Kako optika iz fizike pomaže ljudima. Optika kao grana fizike. Kvantna i fiziološka optika

Drevni naučnici koji su živeli u 5. veku pre nove ere sugerisali su da je sve u prirodi i ovom svetu uslovno, a da se samo atomi i praznina mogu nazvati stvarnošću. Do danas su sačuvani važni istorijski dokumenti koji potvrđuju koncept strukture svjetlosti kao stalnog protoka čestica koje imaju određena fizička svojstva. Međutim, sam pojam "optika" pojavit će se mnogo kasnije. Proklijalo je sjeme takvih filozofa kao što su Demokrit i Euklid, posijano dok su shvatili strukturu svih procesa koji se dešavaju na zemlji. Tek početkom 19. stoljeća klasična optika je uspjela dobiti svoje karakteristične osobine, prepoznatljive od strane modernih naučnika, i pojavila se kao punopravna nauka.

Definicija 1

Optika je ogromna grana fizike koja proučava i razmatra pojave direktno povezane sa širenjem moćnih elektromagnetnih talasa u vidljivom spektru, kao i rasponima koji su mu bliski.

Glavna klasifikacija ovog odjeljka odgovara istorijskom razvoju doktrine specifične strukture svjetlosti:

geometrijski – 3. vek pne (Euklid);
fizički – 17. vijek (Huygens);
quantum – 20. vek (Planck).

Optika u potpunosti karakterizira svojstva prelamanja svjetlosti i objašnjava pojave direktno povezane s ovim pitanjem. Metode i principi optičkih sistema koriste se u mnogim primenjenim disciplinama, uključujući fiziku, elektrotehniku i medicinu (posebno oftalmologiju). U ovim, kao i u interdisciplinarnim oblastima, izuzetno su popularna dostignuća primijenjene optike, koja uz preciznu mehaniku stvaraju čvrst temelj za optičko-mehaničku industriju.

Priroda svetlosti

Optika se smatra jednom od prvih i glavnih grana fizike, gdje su predstavljena ograničenja drevnih ideja o prirodi.

Kao rezultat toga, naučnici su uspjeli ustanoviti dualnost prirodnih pojava i svjetlosti:

korpuskularna hipoteza svjetlosti, koja potiče od Newtona, proučava ovaj proces kao tok elementarnih čestica - fotona, gdje se apsolutno svako zračenje provodi diskretno, a minimalni dio snage date energije ima frekvenciju i veličinu koja odgovara intenzitet emitovane svetlosti;
Talasna teorija svetlosti, koja potiče od Hajgensa, podrazumeva koncept svetlosti kao skupa paralelnih monohromatskih elektromagnetnih talasa uočenih u optičkim pojavama i predstavljenih kao rezultat delovanja ovih talasa.

Sa takvim svojstvima svjetlosti, odsustvo prijelaza sile i energije zračenja u druge vrste energije smatra se potpuno normalnim procesom, budući da elektromagnetski valovi ne interaguju jedni s drugima u prostornom okruženju fenomena interferencije, jer se svjetlosni efekti nastavljaju. da se razmnožavaju bez promjene njihove specifičnosti.

Talasna i korpuskularna hipoteza električnog i magnetskog zračenja našle su svoju primenu u Maksvelovim naučnim radovima u obliku jednačina.

Ovaj novi koncept svjetlosti kao talasa koji se stalno kreće omogućava objašnjenje procesa povezanih sa difrakcijom i interferencijom, uključujući strukturu svjetlosnog polja.

Karakteristike svjetlosti

Dužina svetlosnog talasa $\lambda$ direktno zavisi od ukupne brzine širenja ove pojave u prostornom mediju $v$ i povezana je sa frekvencijom $\nu$ sledećom relacijom:

$\lambda = \frac(v)(\nu)=\frac (c)(n\nu)$

gdje je $n$ parametar prelamanja medija. Generalno, ovaj indikator je osnovna funkcija elektromagnetne talasne dužine: $n=n(\lambda)$.

Zavisnost indeksa prelamanja od talasne dužine manifestuje se u vidu fenomena sistematske disperzije svetlosti. Univerzalni i još uvijek malo proučavan koncept u fizici je brzina svjetlosti $c$. Njegov poseban značaj u apsolutnoj praznini predstavlja ne samo maksimalnu brzinu širenja moćnih elektromagnetnih frekvencija, već i maksimalan intenzitet širenja informacija ili drugih fizičkih efekata na materijalne objekte. Kako se kretanje svjetlosnog toka povećava u različitim područjima, početna brzina svjetlosti $v$ često opada: $v = \frac (c)(n)$.

Glavne karakteristike svjetla su:

spektralni i složeni sastav određen skalom talasnih dužina svetlosti;
polarizacija, koja je određena općom promjenom prostornog okruženja električnog vektora kroz širenje valova;
smjer širenja svjetlosnog snopa, koji se mora poklapati sa frontom talasa u odsustvu dvolomnosti.

Kvantna i fiziološka optika

Ideja o detaljnom opisu elektromagnetnog polja pomoću kvanta pojavila se početkom 20. stoljeća, a iznio ju je Max Planck. Naučnici su sugerirali da se stalna emisija svjetlosti odvija kroz određene čestice - kvante. Nakon 30 godina, dokazano je da se svjetlost ne emituje samo djelimično i paralelno, već i apsorbira.

Ovo je omogućilo Albertu Ajnštajnu da odredi diskretnu strukturu svetlosti. Danas naučnici kvante svjetlosti nazivaju fotonima, a sam tok se smatra integralnom grupom elemenata. Dakle, u kvantnoj optici, svjetlost se istovremeno posmatra i kao tok čestica i kao valovi, budući da se procesi kao što su interferencija i difrakcija ne mogu objasniti samo jednom strujom fotona.

Sredinom 20. stoljeća istraživačke aktivnosti Brown-Twissa omogućile su preciznije određivanje područja upotrebe kvantne optike. Naučnikov rad je dokazao da određeni broj izvora svjetlosti koji emituju fotone na dva fotodetektora i daju konstantan zvučni signal o registraciji elemenata može učiniti da uređaji funkcionišu istovremeno.

Uvođenje praktične upotrebe neklasične svjetlosti dovelo je istraživače do nevjerovatnih rezultata. U tom smislu, kvantna optika je jedinstveno moderno polje sa ogromnim mogućnostima za istraživanje i primjenu.

Napomena 1

Moderna optika odavno uključuje mnoga područja naučnog svijeta i razvoja koja su tražena i popularna.

Ove oblasti optičke nauke su direktno povezane sa elektromagnetnim ili kvantnim svojstvima svetlosti, uključujući i druge oblasti.

Definicija 2

Fiziološka optika je nova interdisciplinarna nauka koja proučava vizuelnu percepciju svetlosti i kombinuje informacije iz biohemije, biofizike i psihologije.

Uzimajući u obzir sve zakone optike, ovaj dio nauke se zasniva na ovim naukama i ima poseban praktični pravac. Proučavaju se elementi vizuelnog aparata, a posebna pažnja se poklanja jedinstvenim pojavama, kao što su optička iluzija i halucinacije. Rezultati rada u ovoj oblasti koriste se u fiziologiji, medicini, optičkom inženjerstvu i filmskoj industriji.

Danas se riječ optika češće koristi kao naziv trgovine. Naravno, na takvim specijaliziranim mjestima moguće je kupiti razne tehničke optičke uređaje - sočiva, naočale, mehanizme za zaštitu vida. U ovoj fazi prodavnice imaju savremenu opremu koja im omogućava da na licu mesta precizno odrede oštrinu vida, kao i da identifikuju postojeće probleme i načine za njihovo otklanjanje.

APSOLUTNO CRNO TELO– mentalni model tijela koje na bilo kojoj temperaturi u potpunosti apsorbira svo elektromagnetno zračenje koje pada na njega, bez obzira na spektralni sastav. Radiation A.h.t. određena je samo njegovom apsolutnom temperaturom i ne ovisi o prirodi tvari.

BIJELO SVJETLO- kompleks elektromagnetna radijacije , izazivajući neutralan osećaj boje u očima osobe.

VIDLJIVA ZRAČENJE- optičko zračenje talasnih dužina od 380 - 770 nm, sposobno da izazove vizuelni osećaj u ljudskim očima.

Stimulirana EMISIJA, indukovano zračenje - emisija elektromagnetnih talasa od čestica materije (atoma, molekula itd.) koje se nalaze u pobuđenom stanju, tj. neravnotežno stanje pod uticajem spoljašnjeg pogonskog zračenja. U i. koherentno (vidi koherentnost) sa forsirajućim zračenjem i pod određenim uslovima može dovesti do pojačanja i stvaranja elektromagnetnih talasa. vidi takođe kvantni generator.

HOLOGRAM- uzorak interferencije snimljen na fotografskoj ploči, formiran od dva koherentna talasa (vidi. koherentnost): referentni talas i talas reflektovan od objekta osvetljenog istim izvorom svetlosti. Prilikom rekonstrukcije G. percipiramo trodimenzionalnu sliku objekta.

HOLOGRAFIJA- metoda za dobijanje trodimenzionalnih slika objekata, zasnovana na registraciji i naknadnoj rekonstrukciji fronta talasa reflektovanog od ovih objekata. Dobijanje holograma se zasniva na.

