Оптика. Раздел 5

ЗАНЯТИЕ 68
ПРИРОДА СВЕТА.
СКОРОСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СВЕТА.
ОТРАЖЕНИЕ СВЕТА. ЗАКОНЫ ОТРАЖЕНИЯ

“Радость видеть и понимать самый прекрасный дар природы”.
А. Эйнштейн.

Размышлять о природе света начали еще в древние времена. Первые гипотезы были наивны и туманны. Так, Аристотелю приписывают утверждение, что свет есть нечто, исходящее из глаз. Лучи света как бы ощупывают предметы, доставляя наблюдателю информацию об их форме и качестве.
В школе Пифагора утверждали, что лучи Солнца «проникают через густой и холодный эфир». Впервые появляется мысль о том, что свет каким-то образом передается материальной средой — эфиром.

Пифагор одним из первых выдвинул гипотезу о том, что тела испускают мельчайшие частицы, которые попадают в глаза, благодаря чему мы и видим окружающий мир.
В XVII веке делаются первые попытки теоретического обоснования наблюдаемых световых явлений. Фундамент учения о свете заложил Исаак Ньютон.

1. Корпускулярная теория света, развитая Ньютоном, состоит в том, что световое излучение рассматривается как непрерывный поток мельчайших частиц – корпускул, которые испускаются источником света и с большой скоростью летят в однородной среде прямолинейно и равномерно (эта теория объясняла различные цвета излучений, отражение, преломление, дисперсию).

2. С точки зрения волновой теории света, основоположником которой является Х.Гюйгенс, световое излучение представляет собой волновое движение. Световые волны Гюйгенс рассматривал как упругие волны высокой частоты, распространяющиеся в особой упругой и плотной среде – эфире, заполняющем все материальные тела, промежутки между ними и межпланетные пространства (объясняла интерференцию, дифракцию, но не могла объяснить распространение света от Солнца до Земли).

Принцип Гюйгенса: каждая точка среды, до которой дошло возмущение, сама становится источником вторичных сферических волн, огибающая которых дает новое положение фронта волны.

3. Электромагнитная теория света была создана в середине XIX века Максвеллом (1831–1879). Согласно этой теории световые волны имеют электромагнитную природу, а световое излучение можно рассматривать как частный случай электромагнитных явлений (объясняла распространение света в вакууме). Исследования Герца и в дальнейшем П.Н.Лебедева также подтвердили, что все основные свойства электромагнитных волн совпадают со свойствами световых волн.

Всякое световое излучение является электромагнитными волнами, но не все электромагнитные волны являются световыми, а только те которые вызывают у человека зрительные ощущения
(от 4 ∙ 1014 Гц до 7,5 ∙ 1014 Гц).
Длины волн светового излучения в вакууме: от 400 нм до 760 нм. При переходе из одной среды в другую цвет сохраняется так как сохраняется частота, а длина волны изменяется вследствие изменения его скорости распространения.

4. Квантовая теория света возникла в начале XX века. Она была сформулирована в 1900 году, а обоснована в 1905 году. Основоположниками квантовой теории света являются Планк и Эйнштейн, Бор и др. Согласно этой теории, световое излучение испускается и поглощается частицами вещества не непрерывно, а дискретно, то есть отдельными порциями – квантами (фотонами) света (объясняла все свойства света, в том числе испускание и поглощение света атомами).

При излучении и поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц.
При распространении
свет ведет себя
как волна
Первые представления древних ученых о свете были весьма наивны. Считалось, что из глаз выходят особые тонкие щупальца и зрительные впечатления возникают при ощупывании ими предметов.

ДВА ВЕЛИКИХ ПРОТИВОСТОЯНИЯ В НАУКЕ.
ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О ПРИРОДЕ СВЕТА.

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ СВЕТА
Прямые: астрономические и лабораторные
опыты
- О.Ремера,
- А.Физо,
- Л.Фуко,
- А.Майкельсона
Косвенные: по формуле сс = νλ
опыты
- Д.Брадлея,
- Ф.Кольрауша,
- В.Вебера

В 1676 году Ремер наблюдал за затмением спутника Юпитера – Ио. Спутник проходил пeред планетой, а затем погружался в ее тень и пропадал из поля зрения. Через 42 часа 28 минут Ио появлялся опять. Ремер проводил измерения, когда Земля ближе всего подходила к Юпитеру. Когда через несколько месяцев он повторил наблюдения, то оказалось, что спутник появился из тени на 22 минуты позже. Ученый объяснил, 22 минуты свет затрачивает на прохождение из предыдущей точки наблюдения до нынешней точки.

