Урок 25 / III-1 Поширення світла в різних середовищах. Заломлення світла на межі поділу двох середовищ.

Вивчення нового матеріалу.

До сих пір ми розглядали поширення світла в одному середовищі, як зазвичай - в повітрі. Світло може поширюватися в різних середовищах: переходити з одного середовища в іншу; в точках падіння промені не тільки відбиваються від поверхні, але і частково проходять через неї. Такі переходи викликають чимало красивих і цікавих явищ.

Зміна напрямку поширення світла, що проходить через кордон двох середовищ, називають заломленням світла.

Частьсветового променя, падаючого на кордон розділу двох прозорих середовищ, відбивається, а частина переходить в інше середовище. При цьому напрямок світлового променя, який перейшов в іншу середу, змінюється. Тому явище називається заломленням, а промінь - заломленим.

1 - падаючий промінь

2 - відбитий промінь

3 - переломлений промінь α β

ГО 1 - межа розділу двох середовищ

MN - перпендикуляр Про О 1

Кут, утворений променем і перпендикуляром до межі поділу двох середовищ, опущеним в точку падіння променя, називається кутом заломлення γ (гамма).

Світло в вакуумі поширюється зі швидкістю 300000 км / с. У будь-якому середовищі швидкість світла завжди менше, ніж у вакуумі. Тому при переході світла з одного середовища в іншу, його швидкість зменшується і це є причиною заломлення світла. Чим менше швидкість поширення світла в даному середовищі, тим більшою оптичною щільністю володіє дана середу. Так, наприклад, повітря має більше оптичну щільність, ніж вакуум, тому що в повітрі швидкість світла дещо менше, ніж у вакуумі. Оптична щільність води більше, ніж оптична щільність повітря, так як швидкість світла в повітрі більше, ніж у воді.

Чим більше відрізняються оптичні щільності двох середовищ, тим більше заломлюється світло на кордоні їх розділу. Чим більше змінюється швидкість світла на межі поділу двох середовищ, тим сильніше воно заломлюється.

Для кожного прозорої речовини існує така важлива фізична характеристика, як показник заломлення світла n. Він показує, у скільки разів швидкість світла в даній речовині, менше, ніж у вакуумі.

Показник заломлення світла

Співвідношення значень кута падіння і кута заломлення залежить від оптичної щільності кожної з середовища. Якщо промінь світла переходить із середовища з меншою оптичною густиною в середу з більшою оптичною щільністю, то кут заломлення буде меншим, ніж кут падіння. Якщо промінь світла переходить із середовища з більшою оптичною щільністю, то кут заломлення буде меншим, ніж кут падіння. Якщо промінь світла переходить із середовища з більшою оптичною щільністю в середу з меншою оптичною густиною, то кут заломлення більше, ніж кут падіння.

Тобто, якщо n 1 γ; якщо n 1\u003e n 2, то α<γ.

Закон заломлення світла :

Промінь падаючий, промінь переломлений і перпендикуляр до межі поділу двох середовищ у точці падіння променя, лежать в одній площині.

Співвідношення кута падіння і кута заломлення визначаються формулою.

де - синус кута падіння, - синус кута заломлення.

Значення синусів и тангенсов для кутів 0 - 900

Закон заломлення світла вперше сформулював голландський астроном і математик В. Снеліус близько 1 626 г, професор Лейденського університету (1613 г).

Для XVI століття оптика була ультрасучасної наукой.Із скляної кулі, наповненого водою, яким користувалися як лінзою, виникло збільшувальне скло. А з нього винайшли підзорну трубу і мікроскоп. У той час Нідерландам потрібні були підзорні труби для розглядання берега і своєчасно втекти від ворогів. Саме оптика забезпечила успіх і надійність навігації. Тому в Нідерландах дуже багато вчених цікавилися саме оптикою. Голландець Скель Ван Ройен (Снеліус) наблюдад, як тонкий промінь світла відбивався в дзеркалі. Він вимірював кут падіння і кут відображення і встановив: кут відбиття дорівнює куту падіння. Йому ж належать закони відбиття світла. Він вивів закон заломлення світла.

Розглянемо закон заломлення світла.

У ній - відносний показник заломлення другого середовища відносно першого, в разі, коли друге має велику оптичну щільність. Якщо світло заломлюється і проходить з середи з меншою оптичною густиною, тоді α< γ, тогда

Якщо першою середовищем є вакуум, то n 1 \u003d 1 то.

Даний показник називають абсолютним показником заломлення другого середовища:

де - швидкість світла у вакуумі, швидкість світла в даному середовищі.

Наслідком заломлення світла в атмосфері Землі є той факт, що ми бачимо Сонце і зірки трохи вище їх реального стану. Заломленням світла можна пояснити виникнення міражів, веселки ... явище заломлення світла є основою принципу роботи численних оптичних пристроїв: мікроскопа, телескопа, фотоапарата.

Повідомлення від адміністратора:

Хлопці! Хто давно хотів вивчити англійську?
Переходьте по і отримаєте два безкоштовних уроку в школі англійської мови SkyEng!
Займаюся там сам - дуже круто. Прогрес в наявності.

У додатку можна вчити слова, тренувати аудіювання та вимову.

Спробуйте. Два уроку безкоштовно по моїй посиланням!
тисніть

Є ніщо інше, як відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення

Показник заломлення залежить від властивостей речовини і довжини хвилі випромінювання, для деяких речовин показник заломлення досить сильно змінюється при зміні частоти електромагнітних хвиль від низьких частот до оптичних і далі, а також може ще більш різко змінюватися в певних областях частотної шкали. За замовчуванням звичайно мається на увазі оптичний діапазон або діапазон, який визначається контекстом.