HUYGENOV PRINCIP- metoda koja vam omogućava da u bilo kojem trenutku odredite položaj fronta vala. Prema g.p. sve tačke kroz koje prolazi front talasa u trenutku t su izvori sekundarnih sfernih talasa, a željeni položaj fronta talasa u trenutku t+Dt poklapa se sa površinom koja obavija sve sekundarne talase. Omogućava vam da objasnite zakone refleksije i prelamanja svjetlosti.

HUYGENS - FRESNEL - PRINCIP- aproksimativni metod za rešavanje problema širenja talasa. G.-F. p. navodi: u bilo kojoj tački koja se nalazi izvan proizvoljne zatvorene površine koja pokriva tačkasti izvor svjetlosti, svjetlosni talas pobuđen ovim izvorom može se predstaviti kao rezultat interferencije sekundarnih talasa koje emituju sve tačke navedene zatvorene površine. Omogućava rješavanje jednostavnih problema.

SVJETLOSNI PRITISAK - pritisak, proizvodi svjetlost na osvijetljenoj površini. Igra važnu ulogu u kosmičkim procesima (formiranje repova kometa, ravnoteža velikih zvijezda, itd.).

STVARNA SLIKA- cm. .

DIAPHRAGM- uređaj za ograničavanje ili promjenu svjetlosnog snopa u optičkom sistemu (na primjer, zjenica oka, okvir sočiva, sočivo kamere).

DISPERZIJA SVJETLOSTI- zavisnost apsoluta indeks prelamanja tvari iz frekvencije svjetlosti. Pravi se razlika između normalnog zračenja, kod kojeg brzina svjetlosnog vala opada s povećanjem frekvencije, i anomalnog zračenja, kod kojeg se brzina talasa povećava. Zbog D.s. Uski snop bijele svjetlosti, prolazeći kroz prizmu od stakla ili druge prozirne supstance, razlaže se u disperzivni spektar, formirajući duginu prugu na ekranu.

DIFRAKCIJSKA REŠETKA- fizički uređaj koji je skup velikog broja paralelnih poteza iste širine, nanesenih na prozirnu ili reflektirajuću površinu na istoj udaljenosti jedan od drugog. Kao rezultat toga, na D.r. Formira se difrakcijski spektar - naizmjenični maksimumi i minimumi intenziteta svjetlosti.

DIFRAKCIJA SVJETLOSTI- skup pojava koje su uzrokovane talasnom prirodom svjetlosti i uočavaju se kada se ona širi u mediju sa izraženim nehomogenostima (na primjer, pri prolasku kroz rupe, blizu granica neprozirnih tijela, itd.). U užem smislu, pod D.s. razumjeti savijanje svjetlosti oko malih prepreka, tj. odstupanje od zakona geometrijske optike. Igra važnu ulogu u radu optičkih instrumenata, ograničavajući ih rezoluciju.

DOPPLER EFEKAT– fenomen promjene frekvencije vibracija zvučni ili elektromagnetni talasi koje opaža posmatrač zbog međusobnog kretanja posmatrača i izvora talasa. Prilikom približavanja detektira se povećanje frekvencije, a kada se udaljava, otkriva se smanjenje.

PRIRODNO SVJETLO- skup nekoherentnih svetlosnih talasa sa svim mogućim ravnima vibracija i sa istim intenzitetom vibracije u svakoj od ovih ravni. E.s. gotovo svi prirodni izvori svjetlosti emituju, jer sastoje se od velikog broja različito orijentiranih centara zračenja (atoma, molekula) koji emituju svjetlosne valove, čija faza i ravan vibracija mogu poprimiti sve moguće vrijednosti. vidi takođe polarizacija svjetlosti, koherentnost.

OPTICAL MIRROR– tijelo s uglačanom ili presvučenom reflektirajućim slojem (srebro, zlato, aluminij, itd.) površine na kojoj se javlja bliska refleksija (vidi. refleksija).

IMAGE OPTICAL– slika objekta dobijena kao rezultat djelovanja optičkog sistema (sočiva, ogledala) na svjetlosne zrake koje emituje ili odbija predmet. Postoji razlika između stvarne (dobivene na ekranu ili retini oka kada se zraci koji prolaze kroz optički sistem ukrštaju) i imaginarne informacije. . (dobije se na sjecištu nastavaka zraka).

INTERFERENCIJA SVJETLOSTI- fenomen superpozicije dva ili više koherentan svjetlosni valovi linearno polarizirani u jednoj ravni, u kojima se energija nastalog svjetlosnog vala preraspoređuje u prostoru ovisno o odnosu između faza ovih valova. Rezultat I.S.-a, posmatran na ekranu ili fotografskoj ploči, naziva se interferencijski uzorak. I. bijela svjetlost dovodi do formiranja duginog uzorka (boje tankih filmova itd.). Pronalazi primenu u holografiji, za čišćenje optike itd.

INFRACRVENO ZRAČENJE - elektromagnetno zračenje sa talasnim dužinama od 0,74 mikrona do 1-2 mm. Emituju ga sva tela sa temperaturom iznad apsolutne nule (toplotno zračenje).

KVANT SVJETLOSTI- isto kao foton.

COLLIMATOR- optički sistem dizajniran za proizvodnju snopa paralelnih zraka.

COMPTON EFFECT– fenomen rasipanja elektromagnetnog zračenja kratkih talasnih dužina (rendgensko i gama zračenje) na slobodne elektrone, praćen povećanjem talasna dužina.

LASER, optički kvantni generator - kvantni generator elektromagnetnog zračenja u optičkom opsegu. Generiše monohromatsko koherentno elektromagnetno zračenje, koje ima usku usmerenost i značajnu gustinu snage. Koristi se u optičkom rasponu, za obradu čvrstih i vatrostalnih materijala, u hirurgiji, spektroskopiji i holografiji, za zagrijavanje plazme. sri Maser.

LINE SPECTRA- spektri koji se sastoje od pojedinačnih uskih spektralnih linija. Emituju supstance u atomskom stanju.

LENS optičko - prozirno tijelo ograničeno s dvije zakrivljene (obično sferne) ili zakrivljene i ravne površine. Sočivo se naziva tankim ako je njegova debljina mala u odnosu na polumjere zakrivljenosti njegovih površina. Pravi se razlika između konvergentnih (pretvaranje paralelnog snopa zraka u konvergentni) i divergentnih (pretvaranje paralelnog snopa zraka u divergentni) sočiva. Koriste se u optičkim, optičko-mehaničkim i fotografskim instrumentima.

Povećalo- prikupljanje sočivo ili sistem sočiva sa kratkom žižnom daljinom (10 - 100 mm), daje 2 - 50x uvećanje.

ZRAKA– imaginarna linija duž koje se energija zračenja širi u aproksimaciji geometrijska optika, tj. ako se ne uoče nikakvi fenomeni difrakcije.

MASER - kvantni generator elektromagnetno zračenje u centimetarskom opsegu. Odlikuje se visokom monohromatnošću, koherentnošću i uskom usmjerenošću zračenja. Koristi se u radio komunikacijama, radioastronomiji, radaru, a također i kao generator stabilnih frekvencijskih oscilacija. sri .

MICHAELSON EXPERIENCE- eksperiment dizajniran za mjerenje utjecaja kretanja Zemlje na vrijednost brzina svetlosti. Negativan rezultat M.o. postao jedan od eksperimentalnih poligona teorija relativnosti.

MIKROSKOP- optički uređaj za posmatranje malih objekata nevidljivih golim okom. Uvećanje mikroskopa je ograničeno i ne prelazi 1500. Up. elektronski mikroskop.

VIMARY IMAGE- cm. .

MONOHROMATSKO ZRAČENJE– mentalni model elektromagnetno zračenje jednu specifičnu frekvenciju. Strogogo M.I. ne postoji, jer svako stvarno zračenje je vremenski ograničeno i pokriva određeni frekvencijski opseg. Izvori zračenja blizu m. - kvantni generatori.

OPTIKA- grana fizike koja proučava obrasce svjetlosnih (optičkih) pojava, prirodu svjetlosti i njenu interakciju sa materijom.

OPTIČKA OS- 1) GLAVNA - prava linija na kojoj se nalaze centri refrakcionih ili reflektujućih površina koje čine optički sistem; 2) STRANA - svaka prava linija koja prolazi kroz optički centar tankog sočiva.

OPTIČKA SNAGA sočiva - veličina koja se koristi za opisivanje efekta prelamanja sočiva i obrnuto žižna daljina. D=1/F. Mjeri se u dioptrijama (dopterima).

OPTIČKO ZRAČENJE- elektromagnetno zračenje čije su talasne dužine u rasponu od 10 nm do 1 mm. K o.i. odnose infracrveno zračenje, , .

REFLEKSIJA SVJETLOSTI– proces povratka svjetlosnog vala kada padne na međuprostor između dva različita medija indeksi prelamanja. nazad u prvobitno okruženje. Hvala o.s. vidimo tela koja ne emituju svetlost. Pravi se razlika između spekularne refleksije (paralelni snop zraka ostaje paralelan nakon refleksije) i difuzne refleksije (paralelni snop se pretvara u divergentni).