С
Опыт Рёмера
Орбита Земли
Земля
Орбита спутника
Юпитера
Орбита Юпитера
S2

РАЗДЕЛИВ ДИАМЕТР ЗЕМНОЙ ОРБИТЫ НА ВРЕМЯ ЗАПАЗДЫВАНИЯ, МОЖНО ПОЛУЧИТЬ ЗНАЧЕНИЕ СКОРОСТИ СВЕТА:
с = 3•1011 м : 1320 с
≈2,27•108 м/с

МЕТОД ФИЗО

В лабораторных условиях скорость света впервые удалось измерять в 1849 году французскому физику Физо. В его опыте свет от источника, пройдя через линзу, падал на полупрозрачную стеклянную пластинку. Отразившись от пластинки узкий пучок направлялся на периферию быстро вращающегося колеса. Пройдя между зубцами свет достигал зеркала, находившегося на расстоянии нескольких километров от колеса. Отразившись от зеркала, свет проходил между зубцами колеса и затем попадал в глаз наблюдателя. (Колесо имело 720 зубцов).

Когда скорость вращения была маленькой, свет отраженный от зеркала был виден, при увеличении скорости вращения он исчезал. При дальнейшем увеличении скорости вращения, свет опять становился виден (при частоте 12,6 об/с). То есть, за время распространения света до зеркала и обратно колесо успевало повернуться на столько, что на место прежней прорези вставала уже новая прорезь. Зная это время и расстояние между колесом и зеркалом можно определить скорость света. В опыте Физо расстояние равнялось 8,6 километров, а скорость света получилась равной 313000 километров в секунду.

МЕТОД МАЙКЕЛЬСОНА
сс = 2ℓ/
= 1/8n
сс = 16ℓn

В 1926 году установка Майкельсона была выполнена между двумя горными вершинами, так что расстояние, проходимое лучом от источника до его изображения после отражений от первой грани восьмигранной зеркальной призмы, зеркал М 2 - М 7 и пятой грани, составляло около 35,4 км. Скорость вращения призмы (приблизительно 528 об/с) выбиралась такой, чтобы за время распространения света от первой грани до пятой призма успевала повернуться на 1/8 оборота. Возможное смещение зайчика при неточно подобранной скорости играло роль поправки. Скорость света, определенная в этом опыте, оказалась равной 299796,4 км/с.

В основе косвенного способа измерения скорости света лежит представление о свете как об электромагнитной волне и ее скорость находится путем умножения длины волны на частоту колебаний волны.
Определенным итогом измерения скорости света в СВЧ-диапазоне стала работа американского ученого К.Фрума, результаты которой были опубликованы в 1958 году. Ученый получил результат 299792,50 километров в секунду.
Способ определения частот с помощью использования лазерного излучения дает величину скорости света, равную 299792,462 километра в секунду.

ИСТОЧНИКИ СВЕТА
Температурные – светятся за счет своей внутренней энергии
- Солнце
- спичка
- лампа накаливания
- газосветные трубки
Люминесцентные – светятся за счет поглощенной ими энергии
- фосфор
- люминофоры

Источники света
ЕСТЕСТВЕННЫЕ
Искусственные

Чудесный дар природы вечной,
Дар бесценный и святой.
В нём источник бесконечный
Наслажденья красотой.
Солнце, небо, звёзд сиянье,
Море в блеске голубом,
Всю природу и созданье
Мы лишь в свете познаём. “Иоланта”

ОТРАЖЕНИЕ СВЕТА
На границе раздела двух различных сред, если эта граница раздела значительно превышает длину волны, происходит изменение направления распространения света: часть световой энергии возвращается в первую среду, то есть отражается, а часть проникает во вторую среду и при этом преломляется. Луч АО носит название падающий луч, а луч OD – отраженный луч. Взаимное расположение этих лучей определяют законы отражения и преломления света.

Угол α между падающим лучом и перпендикуляром к границе раздела двух сред, восстановленным к поверхности в точке падения луча, носит название угол падения.
Угол γ между отражённым лучом и тем же перпендикуляром, носит название угол отражения.

Каждая среда в определённой степени (то есть по своему) отражает и поглощает световое излучение. Величина, которая характеризует отражательную способность поверхности вещества, называется коэффициент отражения. Коэффициент отражения показывает, какую часть принесённой излучением на поверхность тела энергии составляет энергия, унесённая от этой поверхности отражённым излучением. Этот коэффициент зависит от многих причин, например, от состава излучения и от угла падения. Свет полностью отражается от тонкой плёнки серебра или жидкой ртути, нанесённой на лист стекла.

ЗАКОНЫ ОТРАЖЕНИЯ СВЕТА
1. Падающий луч, отраженный луч и перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости.
2. Угол отражения γ равен углу падения α:
угол γ = углу α

AD = ϑt и CB = ϑt, где ϑ – скорость распространения волны, поэтому AD = CB.
Прямоугольные треугольники Δ АСВ и Δ ADB имеют общую гипотенузу АВ и равные катеты AD = CB. Следовательно, они равны. Угол САВ = углу α и угол DBA = углу γ, потому что это углы со взаимно перпендикулярными сторонами. А из равенства треугольников следует, что
угол α = углу γ.

