КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

-Які основні положення і висновки корпускулярної і хвильової теорій світла? Чому виникло уявлення про подвійну корпускулярно - хвильову природу світла?

- Що таке оптична довжина шляху? оптична різниця ходу?

- Два когерентних світлових пучка з оптичною різницею ходу, интерферируют в деякій точці. Максимум або мінімум спостерігається в цій точці? Чому?

- Чому інтерференцію можна спостерігати від двох лазерів і не можна від двох електроламп?

- Что такое полосы равной толщины и равного наклона? Где они локализованы?

- Що таке смуги рівної товщини і рівного нахилу? Де вони локалізовані?

- У чому полягає принцип Гюйгенса?

- Які доповнення Френеля до принципу Гюйгенса?

- У чому полягає принцип побудови зон Френеля?

- У чому полягає принцип дії зонних пластинок?

- Коли спостерігається дифракція Френеля? дифракція Фраунгофера?

- Як визначити найбільший порядок спектра дифракційної решітки?

- Чому при використанні білого світла тільки центральний максимум білий, а бічні максимуми райдужно пофарбовані?

- Чому штрихи на дифракційної решітці повинні бути тісно розташовані один до одного?

- Чому їх має бути велике число?

- Запишіть умови дифракційних мінімумів для однієї щілини і головних максимумів для решітки. Який характер цих дифракційних картин?

- Що називається природним світлом? плоскополяризованим? частково поляризований?

- Як практично можна відрізнити плоскополяризоване світло від природного?

- Інтенсивність природного світла, пропущеного через два поляризатора, зменшилася вдвічі. Як орієнтовані поляризатори?

- Яки властивісті має кут Брюстера?

- Покажіть, що при виконанні закону Брюстера відбитий і заломлений промені взаємно перпендикулярні.

РЕЗЮМЕ

- К орпуспулярно-хвильовий дуалізм світла означає, що світло являє собою єдність дискретності (випромінювання, поширення квантів ствітла - фотонів, поглинання квантів речовиною) і безперервності (хвильові процеси, які мають місце прі інтерференції, діфракції та полярізаціїї світла)

- Д обудок геометричній довжини шляху світлової хвилі в даному середовищі на показник заломлення цього середовища називається оптичною довжиною шляху

-Різниця оптичних довжин шляхів, - називається оптичною різницею ходу.

-Якщо оптична різниця ходу дорівнює цілому числу хвиль у вакуумі, то коливання, порушувані в точці М обома хвилями, будуть відбуватися в однаковій фазі (спостерігається інтерференційний максимум).

-При пропущенні через дифракційну решітку білого світла всі максимуми, крім центрального, разложатся в спектр, фіолетова область якого буде звернена до центру дифракційної картини, червона - назовні.

-Коливання від сусідніх зон Френеля проходять до точки спостереження відстані, що відрізняються на λ/2, тому вони приходять в протилежній фазі і при накладенні ці коливання будуть взаємно послаблювати одне одного.

-Дія всієї хвильової поверхні зони Френеля на точку М зводиться до дії її малої ділянки, меншої ніж центральна зона.

- Принцип Гюйгенса-Френеля дозволяє пояснити прямолінійне поширення світла в однорідному середовищі, а також огибание світловою хвилею перешкод, розмір яких можливо порівняти з довжиною світлової хвилі.

 

ТЕПЛОВЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ.

ФОРМУЛА ПЛАНКА. ФОТОНИ.

Зміст лекції. Фотоефект. Ефект Компотна. Спектральна густина енергетичної світності та спектральна поглинальна здатність тіла. Закони Кирхгофа, Ст ефана-Больцмана, Віна. Формула Релєя-Джинса. Гіпотеза Планка. Формула Планка. Фотони. Закони зовнішнього фотоефекту. Формула Ейнштейна для фотоефекту. Використання фотоефекту. Ефект Комптона. Корпускулярно - хвильовий дуалізм у природі світла.

Тепловое излучение и его характеристики. Тела, нагретые до достаточно высоких температур, светятся. Свечение тел, обусловленное нагреванием, называется тепловым (температурным) излучением. Тепловое излучение, являясь самым распространенным в природе, совершается за счет энергии теплового движения атомов и молекул вещества (т. е. за счет его внутренней энергии) и свойственно всем телам при температуре выше 0 К. Тепловое излучение характеризуется сплошным спектром, положение максимума которого зависит от температуры. При высоких температурах излучаются короткие (видимые и ультрафиолетовые) электромагнитные волны, при низких - преимущественно длинные (инфракрасные).

Тепловое излучение - практически единственный вид излучения, который может быть равновесным. Предположим, что нагретое (излучающее) тело помещено в полость, ограниченную идеально отражающей оболочкой. С течением времени, в результате непрерывного обмена энергией между телом и излучением, наступит равновесие, т.е. тело в единицу времени будет поглощать столько же энергии, сколько и излучать. Допустим, что равновесие между телом и излучением по какой-либо причине нарушено и тело излучает энергии больше, чем поглощает. Если в единицу времени тело больше излучает, чем поглощает (или наоборот), то температура тела начнет понижаться (или повышаться). В результате будет ослабляться (или возрастать) количество излучаемой телом энергии, пока, наконец, не установится равновесие. Все другие виды излучения неравновесны.