– pojava uočena pri prelasku svjetlosti iz optički gušće sredine u optički manje gustoće, ako je upadni ugao veći od graničnog upadnog ugla, pri čemu je n – indeks prelamanja druge sredine u odnosu na prvu. U ovom slučaju, svjetlost se u potpunosti reflektira od interfejsa između medija.

ZAKON O TALASIMA- upadna zraka, reflektirana zraka i okomica podignuta na upadnu tačku zraka leže u istoj ravni, a upadni ugao jednak je kutu prelamanja zraka. Zakon važi za odraz u ogledalu.

APSORPCIJA LIGHT- smanjenje energije svetlosnog talasa tokom njegovog širenja u materiji, koje nastaje kao rezultat konverzije energije talasa u unutrašnja energija tvari ili energija sekundarnog zračenja različitog spektralnog sastava i različitog smjera širenja.

1) APSOLUTNA - vrijednost jednaka odnosu brzine svjetlosti u vakuumu i fazne brzine svjetlosti u datom mediju: . Ovisi o hemijskom sastavu medija, njegovom stanju (temperatura, pritisak, itd.) i učestalosti svetlosti (vidi. svjetlosna disperzija).2) RELATIVNA - (p.p. druge sredine u odnosu na prvu) vrijednost jednaka odnosu fazne brzine u prvom mediju i fazne brzine u drugom: . O.p.p. jednak omjeru apsolutnog indeksa prelamanja drugog medija prema apsolutnom p.p. pernato okruženje.

POLARIZACIJA SVJETLA– fenomen koji dovodi do sređivanja vektora jačine električnog polja i magnetne indukcije svjetlosnog vala u ravni okomitoj na svjetlosni snop. Najčešće se javlja pri refleksiji i prelamanju svjetlosti, kao i pri širenju svjetlosti u anizotropnom mediju.

REFRACTION LIGHT– pojava koja se sastoji u promjeni smjera širenja svjetlosti (elektromagnetni val) pri kretanju iz jednog medija u drugi, različit od prvog indeks prelamanja. Za refrakciju je zadovoljen zakon: upadna zraka, prelomljena zraka i okomica podignuta na upadnu tačku zraka leže u istoj ravni, a za ova dva medija odnos sinusa upadnog ugla i ugla sinus ugla prelamanja je konstantna vrijednost tzv relativni indeks prelamanja drugo okruženje u odnosu na prvo. Razlog prelamanja je razlika u faznim brzinama u različitim medijima.

OPTIČKA PRIZMA- tijelo napravljeno od prozirne tvari, ograničeno s dvije neparalelne ravni na kojima se lomi svjetlost. Koristi se u optičkim i spektralnim instrumentima.

MOŽDANA RAZLIKA– fizička veličina jednaka razlici dužina optičkih putanja dvaju svjetlosnih zraka.

RASPIRANJE SVJETLA- fenomen koji se sastoji u skretanju svjetlosnog snopa koji se širi u mediju u svim mogućim smjerovima. Uzrokuje ga heterogenost medija i interakcija svjetlosti sa česticama materije, pri čemu se mijenja smjer prostiranja, frekvencija i ravan oscilacija svjetlosnog vala.

LIGHT, svjetlosno zračenje - koje može uzrokovati vizualni osjećaj.

LIGHT WAVE - elektromagnetni talas u opsegu talasnih dužina vidljivog zračenja. Frekvencija (skup frekvencija) r.v. određuje boju, energiju r.v. proporcionalan je kvadratu njegove amplitude.

LIGHT GUIDE- kanal za prenos svjetlosti, koji ima mnogostruko veće dimenzije od valne dužine svjetlosti. Svetlo u selu širi se zbog potpune unutrašnje refleksije.

BRZINA SVJETLOSTI u vakuumu (c) - jedna od osnovnih fizičkih konstanti, jednaka brzini prostiranja elektromagnetnih talasa u vakuumu. s=(299 792 458 ± 1,2) m/s. S.s. - maksimalna brzina širenja bilo koje fizičke interakcije.

OPTIČKI SPEKTAR- raspodjela po frekvenciji (ili talasnoj dužini) intenziteta optičkog zračenja određenog tijela (emisioni spektar) ili intenziteta apsorpcije svjetlosti pri prolasku kroz supstancu (apsorpcioni spektar). Postoje S.O.: linijski, koji se sastoje od pojedinačnih spektralnih linija; prugasti, koji se sastoje od grupa (pruga) blisko povezanih spektralne linije; čvrsta, koja odgovara zračenju (emisija) ili apsorpciji svjetlosti u širokom frekventnom opsegu.

SPEKTRALNE LINIJE- uski dijelovi u optičkim spektrima koji odgovaraju gotovo istoj frekvenciji (valnoj dužini). Svaki S. l. upoznaje izvesnu kvantna tranzicija.

SPEKTRALNA ANALIZA- fizikalna metoda kvalitativne i kvantitativne analize hemijskog sastava supstanci, zasnovana na proučavanju njihovog optički spektri. Veoma je osjetljiv i koristi se u hemiji, astrofizici, metalurgiji, geološkim istraživanjima itd. Teorijska osnova S. a. je .

SPEKTROGRAF- optički uređaj za dobijanje i istovremeno snimanje spektra zračenja. Glavni dio S. - optička prizma ili .

SPEKTROSKOP- optički uređaj za vizuelno posmatranje spektra zračenja. Glavni dio sočiva je optička prizma.

SPEKTROSKOPIJA- grana fizike koja proučava optički spektri kako bi se razjasnila struktura atoma, molekula, kao i materije u njenim različitim agregacijskim stanjima.

POVEĆATI optički sistem - odnos veličine slike koju proizvodi optički sistem i prave veličine objekta.

ULTRAVIOLETNO ZRAČENJE- elektromagnetno zračenje sa talasnom dužinom u vakuumu od 10 nm do 400 nm. Oni također uzrokuju luminescenciju u mnogim tvarima. Biološki aktivan.

FOKALNA RAVNINA- ravan okomita na optičku osu sistema i koja prolazi kroz njegov glavni fokus.

FOCUS- tačka u kojoj se skuplja paralelni snop svetlosnih zraka koji prolazi kroz optički sistem. Ako je snop paralelan glavnoj optičkoj osi sistema, tada snop leži na ovoj osi i naziva se glavnim.

ŽIŽNA DALJINA- rastojanje između optičkog centra tankog sočiva i fokusa.FOTO EFEKAT, fotoelektrični efekat je pojava emisije elektrona supstance pod uticajem elektromagnetnog zračenja (spoljna f.). Posmatrano u gasovima, tečnostima i čvrstim materijama. Otkrio G. Hertz i proučavao A.G. Stoletov. Osnovni obrasci f. objasnio na osnovu kvantnih koncepata A. Einstein.

COLOR- vizuelni osećaj izazvan svetlošću u skladu sa njenim spektralnim sastavom i intenzitetom reflektovanog ili emitovanog zračenja.

Šemjakov N. F.

fizika. Dio 3. Talasna i kvantna optika, struktura atoma i jezgra, fizička slika svijeta.

Fizičke osnove valne i kvantne optike, struktura atoma i jezgra i fizička slika svijeta ocrtani su u skladu sa programom opšte fizike za tehničke univerzitete.

Posebna pažnja posvećena je otkrivanju fizičkog značenja, sadržaja osnovnih principa i koncepata statističke fizike, kao i praktičnoj primjeni fenomena koji se razmatraju, uzimajući u obzir zaključke klasične, relativističke i kvantne mehanike.

Namijenjen studentima 2. godine učenja na daljinu, mogu ga koristiti redovni studenti, diplomirani studenti i nastavnici fizike.

Kosmički pljuskovi su strujali sa nebesa, noseći tokove pozitrona na repovima kometa. Mezoni, cak i bombe su se pojavile, Svakakvih rezonancija tamo...

7. TALASNA OPTIKA

1. Priroda svjetlosti

Prema modernim idejama, svjetlost ima prirodu čestica talasa. S jedne strane, svjetlost se ponaša kao tok čestica - fotona, koji se emituju, šire i apsorbiraju u obliku kvanta. Korpuskularna priroda svetlosti manifestuje se, na primer, u fenomenima

fotoelektrični efekat, Comptonov efekat. S druge strane, svjetlost ima valna svojstva. Svetlost je elektromagnetski talas. Talasna priroda svjetlosti manifestira se, na primjer, u pojavama interferencija, difrakcija, polarizacija, disperzija itd. Elektromagnetski talasi su

poprečno.

IN elektromagnetski talas osciluje vektore

električno polje E i magnetsko polje H, a ne materija, kao, na primjer, u slučaju valova na vodi ili u zategnutoj vrpci. Elektromagnetski talasi se šire u vakuumu brzinom od 3.108 m/s, tako da je svetlost pravi fizički objekat koji se ne može svesti ni na talas ni na česticu u uobičajenom smislu. Talasi i čestice su samo dva oblika materije koja pokazuju isti fizički entitet.

7.1. Elementi geometrijske optike

7.1.1. Hajgensov princip

	Kada se talasi šire u medijumu, uključujući
	uključujući i elektromagnetne, da pronađu nove
	talasni front u bilo kom trenutku
	koristiti Huygensov princip.
	Svaka tačka na frontu talasa je
	izvor sekundarnih talasa.
	U homogenom izotropnom mediju, talas
	površine sekundarnih talasa izgledaju kao sfere
	polumjer v t,	gdje je v brzina širenja

	talasi u medijumu.	Izvođenje talasnog omotača

sekundarnih talasnih frontova, dobijamo novi talasni front u datom trenutku (slika 7.1, a, b).