Законы отражения справедливы при обратном направлении хода световых лучей. В следствие обратимости хода световых лучей имеем, что луч, распространяющийся по пути отражённого, отражается по пути падающего.
Большинство тел лишь отражают падающее на них излучение, не являясь при этом источником света. Освещённые предметы видны со всех сторон, так как от их поверхности свет отражается в разных направлениях, рассеиваясь. Это явление называется диффузное отражение или рассеянное отражение.

Диффузное отражение света происходит от всех шероховатых поверхностей.

Зеркальное отражение происходит от идеально гладких поверхностей. Зеркальные поверхности можно считать оптически гладкими, если размеры неровностей и неоднородностей на них не превышают длины световой волны (меньше 1 мкм).

ПОСТРОЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ
СВЕТЯЩЕЙСЯ ТОЧКИ В ЗЕРКАЛЕ

Изображение S1 называется мнимым, если в ней пересекаются не сами отражённые лучи, а их продолжения.
Угол 1 и угол 5 равны – как вертикальные. Сумма угла 2 и угла 3 = сумме угла 5 и угла 4. Эти суммы равны 90°. Следовательно, угол 3 = углу 4 и угол 2 = углу 5. Прямоугольные треугольники Δ SOB и Δ S1OB имеют общий катет ОВ и равные острые углы 3 и 4, следовательно, эти треугольники равны по стороне и двум прилежащим к катету углам. Это означает, что SO = OS1, то есть точка S1 расположена симметрично точке S относительно зеркала.

ПОСТРОЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ
ПРЕДМЕТА В ЗЕРКАЛЕ
Это изображение будет мнимым, прямым и в
натуральную величину. Размеры и взаимное расположение предметов сохраняются, но при этом в зеркале левая и правая стороны у изображения меняются местами по сравнению с самим предметом.

1. В комнате вертикально висит зеркало, верхний край которого расположен на уровне волос верхней части головы человека ростом 182 см. Какой наименьшей длины должно быть зеркало, чтобы этот человек видел себя в зеркале во весь рост.
2. Построить оптические изображения источника света, которые получаются в системе зеркал.
А
∙

ЗАНЯТИЕ 69
ПРЕЛОМЛЕНИЕ СВЕТА.
ЗАКОНЫ ПРЕЛОМЛЕНИЯ.
ПОЛНОЕ ОТРАЖЕНИЕ.
ЛИНЗЫ.
ГЛАЗ КАК ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА. ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

ПРЕЛОМЛЕНИЕ СВЕТА
Явление изменения направления распространения света на границе двух сред при переходе из одной среды в другую называется преломлением света.

ЗАКОНЫ ПРЕЛОМЛЕНИЯ СВЕТА
1. Падающий луч, преломленный луч и перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости.
2. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред.

Относительный показатель преломления показывает во сколько раз скорость распространения света в одной среде больше или меньше, чем в другой.

ПОЛНОЕ ВНУТРЕННЕЕ ОТРАЖЕНИЕ
- возникает при переходе из среды оптически более плотной в оптически менее плотную.

Световой луч после прохождения плоскопараллельной пластинки выходит параллельно падающему лучу и смещенным от него на расстояние х.

ХОД ЛУЧЕЙ В ПРИЗМАХ
Поворотные и оборачивающие призмы применяют в перископах, биноклях, киноаппаратах, а также часто вместо зеркал.

Световод — стеклянное волокно цилиндрической формы, покрытое оболочкой из прозрачного материала с показателем преломления меньше чем у волокна. За счет многократного полного отражения свет может быть направлен по изогнутому пути.

Явление полного отражения света используется в призмах, в волоконной оптике (световодах), в водолазном деле, в ювелирной промышленности. В ювелирном деле огранка камней подбирается так, чтобы на каждой грани наблюдалось полное отражение. Этим и объясняется "игра камней". Полным внутренним отражением объясняется и явление миража.

По своему устройству глаз как оптическая система сходен с фотоаппаратом. Роль объектива выполняет хрусталик совместно с преломляющей средой передней камеры и стекловидного тела. Изображение получается на светочувствительной поверхности сетчатки. Наводка на резкость изображения осуществляется путем аккомодации. Наконец, зрачок играет роль изменяющейся по диаметру диафрагмы. Способность глаза к аккомодации обеспечивает возможность получения на сетчатке резких изображений предметов, находящихся на различных расстояниях.

Оптические приборы
— устройства, в которых оптическое излучение преобразуется (пропускается, отражается, преломляется, поляризуется). Они могут увеличивать, уменьшать, улучшать (в редких случаях ухудшать) качество изображения, давать возможность увидеть искомый предмет косвенно.

Фотоаппарат, Кинокамера, Видеокамера — оптические приборы, позволяющие записывать неподвижное и движущееся изображение на фотоматериалах, магнитной ленте или в цифровой памяти. Все они состоят из объектива и светонепроницаемой камеры.