Количественной характеристикой теплового излучения служит спектральная плотность энергетической светимости (излучательности) тела - мощность излучения с единицы площади поверхности тела в интервале частот единичной ширины:

где - энергия электромагнитного излучения, испускаемого за единицу времени (мощность излучения) с единицы площади поверхности тела в интервале частот от n до n+ d n.

Единица спектральной плотности энергетической светимости (R _{, T})  джоуль на метр в квадрате в секунду (Дж/(м^2.с)).

Записанную формулу можно представить в виде функции длины волны:

Так как c = λ×ν, то

где знак минус указывает на то, что с воз­растанием одной из величин ( или ) другая величина убывает. Поэтому в даль­нейшем знак минус будем опускать. Таким образом,

.

С помощью єтой формулы можно перейти от R _{n, T} к R _{l, T} и наоборот.

Зная спектральную плотность энергетической светимости, можно вычислить интегральную энергетическую светимость (интегральную излучательность) (ее называют просто энергетической светимостью тела), просуммировав по всем частотам:

.

Способность тел поглощать падающее на них излучение характеризуется спектральной поглощательной способностью

,

показывающей, какая доля энергии, приносимой за единицу времени на единицу площади поверхности тела падающими на нее электромагнитными волнами с частотами от n до n+ d n, поглощается телом. Спектральная поглощательная способность - величина безразмерная. R _{n, T} и А_{n, T} зависят от природы тела, его термо­динамической температуры и при этом раз­личаются для излучений с различными частотами. Поэтому эти величины относят к определенным T и n (вернее, к достаточ­но узкому интервалу частот от n до n+ d n).

Тело, способное поглощать полностью при любой температуре все падающее на него излучение любой частоты, называется черным. Следовательно, спектральная поглощательная способность черного тела для всех частот и температур тождествен­но равна единице (). Абсолютно черных тел в природе нет, однако такие тела, как сажа, платиновая чернь, черный бархат и некоторые другие, в определенном интервале частот по своим свойствам близки к ним.

Идеальной моделью черного тела является замкнутая полость с небольшим отверстием О, внутренняя поверхность ко­торой зачернена (рис.286). Луч света, попавший внутрь такой полости, испытывает многократные отражения от стенок, в результате чего интенсивность вышед­шего излучения оказывается практически равной нулю. Опыт показывает, что при размере отверстия, меньшего 0,1 диаметра полости, падающее излучение всех частот «полностью поглощается». Вследствие этого открытые окна домов со стороны улицы кажутся черными, хотя внутри ком­нат достаточно светло из-за отражения света от стен.

Наряду с понятием черного тела ис­пользуют понятие серого тела - тела, поглощательная способность которого мень­ше единицы, но одинакова для всех частот и зависит только от температуры, матери­ала и состояния поверхности тела. Таким образом, для серого тела .

Исследование теплового излучения сыграло важную роль в создании квантовой теории света, поэтому необходимо рассмотреть законы, которым оно подчиняется.

Закон Кирхгофа. Кирхгоф, опираясь на второй закон термодинамики и анализируя условия равновесного излучения в изолированной системе тел, установил количественную связь между спектральной плотностью энергетической светимости и спектральной поглощательной способностью тел. Отношение спектральной плотности энергетической све­тимости к спектральной поглощательной способности не зависит от природы тела; оно является для всех тел универсальной функцией частоты (длины волны) и темпе­ратуры(закон Кирхгофа):

 

Для черного тела , поэтому из закона Кирхгофа вытекает, что для черного тела равна . Таким образом, универсальная функция Кирхгофа есть не что иное, как спектральная плотность энергетической светимости черного тела. Следовательно, согласно закону Кирхгофа, для всех тел отношение спектральной плотности энергетической светимости к спектральной поглощательной способности равно спектральной плотности энергетической светимости черного тела при той же температуре и частоте.

Из закона Кирхгофа следует, что спектральная плотность энергетической светимости любого тела в любой области спектра всегда меньше спектральной плотности энергетической светимости черного тела (при тех же значениях T и n), так как A _{n ,T} <1 и поэтому R _{n ,T}<r _{n ,T}. Кроме того, из закона Кирхгофа вытекает, что если тело не поглощает электромагнитные волны ка­кой-то частоты, то оно их и не излучает, так как при A _{n ,T} =0 R _{n ,T} =0.

Используя закон Кирхгофа, выражению для энергетической светимости тела можно придать вид

Для серого тела

где - энергетическая светимость черного тела (зависит только от температуры).

Закон Кирхгофа описывает только тепловое излучение, являясь настолько характерным для него, что может служить надежным критерием для определения природы излучения. Излучение, которое закону Кирхгофа не подчиняется, не является тепловым.