7.1.2. Zakon refleksije

Koristeći Huygensov princip, moguće je dokazati zakon refleksije elektromagnetnih valova na granici između dva dielektrika.

Upadni ugao jednak je uglu refleksije. Zrake, upadne i reflektovane, zajedno sa okomitom na granicu između dva dielektrika, leže u

do SD se naziva upadnim uglom. Ako u datom trenutku prednja strana upadnog OB vala dostigne tačku O, tada prema Huygensovom principu ova tačka

počinje da emituje sekundarni talas. Tokom		t = VO1 /v upadni snop 2
	dostiže tačku O1. U isto vrijeme, prednji dio sekundarnog
	talasi se, nakon refleksije u tački O, šire u
	isto okruženje, doseže tačke hemisfere,
	radijus OA = v	t = BO1 .Front novog talasa
	prikazano ravninom AO1, i pravac
	distribucija	OA greda. Ugao se zove
	ugao refleksije. Iz jednakosti trouglova
	OAO1 i OBO1 slijede zakon refleksije: ugao
	upad je jednak kutu refleksije.

	7.1.3. Zakon prelamanja
	Optički homogeni medij 1 karakterizira apsolut
indeks prelamanja
indeks prelamanja

	brzina svjetlosti u vakuumu; v1		brzina svjetlosti u prvom mediju.




gdje je v2
	Stav	n2 / n1 = n21

naziva se relativni indeks prelamanja druge sredine u odnosu na prvu.

frekvencija Ako je brzina prostiranja svjetlosti u prvom mediju v1, a u drugom v2,

sredine (u skladu sa Hajgensovim principom), dostiže tačke hemisfere, čiji poluprečnik OB = v2 t. Novi front talasa koji se širi u drugom mediju predstavljen je ravninom BO1 (slika 7.3), a njen pravac

širenje zrakama OB i O1 C (upravno na front talasa). Ugao između zraka OB i normale na granicu između dva dielektrika u

tačka O nazvan ugao prelamanja. Iz trouglova OAO1

OVO1

slijedi da je AO1 = OO1 sin

OB = OO1 sin .

Njihov stav izražava zakon

refrakcija (Snellov zakon):

n21.

Omjer sinusa upadnog ugla i sinusa ugla

refrakcija

relativno

indeks prelamanja dva medija.

7.1.4. Totalna unutrašnja refleksija

Prema zakonu prelamanja na granici između dva medija, to je moguće

posmatrati totalna unutrašnja refleksija, ako je n1 > n2, tj.

7.4). Stoga postoji takav ograničavajući upadni ugao

pr when

900. Zatim zakon refrakcije

ima sljedeći oblik:

sin pr =

(grijeh 900 =1)

Sa dalje

povećanje

u potpunosti

reflektuje se iz interfejsa između dva medija.

Ovaj fenomen se zove totalna unutrašnja refleksija i široko se koriste u optici, na primjer, za promjenu smjera svjetlosnih zraka (slika 7.5, a, b). Koristi se u teleskopima, dvogledima, optičkim vlaknima i drugim optičkim instrumentima. U klasičnim talasnim procesima, kao što je fenomen totalne unutrašnje refleksije elektromagnetnih talasa,

uočavaju se pojave slične tunelskom efektu u kvantnoj mehanici, što je povezano sa čestično-valnim svojstvima čestica. Zaista, kada svjetlost prelazi iz jednog medija u drugi, uočava se prelamanje svjetlosti, povezano s promjenom brzine njenog širenja u različitim medijima. Na granici između dva medija, svjetlosni snop je podijeljen na dva: lomljeni i reflektirani. Prema zakonu prelamanja, imamo da ako je n1 > n2, onda se pri >pr opaža totalna unutrašnja refleksija.

Zašto se ovo dešava? Rješenje Maxwellovih jednadžbi pokazuje da je intenzitet svjetlosti u drugom mediju različit od nule, ali opada vrlo brzo, eksponencijalno, s udaljenosti od

granice interfejsa.
	Eksperimentalno
posmatranje		interni
refleksija je prikazana na sl. 7.6,
demonstrira		penetracija
svjetlo u "zabranjeno" područje
geometrijska optika.
		pravougaona

jednakokraka staklena prizma, zrak svjetlosti pada okomito i, bez prelamanja, pada na lice 2, uočava se totalna unutrašnja refleksija,

/2 sa lica 2 postavi istu prizmu, tada će zrak svjetlosti proći kroz lice 2* i izaći iz prizme kroz lice 1* paralelno sa zrakom koji pada na lice 1. Intenzitet J propuštenog svjetlosnog toka opada eksponencijalno s povećanjem razmak h između prizmi prema zakonu:

Stoga je prodiranje svjetlosti u „zabranjeno“ područje optički analog kvantnog efekta tuneliranja.

Fenomen totalne unutrašnje refleksije je zaista potpun, jer se u ovom slučaju sva energija upadne svjetlosti reflektuje na granici između dva medija nego kada se odbija, na primjer, od površine metalnih ogledala. Koristeći ovaj fenomen, možemo pratiti još jedan

analogija između prelamanja i refleksije svjetlosti, s jedne strane, i zračenja Vavilov-Čerenkov, s druge strane.

7.2. TALASNE INTERFERENCE

7.2.1. Uloga vektora E i H

U praksi, nekoliko talasa može da se širi istovremeno u realnim medijima. Kao rezultat dodavanja valova, uočava se niz zanimljivih pojava: interferencija, difrakcija, refleksija i prelamanje talasa itd.

Ove talasne pojave karakteristične su ne samo za mehaničke talase, već i za električne, magnetne, svetlosne itd. Sve elementarne čestice takođe pokazuju talasna svojstva, što je i dokazala kvantna mehanika.

Jedan od najzanimljivijih talasnih fenomena, koji se uočava kada se dva ili više talasa šire u medijumu, naziva se interferencija. Optički homogenu sredinu 1 karakteriše

apsolutni indeks prelamanja
apsolutni indeks prelamanja

	brzina svjetlosti u vakuumu; v1 brzina svjetlosti u prvom mediju.
Medij 2 karakteriše apsolutni indeks prelamanja



gdje je v2	brzina svjetlosti u drugom mediju.
Stav
Stav

naziva se relativni indeks prelamanja druge sredine


	koristeći Maxwellovu teoriju, ili


	gdje su 1, 2 dielektrične konstante prvog i drugog medija.
	Za vakuum n = 1. Zbog disperzije (frekvencija svjetlosti				1014 Hz), na primjer,

za vodu n = 1,33, a ne n = 9 (= 81), kako slijedi iz elektrodinamike za niske frekvencije. Svetlost je elektromagnetski talas. Stoga elektromagnetna

polje je određeno vektorima E i H, koji karakterišu jačinu električnog i magnetnog polja, respektivno. Međutim, u mnogim procesima interakcije svetlosti sa materijom, na primer, kao što je dejstvo svetlosti na organe vida, fotoćelije i druge uređaje,

odlučujuća uloga pripada vektoru E, koji se u optici naziva vektor svjetlosti.

Svi procesi koji se odvijaju u uređajima pod utjecajem svjetlosti uzrokovani su djelovanjem elektromagnetnog polja svjetlosnog vala na nabijene čestice koje čine atome i molekule. U ovim procesima glavnu ulogu

elektroni igraju zbog visoke frekvencije

fluktuacije

svjetlo

15 Hz).

struja

po elektronu iz

elektromagnetno polje,

Fqe(E

0 },

gdje je q e

naelektrisanje elektrona; v

njegova brzina;

magnetna permeabilnost

okruženje;

magnetna konstanta.

Maksimalna vrijednost modula vektorskog proizvoda sekunde

termin kod v

H, uzimajući u obzir

0 H2 =

0 E2,

ispostavilo se

0 N ve =

ve E

brzina svetlosti unutra

materija i u vakuumu, respektivno;

0 električni

konstanta;

dielektrična konstanta supstance.

Štaviše, v >>ve, budući da je brzina svjetlosti u materiji v

108 m/s, brzina

elektron u atomu ve

106 m/s. To je poznato

ciklična frekvencija; Ra

10 10

atomska veličina igra ulogu

amplitude prisilnih vibracija elektrona u atomu.

dakle,

F ~ qe E, a glavnu ulogu ima vektor

E radije nego

vektor H. Dobijeni rezultati se dobro slažu sa eksperimentalnim podacima. Na primjer, u Wienerovim eksperimentima, područje zacrnjenja fotografske emulzije ispod

djelovanjem svjetlosti poklapaju se sa antičvorovima električnog vektora E.

7.3. Uslovi za maksimalne i minimalne smetnje

Fenomen superpozicije koherentnih svjetlosnih valova, uslijed kojeg se uočava smjenjivanje pojačanja svjetlosti u nekim točkama u prostoru i slabljenja u drugim, naziva se svjetlosna interferencija.

Neophodan uslov svjetlosne smetnje su koherentnost

presavijeni sinusni talasi.

Talasi se nazivaju koherentni ako se fazna razlika dodatih valova ne mijenja tokom vremena, tj. = konst.