Проектор, Кинопроектор, Диапроектор, Эпидиаскоп — оптические приборы, предназначенные для оптического воспроизведения небольшого по размеру изображения на большом экране.

Лупа — это двояковыпуклая линза, которая увеличивает угол зрения предметов.
Микроскоп — это оптический прибор, показывающий в увеличенном виде очень мелкие, не видимые глазу, близко расположенные объекты. Микроскоп
используется для наблюдения
за такими мельчайшими
объектами, как бактерии и
клетки.

Телескоп — прибор, предназначенный для наблюдения небесных тел. В частности, под
телескопом понимается оптическая телескопическая система,
применяемая не обязательно
для астрономических целей.

Разреша́ющая спосо́бность (разрешающая сила) оптических приборов, характеризует способность этих приборов давать раздельные изображения двух близких друг к другу точек объекта. Наименьшее линейное или угловое расстояние между двумя точками, начиная с которого их изображения сливаются, называется линейным или угловым пределом разрешения. Обратная ему величина обычно служит количественной мерой разрешающей способности.

ЗАНЯТИЕ 71
ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА. КОГЕРЕНТНОСТЬ СВЕТОВЫХ ЛУЧЕЙ. ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ В ТОНКИХ ПЛЕНКАХ. ПОЛОСЫ РАВНОЙ ТОЛЩИНЫ.
КОЛЬЦА НЬЮТОНА.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ В НАУКЕ И ТЕХНИКЕ.
ДИФРАКЦИЯ СВЕТА.
ДИФРАКЦИЯ НА ЩЕЛИ В ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ЛУЧАХ. ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЕТКА

Интерференцией световых волн называется наложение двух или нескольких когерентных волн, вследствие которого наблюдается перераспределение энергии в волнах (усиление или ослабление результирующих световых колебаний в различных точках пространства).
Когерентными являются волны одинаковой частоты, между которыми
существует постоянная
разность фаз (это волны, распространяющиеся от
одного и того же
источника света).

БИПРИЗМА ФРЕНЕЛЯ
Свет от источника S преломляется в двух призмах с малыми преломляющими углами A и A1, сложенных основаниями.
Призмы отклоняют лучи в противоположных направлениях (к основанию) и, таким образом, возникают два мнимых когерентных источника света S1 и S2. Лучи от этих источников, перекрываясь в области D, дают интерференционные полосы.

Если колебания вибраторов А и Б совпадают по фазе и имеют равные амплитуды, то очевидно, что результирующее смещение в точке С зависит от разности хода двух волн.
Условия максимума:
Если разность хода этих волн равна целому числу волн (т. е. четному числу полуволн)
Δd = kλ, где k = 0, 1, 2, ..., то в точке наложения этих волн образуется интерференционный максимум (А = 2х0).

Условие минимума:
Если разность хода этих волн равна нечетному числу полуволн, то это означает, что волны от вибраторов А и Б придут в точку С в противофазе и погасят друг друга: амплитуда результирующего колебания А = 0.
Наиболее четкую картину можно получить используя монохроматическое излучение (картина будет в виде чередующихся темных и монохроматических полос).

При изменении фиолетового цвета на красный интерференционные полосы будут реже (максимумы располагаются шире).
При освещении белым светом в центре белая полоса, а по обе стороны от нее цветные полосы, окрашенные всеми цветами радуги от фиолетового до красного, так как раньше выполнится условие максимума для наименьшей длины волны.

С интерференционными явлениями мы сталкиваемся довольно часто: цвета мыльных пузырей и масляных пятен на асфальте, окраска замерзающих оконных стекол, причудливые цветные рисунки на крыльях некоторых бабочек и жуков – все это проявление интерференции света.

ПОЛОСЫ РАВНОГО НАКЛОНА
Оптическая разность хода в точке P такая же, как на линии DC:
∆ =n (АВ+ВС) – АD
Здесь n – показатель преломления материала пластинки.
.

Предполагается, что над пластинкой находится воздух, т.е. n=1.
Так как
АВ = ВС = h cosβ,
AD = 2h tgβ sinα
(h – толщина пластинки, α и β – углы падения и преломления на верхней грани; sinα = n sinβ), то для разности хода получаем
∆ = 2nh cosβ
Следует также учесть, что при отражении волны от верхней поверхности пластинки ее фаза изменяется на π.

ПОЛОСЫ РАВНОЙ ТОЛЩИНЫ
Направления распространения световой волны, отраженной от верхней и нижней границы клина, не совпадают. Отраженные и преломленные лучи встречаются, поэтому интерференционную картину при отражении от клина можно наблюдать и без использования линзы, если поместить экран в плоскость точек пересечения лучей (хрусталик глаза помещают в нужную плоскость).

