsu atšķirība!
4. Pēc sitiena ar akmeni uz caurspīdīga ledus parādās plaisas, kas mirdz visās varavīksnes krāsās. Kāpēc!
5. Gaismas viļņa garums ūdenī samazinās n reizes (n ir ūdens laušanas koeficients attiecībā pret gaisu). Vai tas nozīmē, ka nirējs zem ūdens nevar redzēt apkārtējos objektus dabiskā apgaismojumā!
Myakishev G. Ya., fizika. 11. klase: mācību grāmata. vispārējai izglītībai institūcijas: pamata un profils. līmeņi / G. Ya. Myakishev, B. V. Bukhovtsev, V. M. Charugin; ed. V. I. Nikolajevs, N. A. Parfenteva. - 17. izdevums, pārskatīts. un papildu - M.: Izglītība, 2008. - 399 lpp.: ill.