Ovaj uslov zadovoljavaju monohromatski talasi, tj. talasi

E, presavijena elektromagnetna polja su se javljala u istim ili sličnim smjerovima. U ovom slučaju mora postojati slučajnost

samo vektori E, ali i H, koji će se posmatrati samo ako se talasi šire duž iste prave, tj. su podjednako polarizovane.

Nađimo uslove za maksimalnu i minimalnu interferenciju.

Da biste to učinili, razmotrite dodavanje dva monokromatska, koherentna svjetlosna talasa iste frekvencije (1 = 2 =), jednakih amplituda (E01 = E02 = E0), koji osciliraju u vakuumu u jednom smjeru prema zakonu sinusa ( ili kosinus), tj.

		E01 sin(		01),
		E02 sin(		02),
gdje je r1, r2	udaljenosti od izvora S1 i S2		do tačke posmatranja na ekranu;
01, 02	početne faze; k =	talasni broj.
01, 02	početne faze; k =	talasni broj.

Prema principu superpozicije (ustanovljeno Leonardo da Vinci) vektor intenziteta rezultujuće oscilacije jednak je geometrijskom zbiru vektora intenziteta dodatih talasa, tj.

E2.

Radi jednostavnosti, pretpostavljamo da su početne faze savijenih valova

jednaki su nuli, tj. 01 =

02 = 0. U apsolutnoj vrijednosti, imamo

E = E1 + E2 =2E0 sin[

k(r1

k(r2

U (7.16) izraz

r1 ) n =

optička razlika puteva

sklopivi valovi; n

apsolutni indeks prelamanja medija.

Za druge medije osim vakuuma, na primjer, za vodu (n1, 1),

staklo (n2, 2) itd. k = k1 n1;

k = k2 n2 ;

1 n1 ;

2n2;

naziva se amplituda rezultujućeg talasa.

Određuje se amplituda snage talasa (za jediničnu površinu prednje talasne površine) Poynting vektor, tj. modulo

0 E 0 2 cos2 [

k(r2

gdje je P = s w,

0E 2

volumetrijski

gustina

elektromagnetno polje (za vakuum

1), tj. P = c

0 E2 .

Ako je J= P

intenzitet rezultujućeg talasa, i

J0 = s

0 E 0 2

njegov maksimalni intenzitet, uzimajući u obzir

(7.17) i (7.18) intenzitet

rezultujući talas će se promeniti u skladu sa zakonom

J = 2J0 (1+ cos).

Fazna razlika savijenih talasa

i ne zavisi od vremena, gde

2 = t kr2 +

1 = t kr1 +

Pomoću formule pronalazimo amplitudu rezultirajućeg vala

K(r2

r1 )n =

Postoje dva moguća slučaja:

1. Maksimalno stanje.

Ako je fazna razlika dodatih valova paran broj


	1, 2, ..., tada će rezultujuća amplituda biti maksimalna,

	E 02 E 012 E 022 2E 01E 02
	E0 = E01 + E02.
Kao rezultat toga, amplitude talasa se sabiraju,		i ako su jednaki
(E01 = E02)	rezultujuća amplituda je udvostručena.
Rezultirajući intenzitet je također maksimalan:
	Jmax = 4J0.

Amangeldinov Mustafa Rakhatovich
Student
Nazarbajevska intelektualna škola mustafastu123@ gmail. com

Optika. Povijest optike.Primjena optike.

Istorija razvoja optike.

Optika je proučavanje prirode svjetlosti, svjetlosnih pojava i interakcije svjetlosti s materijom. I skoro čitava njegova istorija je priča o potrazi za odgovorom: šta je svetlost?

Jednu od prvih teorija svjetlosti, teoriju vizuelnih zraka, iznio je grčki filozof Platon oko 400. godine prije Krista. e. Ova teorija pretpostavljala je da iz oka izlaze zraci, koji pri susretu s objektima osvjetljavaju ih i stvaraju izgled okolnog svijeta. Platonove stavove podržavali su mnogi antički naučnici, a posebno je Euklid (3. vek pre nove ere), zasnovan na teoriji vizuelnih zraka, utemeljio doktrinu o pravolinijskom širenju svetlosti i uspostavio zakon refleksije.

Tokom istih godina otkrivene su sljedeće činjenice:

– ravnomjernost širenja svjetlosti;

– fenomen refleksije svjetlosti i zakon refleksije;

– fenomen prelamanja svjetlosti;

– efekt fokusiranja konkavnog ogledala.

Stari Grci su postavili temelje za granu optike, koja je kasnije postala poznata kao geometrijska.

Najzanimljiviji rad o optici koji je do nas došao iz srednjeg vijeka je rad arapskog naučnika Alhazena. Proučavao je refleksiju svjetlosti od ogledala, fenomen prelamanja i prijenosa svjetlosti u sočivima. Algazen je bio prvi koji je izrazio ideju da svjetlost ima konačnu brzinu širenja. Ova hipoteza je bila veliki korak u razumijevanju prirode svjetlosti.

Tokom renesanse napravljeno je mnogo različitih otkrića i izuma; Eksperimentalna metoda se počela uspostavljati kao osnova za proučavanje i razumijevanje okolnog svijeta.

Na osnovu brojnih eksperimentalnih činjenica, sredinom 17. vijeka, pojavile su se dvije hipoteze o prirodi svjetlosnih pojava:

– korpuskularno, koji je pretpostavljao da je svjetlost tok čestica koje sjajna tijela izbacuju velikom brzinom;

– val, koji je tvrdio da je svjetlost uzdužna oscilatorna kretanja posebnog svjetlećeg medija - etra - pobuđena vibracijama čestica svjetlećeg tijela.

Cijeli daljnji razvoj doktrine svjetlosti do danas je istorija razvoja i borbe ovih hipoteza, čiji su autori bili I. Newton i H. Huygens.

Glavne odredbe Newtonove korpuskularne teorije:

1) Svjetlost se sastoji od malih čestica materije koje emituje u svim smjerovima u ravnim linijama, ili zrakama, svjetlosno tijelo, kao što je upaljena svijeća. Ako ti zraci, koji se sastoje od čestica, padaju u naše oko, tada vidimo njihov izvor.

2) Svjetlosna tijela imaju različite veličine. Najveće čestice pri ulasku u oko daju osjećaj crvene boje, najmanje – ljubičaste.

3) Bijela boja je mješavina svih boja: crvene, narandžaste, žute, zelene, plave, indigo, ljubičaste.

4) Refleksija svjetlosti od površine nastaje zbog odbijanja čestica od zida prema zakonu apsolutnog elastičnog udara.

5) Fenomen prelamanja svjetlosti objašnjava se činjenicom da čestice medija privlače čestice medija. Što je medij gušći, to je upadni ugao manji ugao prelamanja.

6) Fenomen disperzije svjetlosti, koji je otkrio Newton 1666. godine, objasnio je na sljedeći način. Svaka boja je već prisutna u bijeloj svjetlosti. Sve boje se prenose kroz međuplanetarni prostor i atmosferu zajedno i proizvode efekat bele svetlosti. Bijela svjetlost - mješavina različitih čestica - podliježe prelamanju nakon prolaska kroz prizmu. Sa stanovišta mehaničke teorije, refrakcija je posljedica sila staklenih čestica koje djeluju na svjetlosne čestice. Ove sile su različite za različite korpuskule. Najveći su za ljubičastu, a najmanji za crvenu. Putanje čestica u prizmi će se drugačije lomiti za svaku boju, tako da će se bijeli kompleksni zrak podijeliti na obojene komponente zraka.

7) Newton je iznio načine objašnjavanja dvostrukog prelamanja, pretpostavivši da svjetlosni zraci imaju "različite strane" - posebno svojstvo koje određuje njihovu različitu refrakciju kada prolaze kroz dvolomno tijelo.

Newtonova korpuskularna teorija je na zadovoljavajući način objasnila mnoge optičke fenomene poznate u to vrijeme. Njen autor je uživao ogroman ugled u naučnom svetu, a Njutnova teorija je ubrzo stekla brojne pristalice u svim zemljama.

Pogledi na prirodu svjetlosti u 19.-20. vijeku.

Godine 1801. T. Jung je izveo eksperiment koji je zadivio naučnike širom svijeta: S - izvor svjetlosti; E – ekran; B i C su vrlo uski prorezi, međusobno udaljeni 1-2 mm.

Prema Newtonovoj teoriji, na ekranu bi se trebale pojaviti dvije svijetle pruge, u stvari, pojavilo se nekoliko svijetlih i tamnih pruga, a svjetlosna linija P pojavila se direktno nasuprot razmaka između proreza B i C. Iskustvo je pokazalo da je svjetlost talasni fenomen. Jung je razvio Hajgensovu teoriju sa idejama o vibracijama čestica i frekvenciji vibracija. Formulirao je princip interferencije, na osnovu kojeg je objasnio fenomen difrakcije, interferencije i boje tankih ploča.

Francuski fizičar Fresnel je kombinovao Hajgensov princip talasnog kretanja i Jangov princip interferencije. Na osnovu toga je razvio rigoroznu matematičku teoriju difrakcije. Fresnel je mogao objasniti sve optičke fenomene poznate u to vrijeme.

Osnovni principi Fresnelove teorije talasa.