Поскольку разность хода лучей, отразившихся от различных участков клина, будет неодинаковой, освещенность экрана будет неравномерной, на экране будут темные и светлые полосы (или цветные при освещении белым светом). Каждая из таких полос возникает в результате отражения от участков клина с одинаковой толщиной, поэтому их называют полосами равной толщины. При уменьшении угла клина - полосы разбегаются, при увеличении – сжимаются (наблюдаются при
угле меньше 10).

КОЛЬЦА НЬЮТОНА
Кольцевые полосы равной толщины, наблюдаемые в воздушном зазоре между соприкасающимися выпуклой сферической поверхностью линзы большой кривизны и плоской поверхностью стекла, называют кольцами Ньютона.

В отраженном свете центр темный, так как при толщине воздушной прослойки, на много меньшей, чем длина волны , разность фаз интерферирующих волн обусловлена различием в условиях отражения на двух поверхностях и близка к π (выполняется условие минимума).
В проходящем свете в центре будет светлое пятно (максимумы и минимумы поменяются местами).
С помощью колец Ньютона можно сравнительно простыми средствами приближенно определить длину волны света.

Интерференция света широко используется при спектральном анализе, для точного измерения расстояний и углов, применяется для улучшения качества оптических приборов (просветление оптики), в интерферометрах, в задачах контроля качества поверхностей, для создания светофильтров, зеркал, на явлениях интерференции света основана голография.

Дифракцией называется огибание волнами препятствий, встречающихся на их пути, или в более широком смысле - любое отклонение распространения волн вблизи препятствий от законов геометрической оптики. Благодаря дифракции волны могут попадать в область геометрической тени, огибать препятствия, проникать через небольшие отверстия в экранах и т. д.

Если расстояние от диска до экрана достаточно велико, то на экране получается дифракционная картина из чередующихся темных и светлых колец, а в центре экрана светлый кружок, так как в центр приходит энергия, обусловленная колебаниями волновой поверхности, которая примыкает непосредственно к диску, и все точки находятся в одинаковом положении, колебания в центр приходят в одинаковой фазе и усиливают друг друга.

Любое препятствие искажает фронт распространения волн. Согласно принципу Гюйгенса границы препятствия становятся вторичными источниками волн, а их интерференция за препятствием приводит к возникновению устойчивой картины - чередования максимумов и минимумов интенсивности. Эти максимумы и минимумы называют дифракционными, т.к. они произошли в результате дифракции волн.

На фото показана дифракция волн, распространяющихся слева направо за шаром. Дифракция волн практически уничтожает тень от шара, а в её центре появляется область, где интенсивность волн очень велика.

ДИФРАКЦИЯ НА ОДНОЙ ЩЕЛИ
Пусть плоская монохроматическая световая волна падает нормально плоскости узкой щели шириной а. Оптическая разность хода между крайними лучами МС и ND, идущими от щели в произвольном направлении φ,
где F- основание
перпендикуляра,
опущенного из точки
М на луч ND.

Дифракционные максимумы:

Дифракционная картина получается в виде чередующихся темных и светлых полос цвета монохроматического излучения, в центре – светлая полоса.
Положение дифракционных максимумов зависит от длины волны λ.
При освещении щели белым светом центральный максимум наблюдается в виде белой полоски; он общий для всех длин волн (при φ = 0 разность хода равна нулю для всех λ ).

Боковые максимумы радужно окрашены, так как условие максимума при любых m различно для разных λ.
Таким образом, справа и слева от центрального максимума наблюдаются максимумы первого (m = 1), второго (m = 2) и
других порядков, обращенные фиолетовым краем к центру дифракционной картины.
Однако они настолько расплывчаты, что отчетливого разделения различных длин волн с помощью дифракции на одной щели получить невозможно.

Дифракционные решетки бывают отражательные и прозрачные.
Дифракционная картина на решетке определяется как результат взаимной интерференции волн, идущих от всех щелей, т. е. в дифракционной решетке осуществляется многолучевая интерференция когерентных дифрагированных пучков света, идущих от всех щелей.
Для наглядности на рисунке показаны только две соседние щели MN и CD.

Пусть плоская монохроматическая волна падает нормально к плоскости решетки. Так как щели находятся друг от друга на одинаковых расстояниях, то разности хода лучей, идущих от двух соседних щелей, будут для данного направления φ одинаковы в пределах всей дифракционной решетки:

Главные максимумы интенсивности будут наблюдаться в направлениях, определяемых условием:
Чем больше щелей N, тем большее количество световой энергии пройдет через решетку, тем более интенсивными и более острыми будут максимумы.
Положение главных максимумов зависит от длины волны λ.

Поэтому при пропускании через решетку белого света все максимумы, кроме центрального (m = 0), разложатся в спектр, фиолетовая область которого будет обращена к центру дифракционной картины, красная - наружу. Это свойство дифракционной решетки используется для исследования спектрального состава света (определения длин волн и интенсивностей всех монохроматических компонентов), т. е. дифракционная решетка может быть использована как спектральный прибор.