– Svjetlost je širenje vibracija u etru brzinom gdje je modul elastičnosti etra, r je gustina etra;

– Svetlosni talasi su poprečni;

– Laki etar ima svojstva elastično-čvrstog tijela i apsolutno je nestišljiv.

Prilikom prelaska iz jednog medija u drugi, elastičnost etera se ne mijenja, ali se mijenja njegova gustoća. Relativni indeks loma tvari.

Poprečne vibracije mogu se pojaviti istovremeno u svim smjerovima okomitim na smjer širenja valova.

Fresnelov rad je dobio priznanje naučnika. Ubrzo su se pojavili brojni eksperimentalni i teorijski radovi koji potvrđuju talasnu prirodu svjetlosti.

Sredinom 19. stoljeća počele su se otkrivati činjenice koje ukazuju na vezu između optičkih i električnih pojava. Godine 1846. M. Faraday je posmatrao rotacije ravni polarizacije svjetlosti u tijelima smještenim u magnetskom polju. Faraday je uveo koncept električnog i magnetnog polja kao neobičnih superponiranja u etru. Pojavio se novi "elektromagnetni etar". Engleski fizičar Maksvel prvi je skrenuo pažnju na ove stavove. Razvio je ove ideje i izgradio teoriju elektromagnetnog polja.

Elektromagnetska teorija svjetlosti nije precrtala mehaničku teoriju Huygens-Young-Fresnela, već ju je postavila na novi nivo. 1900. godine njemački fizičar Planck iznio je hipotezu o kvantnoj prirodi zračenja. Njegova suština je bila sljedeća:

– emisija svetlosti je diskretne prirode;

– apsorpcija se takođe dešava u diskretnim delovima, kvantima.

Energija svakog kvanta je predstavljena formulomE=hn , Gdjeh je Plankova konstanta, a n je frekvencija svjetlosti.

Pet godina nakon Plancka, objavljen je rad njemačkog fizičara Ajnštajna o fotoelektričnom efektu. Einstein je vjerovao:

– svjetlost koja još nije stupila u interakciju s materijom ima granularnu strukturu;

– Strukturni element diskretnog svjetlosnog zračenja je foton.

1913. danski fizičar N. Bohr objavio je teoriju atoma u kojoj je kombinirao Planck-Einsteinovu teoriju kvanta sa slikom nuklearne strukture atoma.

Tako se pojavila nova kvantna teorija svjetlosti, rođena na bazi Newtonove korpuskularne teorije. Kvant se ponaša kao korpuskula.

Osnovne odredbe.

– Svetlost se emituje, širi i apsorbuje u diskretnim delovima - kvantima.

– Kvant svjetlosti - foton nosi energiju proporcionalnu frekvenciji vala kojim ga opisuje elektromagnetska teorijaE=hn .

– Foton ima masu (), impuls i ugaoni moment ().

– Foton, kao čestica, postoji samo u kretanju čija je brzina brzina prostiranja svjetlosti u datom mediju.

– Za sve interakcije u kojima foton sudjeluje vrijede opći zakoni održanja energije i impulsa.

– Elektron u atomu može biti samo u nekim diskretnim stabilnim stacionarnim stanjima. Budući da je u stacionarnom stanju, atom ne emituje energiju.

– Kada prelazi iz jednog stacionarnog stanja u drugo, atom emituje (apsorbuje) foton sa frekvencijom (gde jeE 1 IE 2 – energije početnog i krajnjeg stanja).

Pojavom kvantne teorije postalo je jasno da su korpuskularna i valna svojstva samo dvije strane, dvije međusobno povezane manifestacije suštine svjetlosti. Oni ne odražavaju dijalektičko jedinstvo diskretnosti i kontinuiteta materije, izraženo u istovremenom ispoljavanju talasnih i korpuskularnih svojstava. Isti proces zračenja može se opisati kako pomoću matematičkog aparata za talase koji se šire u prostoru i vremenu, tako i pomoću statističkih metoda za predviđanje pojave čestica na datom mjestu iu datom vremenu. Oba ova modela se mogu koristiti istovremeno, a u zavisnosti od uslova, jedan od njih je poželjniji.

Postignuća posljednjih godina u oblasti optike omogućena su zahvaljujući razvoju i kvantne fizike i valne optike. U današnje vrijeme teorija svjetlosti nastavlja da se razvija.

Talasna svojstva svjetlosti i geometrijske optike.

Optika je grana fizike koja proučava svojstva i fizičku prirodu svjetlosti, kao i njenu interakciju s materijom.

Najjednostavniji optički fenomeni, kao što je pojava senki i stvaranje slike u optičkim instrumentima, mogu se razumeti u okviru geometrijske optike, koja operiše konceptom pojedinačnih svetlosnih zraka koji se povinuju poznatim zakonima prelamanja i refleksije i koji su nezavisni jedno od drugog. Za razumijevanje složenijih pojava potrebna je fizička optika, koja ove pojave razmatra u vezi sa fizičkom prirodom svjetlosti. Fizička optika omogućava da se izvedu svi zakoni geometrijske optike i utvrde granice njihove primjenjivosti. Bez poznavanja ovih granica, formalna primena zakona geometrijske optike može, u određenim slučajevima, dovesti do rezultata koji su u suprotnosti sa posmatranim fenomenima. Stoga se ne može ograničiti na formalnu konstrukciju geometrijske optike, već na nju treba gledati kao na granu fizičke optike.

Koncept svjetlosnog snopa može se dobiti razmatranjem stvarnog svjetlosnog snopa u homogenom mediju, iz kojeg se izoluje uski paralelni snop pomoću dijafragme. Što je manji promjer ovih rupa, to je izolirani snop uži, a u granici, idući do željenih rupa, čini se da se svjetlosni snop može dobiti kao prava linija. Ali takav proces izolacije proizvoljno uskog snopa (snopa) je nemoguć zbog fenomena difrakcije. Neizbežno ugaono širenje pravog svetlosnog snopa propuštenog kroz dijafragmu prečnika D određeno je uglom difrakcije j~l/D . Samo u graničnom slučaju, kada je l = 0, do takvog širenja ne bi došlo, a o zraku bi se moglo govoriti kao o geometrijskoj liniji čiji smjer određuje smjer širenja svjetlosne energije.

Dakle, svjetlosni zrak je apstraktni matematički koncept, a geometrijska optika je približni granični slučaj u koji valna optika ide kada valna dužina svjetlosti teži nuli.

Oko kao optički sistem.

Ljudski organ vida su oči, koje po mnogo čemu predstavljaju veoma napredan optički sistem.

Općenito, ljudsko oko je sferično tijelo prečnika oko 2,5 cm, koje se naziva očna jabučica (slika 5). Neproziran i izdržljiv vanjski sloj oka naziva se sklera, a njegov prozirni i konveksniji prednji dio naziva se rožnica. S unutarnje strane, bjeloočnica je prekrivena horoidom, koji se sastoji od krvnih sudova koji opskrbljuju oko. Nasuprot rožnjače, žilnica prelazi u šarenicu, različito obojenu kod različitih ljudi, koja je od rožnjače odvojena komorom u kojoj se nalazi prozirna vodenasta masa.

Šarenica ima okruglu rupu koja se zove zjenica, čiji prečnik može varirati. Dakle, šarenica igra ulogu dijafragme, regulišući pristup svjetlosti oku. Pri jakom svjetlu zjenica se smanjuje, a pri slabom svjetlu se povećava. Unutar očne jabučice iza šarenice nalazi se sočivo, koje je bikonveksno sočivo napravljeno od prozirne supstance sa indeksom prelamanja od oko 1,4. Sočivo je okruženo prstenastim mišićem, koji može promijeniti zakrivljenost svojih površina, a time i optičku snagu.

Horoid sa unutrašnje strane oka prekriven je granama fotosenzitivnog živca, posebno gustim ispred zjenice. Ove grane formiraju retinu, na kojoj se dobija stvarna slika objekata koje stvara optički sistem oka. Prostor između retine i sočiva ispunjen je prozirnim staklastim tijelom, koje ima želatinoznu strukturu. Slika objekata na mrežnjači je obrnuta. Međutim, aktivnost mozga, koji prima signale od fotosenzitivnog živca, omogućava nam da vidimo sve objekte u prirodnim položajima.

Kada je prstenasti mišić oka opušten, na mrežnjači se dobija slika udaljenih objekata. Općenito, struktura oka je takva da osoba može bez naprezanja vidjeti predmete koji se nalaze ne bliže od 6 metara od oka. U ovom slučaju, slika bližih objekata se dobija iza mrežnjače. Da bi se dobila jasna slika takvog objekta, prstenasti mišić sve više komprimira sočivo dok se slika objekta ne pojavi na mrežnici, a zatim drži leću u komprimiranom stanju.

Dakle, „fokusiranje“ ljudskog oka se vrši promenom optičke snage sočiva uz pomoć prstenastog mišića.Sposobnost optičkog sistema oka da stvara jasne slike objekata koji se nalaze na različitim udaljenostima od njega je nazvan smještaj (od latinskog "smještaj" - adaptacija). Prilikom gledanja veoma udaljenih objekata, paralelni zraci ulaze u oko. U ovom slučaju, za oko se kaže da je akomodirano do beskonačnosti.

Akomodacija oka nije beskonačna. Uz pomoć prstenastog mišića, optička snaga oka može se povećati za najviše 12 dioptrija. Prilikom dužeg gledanja bliskih predmeta oko se umori, a prstenasti mišić počinje da se opušta i slika predmeta se zamagljuje.

Ljudske oči nam omogućavaju da jasno vidimo predmete ne samo na dnevnom svjetlu. Sposobnost oka da se prilagodi različitom stepenu iritacije završetaka fotosenzitivnog živca na retini, tj. na različite stepene osvetljenosti posmatranih objekata naziva se adaptacija.

Konvergencija vidnih osa očiju u određenoj tački naziva se konvergencija. Kada se predmeti nalaze na znatnoj udaljenosti od osobe, tada se prilikom pomicanja očiju s jednog predmeta na drugi, osi očiju praktički ne mijenjaju, a osoba gubi sposobnost da ispravno odredi položaj objekta. Kada su objekti veoma udaljeni, ose očiju su paralelne, a osoba ne može ni da utvrdi da li se predmet koji gleda kreće ili ne. Određenu ulogu u određivanju položaja tijela igra i sila prstenastog mišića, koji komprimira sočivo kada se gledaju objekti koji se nalaze blizu osobe.

Spektroskop.

Spektroskop se koristi za posmatranje spektra.

Najčešći prizmatični spektroskop sastoji se od dvije cijevi, između kojih je postavljena trokutasta prizma.

U cijevi A, zvanoj kolimator, nalazi se uski prorez čija se širina može podesiti okretanjem zavrtnja. Ispred proreza se postavlja izvor svjetlosti čiji se spektar mora ispitati. Prorez se nalazi u ravni kolimatora, te stoga svjetlosni zraci iz kolimatora izlaze u obliku paralelnog snopa. Nakon prolaska kroz prizmu, svjetlosni zraci se usmjeravaju u cijev B, kroz koju se posmatra spektar. Ako je spektroskop namijenjen mjerenjima, tada se slika skale s podjelama postavlja na sliku spektra pomoću posebnog uređaja, koji vam omogućava da precizno odredite položaj linija boja u spektru.

Optički mjerni uređaj.

Optički mjerni uređaj je mjerni instrument u kojem se nišanje (poravnavanje granica kontrolisanog objekta s linijom kose, križa i sl.) ili određivanje veličine vrši pomoću uređaja s optičkim principom rada. Postoje tri grupe optičkih mernih instrumenata: uređaji sa optičkim principom nišana i mehaničkom metodom za prijavu kretanja; uređaji sa optičkim nišanjem i izvještavanjem o kretanju; uređaji koji imaju mehanički kontakt sa mjernim uređajem, sa optičkom metodom za određivanje kretanja kontaktnih tačaka.

Prvi uređaji koji su postali široko rasprostranjeni bili su projektori za mjerenje i praćenje dijelova složenih kontura i malih dimenzija.

Najčešći drugi uređaj je univerzalni mjerni mikroskop, u kojem se dio koji se mjeri kreće po uzdužnom nosaču, a glava mikroskopa na poprečnom nosaču.

Uređaji treće grupe služe za poređenje izmjerenih linearnih veličina sa mjerama ili skalama. Obično se kombinuju pod opštim imenom komparatori. U ovu grupu uređaja spada optimetar (optikator, mjerna mašina, kontaktni interferometar, optički daljinomjer, itd.).

Optički mjerni instrumenti su također rasprostranjeni u geodeziji (nivelma, teodolit itd.).

Teodolit je geodetski instrument za određivanje pravaca i mjerenje horizontalnih i vertikalnih uglova tokom geodetskih radova, topografskih i geodetskih, u građevinarstvu itd.

Nivelacija - geodetski instrument za merenje nadmorskih visina tačaka na zemljinoj površini - nivelacija, kao i za postavljanje horizontalnih pravaca pri postavljanju itd. radi.

U navigaciji se široko koristi sekstant - goniometrijski ogledalo-reflektirajući instrument za mjerenje visina nebeskih tijela iznad horizonta ili uglova između vidljivih objekata kako bi se odredile koordinate mjesta promatrača. Najvažnija karakteristika sekstanta je mogućnost istovremenog kombinovanja dva objekta u vidnom polju posmatrača, između kojih se meri ugao, što omogućava da se sektant koristi u avionu ili na brodu bez vidljivog smanjenja tačnosti, čak i tokom bacanja.

Obećavajući pravac u razvoju novih tipova optičkih mjernih instrumenata je njihovo opremanje elektroničkim uređajima za očitavanje koji omogućavaju pojednostavljenje očitavanja i nišanja itd.

Zaključak.

Praktični značaj optike i njen uticaj na druge grane znanja su izuzetno veliki. Pronalazak teleskopa i spektroskopa otvorio je čovjeku najnevjerovatniji i najbogatiji svijet pojava koje se dešavaju u ogromnom Univerzumu. Pronalazak mikroskopa revolucionirao je biologiju. Fotografija je pomogla i pomaže gotovo svim granama nauke. Jedan od najvažnijih elemenata naučne opreme je sočivo. Bez toga ne bi bilo mikroskopa, teleskopa, spektroskopa, kamere, bioskopa, televizije itd. ne bi bilo naočara, a mnogi ljudi stariji od 50 godina ne bi mogli čitati i obavljati mnoge poslove koji zahtijevaju vid.

Opseg fenomena koje proučava fizička optika je veoma širok. Optički fenomeni su usko povezani sa pojavama koje se proučavaju u drugim granama fizike, a metode optičkog istraživanja su među najsuptilnijim i najtačnijim. Stoga nije iznenađujuće da je optika dugo vremena igrala vodeću ulogu u mnogim fundamentalnim studijama i razvoju osnovnih fizičkih pogleda. Dovoljno je reći da su obje glavne fizičke teorije prošlog stoljeća - teorija relativnosti i teorija kvanta - nastale i razvijene u velikoj mjeri na osnovu optičkih istraživanja. Izum lasera otvorio je ogromne nove mogućnosti ne samo u optici, već iu njegovoj primjeni u raznim granama nauke i tehnologije.

Bibliografija. Artsybyshev S.A. Fizika - M.: Medgiz, 1950.

Zhdanov L.S. Zhdanov G.L. Fizika za srednje obrazovne ustanove - M.: Nauka, 1981.

Landsberg G.S. Optika - M.: Nauka, 1976.

Landsberg G.S. Udžbenik za osnovnu fiziku. - M.: Nauka, 1986.

Prokhorov A.M. Velika sovjetska enciklopedija. - M.: Sovjetska enciklopedija, 1974.

Sivukhin D.V. Opšti kurs fizike: Optika - M.: Nauka, 1980.

- Istorija razvoja optike.

- Osnovne odredbe Newtonove korpuskularne teorije.

- Osnovne odredbe Hajgensove teorije talasa.

- Pogledi na prirodu svjetlosti u XIX – XX vekovima.

- Osnovni principi optike.

- Talasna svojstva svjetlosti i geometrijske optike.

- Oko kao optički sistem.

- Spektroskop.

- Optički mjerni uređaj.

- Zaključak.

- Spisak korišćene literature.

Istorija razvoja optike.

Optika je proučavanje prirode svjetlosti, svjetlosnih pojava i interakcije svjetlosti s materijom. I skoro čitava njegova istorija je priča o potrazi za odgovorom: šta je svetlost?

Tokom istih godina otkrivene su sljedeće činjenice:

– ravnomjernost širenja svjetlosti;

– fenomen refleksije svjetlosti i zakon refleksije;

– fenomen prelamanja svjetlosti;

– efekt fokusiranja konkavnog ogledala.

Stari Grci su postavili temelje za granu optike, koja je kasnije postala poznata kao geometrijska.

korak u razumevanju prirode svetlosti.

Tokom renesanse napravljeno je mnogo različitih otkrića i izuma; Eksperimentalna metoda se počela uspostavljati kao osnova za proučavanje i razumijevanje okolnog svijeta.

Na osnovu brojnih eksperimentalnih činjenica, sredinom 17. vijeka, pojavile su se dvije hipoteze o prirodi svjetlosnih pojava:

– korpuskularno, koje je pretpostavljalo da je svjetlost tok čestica koje velikom brzinom izbacuju svjetleća tijela;

- val, koji je tvrdio da je svjetlost uzdužna oscilatorna kretanja posebnog svjetlosnog medija - etra - pobuđena vibracijama čestica svjetlećeg tijela.

Cijeli daljnji razvoj doktrine svjetlosti do danas je istorija razvoja i borbe ovih hipoteza, čiji su autori bili I. Newton i H. Huygens.

Glavne odredbe Newtonove korpuskularne teorije:

1) Svjetlost se sastoji od malih čestica materije koje emituje u svim smjerovima u ravnim linijama, ili zrakama, svjetlosno tijelo, kao što je upaljena svijeća. Ako ovi zraci, koji se sastoje od čestica, padaju u naše oko, tada vidimo njihov izvor (slika 1).

2) Svjetlosna tijela imaju različite veličine. Najveće čestice pri ulasku u oko daju osjećaj crvene boje, najmanje – ljubičaste.

3) Bijela boja je mješavina svih boja: crvene, narandžaste, žute, zelene, plave, indigo, ljubičaste.