Дифракционные решетки, используемые в различных областях спектра, отличаются размерами, формой, материалом поверхности, профилем штрихов и их частотой (от 6000 до 0,25 штрих/мм, что позволяет перекрывать область спектра от ультрафиолетовой его части до инфракрасной).

ЗАНЯТИЕ 74
ПОЛЯРИЗАЦИЯ ПОПЕРЕЧНЫХ ВОЛН. ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА. ПОЛЯРОИДЫ.
ДВОЙНОЕ ЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЕ. ПОНЯТИЕ О ГОЛОГРАФИИ

ПОЛЯРИЗАЦИЯ ВОЛН
Свойство поперечных волн – поляризация.
Поляризованной волной называется такая поперечная волна, в которой колебания всех частиц происходят в одной плоскости.
Такую волну можно получить с помощью резинового шнура, если на его пути поставить преграду с тонкой щелью. Щель пропустит только те колебания, которые происходят вдоль нее.

Устройство, выделяющее колебания, происходящие в одной плоскости, называется поляризатором.
Устройство, позволяющее определить плоскость поляризации (вторая щель) называется анализатором.
ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА
Опыт с турмалином – доказательство поперечности световых волн.
Кристалл турмалина – это прозрачный, зеленого цвета минерал, обладающий осью симметрии.

В луче света от обычного источника присутствуют колебания векторов напряженности электрического поля Е и магнитной индукции В всевозможных направлений, перпендикулярных направлению распространения световой волны. Такая волна называется естественной волной.
При прохождении через кристалл турмалина свет поляризуется.

У поляризованного света колебания вектора напряженности Е происходят только в одной плоскости, которая совпадает с осью симметрии кристалла.
Поляризация света после прохождения турмалина обнаруживается, если за первым кристаллом (поляризатором) поставить второй кристалл турмалина (анализатор).

При одинаково направленных осях двух кристаллов световой луч пройдет через оба и лишь чуть ослабнет за счет частичного поглощения света кристаллами.
Схема действия поляризатора и стоящего за ним анализатора:

Если второй кристалл начать поворачивать, т.е. смещать положение оси симметрии второго кристалла относительно первого, то луч будет постепенно гаснуть и погаснет совершенно, когда положение осей симметрии обоих кристаллов станет взаимно перпендикулярным.
Вывод:
Свет- это поперечная
волна.

СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА
1. Поляризация при помощи поляроидов. Поляроиды представляют собой целлулоидные пленки с нанесенным на них тончайшим слоем кристалликов сульфата йодистого хинина снаружи покрытые стеклом.

Степень поляризации тем больше, чем правильнее выдержан угол падения. Для стекла угол падения, при котором отраженный луч полностью плоско поляризован, равен 57°.

ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА:
- поляризационная микроскопия;
- поляризационные фильтры;
- плавная регулировка освещенности
с помощью двух поляроидов;
- для гашения бликов при
фотографировании (блики гасят,
поместив между источником света и отражающей поверхностью поляроид);
- для устранения слепящего
действия фар встречных машин;
- для получения голографических
изображений предметов.

ГОЛОГРАФИЯ С ЛАЗЕРНЫМ ОСВЕЩЕНИЕМ.
Вверху: часть света, отражающаяся от объекта, падает на фотографическую пластинку. Остальная часть света, называемая опорным пучком, отбрасывается на ту же пластинку зеркалом.
Два волновых фронта
интерферируют;
интерференционная картина, зарегистрированная на
пластинке, представляет
собой голограмму.

Внизу: при восстановлении изображения на голограмму направляют лазерный пучок, аналогичный опорному. Часть света (распространяющаяся справа вверх налево) имеет такой же волновой фронт, как и шедший от объекта при записи. Наблюдатель увидит в этом направлении виртуальное (мнимое) изображение - трехмерное изображение исходного объекта. Другая часть света создает действительное трехмерное изображение, которое, если его сфотографировать, будет выглядеть как обычный двумерный фотоснимок.

ЗАНЯТИЕ 75
ДИСПЕРСИЯ СВЕТА.
ВИДЫ СПЕКТРОВ.
СПЕКТРЫ ИСПУСКАНИЯ И ПОГЛОЩЕНИЯ

Дисперсией света называется зависимость показателя преломления n вещества от частоты ν (длины волн λ) света или зависимость скорости световых волн ϑ от их частоты.
Следствием дисперсии является разложение в спектр пучка белого света при прохождении его через призму. Первые экспериментальные наблюдения дисперсии света проводил в 1672 г.
И. Ньютон. Он объяснил это
явление различием масс
корпускул.

С помощью призмы, так же как с помощью дифракционной решетки, разлагая свет в спектр, можно определить его спектральный состав.