4) Refleksija svjetlosti od površine nastaje zbog odbijanja čestica od zida prema zakonu apsolutnog elastičnog udara (slika 2).

5) Fenomen prelamanja svjetlosti objašnjava se činjenicom da čestice medija privlače čestice medija. Što je medij gušći, to je upadni ugao manji ugao prelamanja.

7) Newton je iznio načine za objašnjenje dvostrukog prelamanja, pretpostavivši da svjetlosne zrake imaju “različite strane” - posebno svojstvo koje uzrokuje da budu različiti u lomu kada prolaze kroz dvolomno tijelo.

Osnovni principi Hajgensove talasne teorije svetlosti.

1) Svjetlost je širenje elastičnih periodičnih impulsa u etru. Ovi impulsi su uzdužni i slični zvučnim impulsima u zraku.

2) Eter je hipotetički medij koji ispunjava nebeski prostor i praznine između čestica tijela. Bez težine je, ne poštuje zakon univerzalne gravitacije i ima veliku elastičnost.

3) Princip širenja vibracija etra je takav da je svaka njegova tačka, do koje dolazi ekscitacija, centar sekundarnih talasa. Ovi talasi su slabi, a efekat se primećuje samo tamo gde njihov omotač prolazi

površinski talasni front (Huygensov princip) (slika 3).

Svetlosni talasi koji dolaze direktno iz izvora izazivaju osećaj vida.

Vrlo važna tačka u Huygensovoj teoriji bila je pretpostavka da je brzina širenja svjetlosti konačna. Koristeći svoj princip, naučnik je uspeo da objasni mnoge fenomene geometrijske optike:

– fenomen refleksije svjetlosti i njeni zakoni;

– fenomen prelamanja svjetlosti i njegovi zakoni;

– fenomen potpune unutrašnje refleksije;

– fenomen dvostruke refrakcije;

– princip nezavisnosti svetlosnih zraka.

Huygensova teorija dala je sljedeći izraz za indeks prelamanja medija:

Iz formule je jasno da brzina svjetlosti treba obrnuto ovisiti o apsolutnoj vrijednosti medija. Ovaj zaključak je bio suprotan zaključku koji je proizašao iz Newtonove teorije. Nizak nivo eksperimentalne tehnologije u 17. veku onemogućio je utvrđivanje koja je teorija tačna.

Mnogi su sumnjali u Hajgensovu teoriju talasa, ali među rijetkim pristalicama talasnih pogleda na prirodu svjetlosti bili su M. Lomonosov i L. Euler. Sa istraživanjima ovih naučnika, Hajgensova teorija je počela da se oblikuje kao teorija talasa, a ne samo aperiodičnih oscilacija koje se šire u etru.

Pogledi na prirodu svjetlosti u XIX - XX vekovima.

Godine 1801. T. Jung je izveo eksperiment koji je zadivio naučnike širom svijeta (slika 4)

S – izvor svjetlosti;

E – ekran;

B i C su vrlo uski prorezi, međusobno udaljeni 1-2 mm.

Osnovni principi Fresnelove teorije talasa.

– Svjetlost – širenje vibracija u etru brzinom gdje je modul elastičnosti etra, r– gustina etra;

– Svetlosni talasi su poprečni;

– Laki etar ima svojstva elastično-čvrstog tijela i apsolutno je nestišljiv.

Prilikom prelaska iz jednog medija u drugi, elastičnost etera se ne mijenja, ali se mijenja njegova gustoća. Relativni indeks loma tvari.

Poprečne vibracije mogu se pojaviti istovremeno u svim smjerovima okomitim na smjer širenja valova.

Fresnelov rad je dobio priznanje naučnika. Ubrzo su se pojavili brojni eksperimentalni i teorijski radovi koji potvrđuju talasnu prirodu svjetlosti.

– svetlosna emisija je diskretne prirode;

– apsorpcija se takođe dešava u diskretnim delovima, kvantima.

Energija svakog kvanta je predstavljena formulom E = h n, Gdje h je Plankova konstanta, i n je frekvencija svjetlosti.

Pet godina nakon Plancka, objavljen je rad njemačkog fizičara Ajnštajna o fotoelektričnom efektu. Einstein je vjerovao:

– svjetlost koja još nije stupila u interakciju sa materijom ima zrnastu strukturu;

– strukturni element diskretnog svjetlosnog zračenja je foton.

Tako se pojavila nova kvantna teorija svjetlosti, rođena na bazi Newtonove korpuskularne teorije. Kvant se ponaša kao korpuskula.

Osnovne odredbe.

– Svetlost se emituje, širi i apsorbuje u diskretnim delovima – kvantima.

– Kvant svjetlosti – foton nosi energiju proporcionalnu frekvenciji vala kojim ga opisuje elektromagnetska teorija E = h n .

– Foton ima masu (), impuls i ugaoni moment ().

– Foton, kao čestica, postoji samo u kretanju čija je brzina brzina prostiranja svjetlosti u datom mediju.

– Za sve interakcije u kojima sudjeluje foton vrijede opći zakoni održanja energije i impulsa.

– Elektron u atomu može biti samo u nekim diskretnim stabilnim stacionarnim stanjima. Budući da je u stacionarnom stanju, atom ne emituje energiju.

– Prilikom prelaska iz jednog stacionarnog stanja u drugo, atom emituje (apsorbuje) foton sa frekvencijom (gde je E1 I E2– energije početnog i krajnjeg stanja).

Postignuća posljednjih godina u oblasti optike omogućena su zahvaljujući razvoju i kvantne fizike i valne optike. U današnje vrijeme teorija svjetlosti nastavlja da se razvija.

Optika je grana fizike koja proučava svojstva i fizičku prirodu svjetlosti, kao i njenu interakciju s materijom.

Koncept svjetlosnog snopa može se dobiti razmatranjem stvarnog svjetlosnog snopa u homogenom mediju, iz kojeg se izoluje uski paralelni snop pomoću dijafragme. Što je manji promjer ovih rupa, to je izolirani snop uži, a u granici, idući do željenih rupa, čini se da se svjetlosni snop može dobiti kao prava linija. Ali takav proces izolacije proizvoljno uskog snopa (snopa) je nemoguć zbog fenomena difrakcije. Neizbežno ugaono širenje pravog svetlosnog snopa propuštenog kroz dijafragmu prečnika D određeno je uglom difrakcije j ~ l / D. Samo u ekstremnom slučaju kada l=0, do takvog širenja ne bi došlo, a o zraku bi se moglo govoriti kao o geometrijskoj liniji čiji smjer određuje smjer širenja svjetlosne energije.

Dakle, svjetlosni zrak je apstraktni matematički koncept, a geometrijska optika je približni granični slučaj u koji valna optika ide kada valna dužina svjetlosti teži nuli.

Oko kao optički sistem.

Ljudski organ vida su oči, koje po mnogo čemu predstavljaju veoma napredan optički sistem.

Dakle, "fokusiranje" ljudskog oka se vrši promjenom optičke snage sočiva pomoću prstenastog mišića. Sposobnost optičkog sistema oka da stvara različite slike objekata koji se nalaze na različitim udaljenostima od njega naziva se akomodacija (od latinskog "akomodacija" - adaptacija). Prilikom gledanja veoma udaljenih objekata, paralelni zraci ulaze u oko. U ovom slučaju, za oko se kaže da je akomodirano do beskonačnosti.

Domet oscop.

Spektroskop se koristi za posmatranje spektra.

Najčešći prizmatični spektroskop sastoji se od dvije cijevi, između kojih je postavljena trokutasta prizma (slika 7).

Prvi uređaji koji su postali široko rasprostranjeni bili su projektori za mjerenje i praćenje dijelova složenih kontura i malih dimenzija.

Najčešći drugi uređaj je univerzalni mjerni mikroskop, u kojem se dio koji se mjeri kreće po uzdužnom nosaču, a glava mikroskopa na poprečnom nosaču.

Optički mjerni instrumenti su također rasprostranjeni u geodeziji (nivelma, teodolit itd.).

Teodolit je geodetski instrument za određivanje pravaca i mjerenje horizontalnih i vertikalnih uglova tokom geodetskih radova, topografskih i geodetskih, u građevinarstvu itd.

Nivelacija - geodetski instrument za merenje nadmorskih visina tačaka na zemljinoj površini - nivelacija, kao i za postavljanje horizontalnih pravaca pri postavljanju itd. radi.

Zaključak.

Moskovski odbor za obrazovanje

Svijet O R T

Moskovski tehnološki koledž

Odjeljenje za prirodne nauke

Završni rad iz fizike

Na temu :

Izvodi učenica grupe 14: Ryazantseva Oksana

Predavač: Gruzdeva L.N.

- Artsybyshev S.A. Fizika - M.: Medgiz, 1950.

- Zhdanov L.S. Zhdanov G.L. Fizika za srednje obrazovne ustanove - M.: Nauka, 1981.

- Landsberg G.S. Optika - M.: Nauka, 1976.

- Landsberg G.S. Udžbenik za osnovnu fiziku. - M.: Nauka, 1986.

- Prokhorov A.M. Velika sovjetska enciklopedija. - M.: Sovjetska enciklopedija, 1974.

- Sivukhin D.V. Opšti kurs fizike: Optika - M.: Nauka, 1980.