РАЗЛИЧИЯ В ДИФРАКЦИОННОМ И ПРИЗМАТИЧЕСКОМ СПЕКТРАХ
1. В дифракционном спектре меньше отклоняются фиолетовые лучи, а в призматическом – красные.
2. Дисперсионный спектр растянут в сине-фиолетовой области и сжат в красной, а дифракционный – равномерно растянут.

ВОЗНИКНОВЕНИЕ РАДУГИ
Радуга возникает из-за того, что солнечный свет испытывает преломление в капельках воды дождя или тумана, парящих в атмосфере. Эти капельки по-разному отклоняют свет разных цветов (показатель преломления воды для более длинноволнового (красного) света меньше, чем для коротковолнового (фиолетового) , поэтому красный свет меньше отклоняется при преломлении — красный на 137°30’, фиолетовый на 139°20’ и т. д.) , в результате чего белый свет разлагается в спектр.

Данное явление вызвано дисперсией. Наблюдателю кажется, что из пространства по концентрическим кругам (дугам) исходит разноцветное свечение (при этом источник яркого света всегда должен находиться за спиной наблюдателя).
Чаще всего наблюдается первичная радуга, при которой свет претерпевает одно внутреннее отражение. Ход лучей показан на рисунке справа вверху. В первичной радуге красный цвет находится снаружи дуги, её угловой радиус составляет 40—42°.

Схема образования радуги 1) сферическая капля, 2) внутреннее отражение, 3) первичая радуга, 4) преломление, 5) вторичная радуга, 6) входящий луч света, 7) ход лучей при формировании первичной радуги, 8) ход лучей при формировании вторичной радуги, 9) наблюдатель, 10-12) область формирования радуги.

Иногда можно увидеть ещё одну, менее яркую радугу вокруг первой. Это вторичная радуга, в которой свет отражается в капле два раза. Во вторичной радуге «перевёрнутый» порядок цветов — снаружи находится фиолетовый, а внутри красный. Угловой радиус вторичной радуги 50—53°. Небо между двумя радугами обычно имеет заметно более темный
оттенок. В горах и других
местах, где очень чистый
воздух, можно наблюдать
третью радугу (угловой
радиус порядка 60°).

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА
1. В металлургии
2. В машиностроении
3. В атомной индустрии
4. В криминалистике
5. В химической промышленности
6. В астрофизике
7. В горном деле

ЭФФЕКТ ДОПЛЕРА
Эффект Доплера - изменение частоты (длины волны) излучения, связанное со скоростью относительного движения источника и приёмника излучения.

Красное смещение в спектрах далёких галактик. Чем дальше от нас находится галактика, тем быстрее она удаляется. За счёт эффекта Доплера длина волны принятого на Земле её излучения становится тем больше, чем выше её скорость.

ЗАНЯТИЕ 76
ИНФРАКРАСНОЕ И УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЯ.
РЕНТГЕНОВСКИЕ ЛУЧИ.
ИХ ПРИРОДА И СВОЙСТВА

ИНФРАКРАСНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ.
Электромагнитное излучение с частотами в диапазоне от 3 • 1011 до 3,75 • 1014 Гц называется инфракрасным излучением. Его испускает любое нагретое тело даже в том случае, когда оно не светится. Например, батареи отопления в квартире испускают инфракрасные волны, вызывающие заметное нагревание окружающих тел. Поэтому инфракрасные волны часто называют тепловыми.

Не воспринимаемые глазом инфракрасные волны имеют длины волн, превышающие длину волны красного света (длина волны λ = 780 нм — 1 мм).
Существуют тепловые и фотоэлектрические приёмники ИК излучения: термоэлементы, фотоэлементы, фоторезисторы. Специальные фотоплёнки и пластинки — инфрапластинки (сенсибилизированные фотопластинки) — также чувствительны к ИК излучению (до λ = 1,2 мкм), потому могут быть получены фотографии.

Поверхность Земли и облака поглощают видимое и невидимое излучение от солнца и переизлучают большую часть энергии в виде инфракрасного излучения обратно в атмосферу. Некоторые вещества в атмосфере, главным образом капли воды и водяной пар, а также диоксид углерода, метан, азот, гексафторид серы и хлорфторуглерод поглощают это инфракрасное излучение и вновь излучают его во всех направлениях, включая обратно на Землю.

Таким образом, парниковый эффект удерживает атмосферу и поверхность в более нагретом состоянии, чем если бы инфракрасные поглотители отсутствовали в атмосфере.
ИК излучение обладает ярко выраженным тепловым действием.
ИК излучение проходит через стекло, но задерживается облаками.
Очень сильное инфракрасное излучение в местах высокого нагрева может высушивать слизистую оболочку глаз. В таких ситуациях необходимо надевать специальные защитные очки для глаз.

ПРИМЕНЕНИЕ
1. Приборы ночного видения.
2. Тепловизоры.
3. В медицине.
4. Для сушки лакокрасочных покрытий, овощей, фруктов.
5. Инфракрасное наведение на цель снарядов и ракет.
6. Инфракрасный обогреватель.
7. Инфракрасная астрономия.
8. Инфракрасная спектроскопия (получение важных сведений о строении атомов и молекул).
9. Передача данных (волоконно-оптические системы связи).
10. В пультах дистанционного управления.

УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
Электромагнитное излучение с частотами в диапазоне от 8 • 1014 до 3 • 1016 Гц называется ультрафиолетовым излучением (длина волны λ = 10—380 нм). УФ лучи создают тела с температурой выше 30000 С, они входят в состав Солнечного света, света электрической дуги с угольными электродами, газоразрядными лампами (водородными, кварцевыми, ксеноновыми, бактерицидными).

Обнаружить ультрафиолетовое излучение можно с помощью фотоэлементов, фотоумножителей, экрана, покрытого люминесцирующим веществом.
Экран начинает светиться в той части, на которую падают лучи, лежащие за фиолетовой областью спектра. Ультрафиолетовое излучение отличается высокой химической активностью.
Повышенную чувствительность к ультрафиолетовому излучению имеет фотоэмульсия.

В этом можно убедиться, спроецировав спектр в затемненном помещении на фотобумагу. После проявления бумага почернеет за фиолетовым концом спектра сильнее, чем в области видимого спектра. Ультрафиолетовые лучи не вызывают зрительных образов: они невидимы, не проходят сквозь стекло (проходят через кварцевое стекло), но легко проникают через облака.
В малых дозах УФ лучи
оказывают целебное
действие.

Умеренное пребывание на солнце полезно, особенно в юном возрасте: ультрафиолетовые лучи способствуют росту и укреплению организма. Кроме прямого действия на ткани кожи (образование защитного пигмента — загара, витамина D2), ультрафиолетовые лучи оказывают влияние на центральную нервную систему, стимулируя ряд важных жизненных функций в организме.
Ультрафиолетовые лучи
оказывают также
бактерицидное действие.

Они убивают болезнетворные бактерии и используются с этой целью в медицине. Действие УФ излучения на сетчатку глаза и кожу велико и разрушительно. Ультрафиолетовое излучение Солнца недостаточно поглощается верхними слоями атмосферы. Поэтому высоко в горах нельзя оставаться длительное время без одежды и без темных очков. Стеклянные очки, прозрачные для видимого спектра, защищают глаза oт ультрафиолетового излучения, так как стекло сильно поглощает ультрафиолетовые лучи.

ПРИМЕНЕНИЕ
1. В фотографии.
2. Для обнаружения скрытых
надписей и стертого текста. В криминалистике. Для защиты документов от подделки их часто снабжают особыми метками, которые видны только при ультрафиолетовом освещении. Большинство паспортов, банковских карт, а также банкноты различных стран содержат защитные элементы в виде краски
или нитей, люминесцирующих в ультрафиолете.

4. Для изучения строения наружных электронных оболочек атомов.
5. В медицине и косметологии
(для лечения некоторых
заболеваний и дезинфекции).
6. Ультрафиолетовое
излучение используется и в
развлекательных целях: для создания световых эффектов на сцене театра, в баре, на дискотеке.
7. Используется при экспертизе картин и других художественных произведений.
8. Широко используется на предприятиях пищевой промышленности.
9. В полиграфии.

Рентгеновское излучение —
это излучение с частотами
в диапазоне от
3 • 1016 до 3 • 1020 Гц.
Рентген Вильгельм
(1845—1923)— немецкий физик, обнаруживший в 1895 г. коротковолновое электромагнитное излучение — рентгеновские лучи. Лучи, открытые Рентгеном, действовали на фотопластинку, вызывали ионизацию воздуха, но заметным образом не отражались от каких-либо веществ и не испытывали преломления.

Электромагнитное поле не оказывало никакого влияния на направление их распространения.
Сразу же возникло предположение, что рентгеновские лучи — это электромагнитные волны, которые излучаются при резком торможении электронов. Такой спектр называется тормозным и имеет сплошной спектр. Большая проникающая способность рентгеновских лучей и прочие их особенности связывались с малой длиной волны. Чем меньше длина волны, тем жестче излучение.

Но эта гипотеза нуждалась
в доказательствах, и
доказательства были
получены в 1912 году
(получена дифракция
рентгеновских лучей на природном кристалле цинковой обманки).
На рисунках - лауэграммы
NaCl и берилла. Длина волны
рентгеновского излучения
от 10 до 0,001 нм.

Некоторые электроны, разогнанные до больших скоростей, могут проникнуть внутрь атома анода и выбить электрон из внутреннего слоя, тогда на его место переходит электрон с более удаленного слоя с излучением кванта большой энергии (возникает характеристическое излучение, имеющее определенные длины волн, характерные для данного химического элемента, которое накладывается на сплошной спектр).
Рентгеновское излучение сильно поглощают атомы тяжелых элементов (свинец).

Напряжение на лампе от 50 до 200 кВ