Величина n, при інших рівних умовах, зазвичай менше одиниці при переході променя з середовища більш щільною в середу менш щільну, і більше одиниці при переході променя з середовища менш щільною в середу більш щільну (наприклад, з газу або з вакууму в рідину або тверде тіло ). Є винятки з цього правила, і тому прийнято називати середу оптично більш-менш щільною, ніж інша (не плутати з оптичною щільністю як мірою непрозорості середовища).

У таблиці наведено деякі значення показника заломлення для деяких середовищ:

Середовище, що має великим показником заломлення, називається оптично більш щільною. Зазвичай вимірюється показник заломлення різних середовищ щодо повітря. Абсолютний показник заломлення повітря дорівнює. Таким чином, абсолютний показник заломлення будь-якої середовища пов'язаний з її показником заломлення щодо повітря формулою:

Якщо хвиля світла падає на плоску межу, що розділяє два діелектрика, що мають різні величини відносних діелектричної проникності, то ця хвиля відбивається від кордону розділу і заломлюється, проходячи з одного діелектрика в інший. Заломлення силу прозорого середовища характеризують за допомогою коефіцієнта заломлення, який частіше називають показником заломлення.

Абсолютний показник заломлення

ВИЗНАЧЕННЯ

Абсолютним показником заломлення називають фізичну величину, рівну відношенню швидкості поширення світла у вакуумі () до фазової швидкості світла в середовищі (). Позначають даний показник заломлення буквою. Математично це визначення показника заломлення запишемо як:

Для будь-якої речовини (виняток становить вакуум), величина коефіцієнта заломлення залежить від частоти світла і властивостей речовини (температури, щільності і т.д). Для розріджених газів показник заломлення приймають рівним.

Якщо речовина є анізотропним, то n залежить від напрямку, по якому світло поширюється і яким чином поляризована світлова хвиля.

Виходячи з визначення (1) абсолютний коефіцієнт заломлення можна знайти як:

де - діелектрична проникність середовища, - магнітна проникність середовища.

Показник заломлення може бути комплексною величиною в поглинаючих середовищах. В діапазоні оптичних хвиль при \u003d 1, діелектричну проникність записують як:

тоді показник заломлення:

де дійсна частина коефіцієнта заломлення, що дорівнює:

відображає переломлення, уявна частина:

відповідає за поглинання.

Відносний показник заломлення

ВИЗНАЧЕННЯ

Відносним показником заломлення () Другого середовища відносно першого називають відношення фазових швидкостей світла в першому речовині до фазової швидкості в другому речовині:

де - абсолютний показник заломлення другого середовища, - абсолютний показник заломлення першого речовини. У тому випадку, якщо title \u003d "(! LANG: Rendered by QuickLaTeX.com" height="16" width="60" style="vertical-align: -4px;">, то вторая среда считается оптически более плотной, чем первая.!}

Для монохроматичних хвиль, довжини яких багато більше, ніж відстань між молекулами в речовині виконується закон Снеллиуса:

де - кут падіння, - кут заломлення, - відносний показник заломлення речовини в якому відбувається поширення зламаного світла, щодо середовища в якій поширювалася падаюча хвиля світла.

Одиниці виміру

Показник заломлення величина безрозмірна.

Приклади розв'язання задач

ПРИКЛАД 1

завдання	Яким буде граничний кут повного внутрішнього відображення () якщо промінь світла переходить зі скла в повітря. Показник заломлення скла вважати рівним n \u003d 1,52.
Рішення	При повному внутрішньому відбитті кут заломлення () більше або дорівнює ). Для кута закон заломлення трансформується до виду: так як кут падіння променя дорівнює куту відбиття, то можна записати, що: За умовами завдання промінь переходить з стікав в повітря, це означає, що Проведемо обчислення:
відповідь

ПРИКЛАД 2

Квиток 75.

Закон відбиття світла: Падаючий і відбитий промені, а також перпендикуляр до межі поділу двох середовищ, відновлений в точці падіння променя, лежать в одній площині (площина падіння). Кут відображення γ дорівнює куту падіння α.

Закон заломлення світла: Падаючий і заломлений промені, а також перпендикуляр до межі поділу двох середовищ, відновлений в точці падіння променя, лежать в одній площині. Ставлення синуса кута падіння α до синусу кута заломлення β є величина, постійна для двох даних середовищ:

Закони відбивання і заломлення знаходять пояснення в хвильової фізики. Згідно хвильовим уявленням, переломлення є наслідком зміни швидкості поширення хвиль при переході з одного середовища в іншу. Фізичний сенс показника заломлення - це відношення швидкості поширення хвиль в першому середовищі υ 1 до швидкості їх поширення в другій середовищі υ 2:

Рис 3.1.1 ілюструє закони відображення і заломлення світла.

Середу з меншим абсолютним показником заломлення називають оптично менш щільною.

При переході світла з оптично більш щільного середовища в оптично менш щільну n 2< n 1 (например, из стекла в воздух) можно наблюдать явище повного відбиття, Тобто зникнення переломленого променя. Це явище спостерігається при кутах падіння, що перевищують певний критичний кут α пр, який називається граничним кутом повного внутрішнього відображення (Див. Рис. 3.1.2).

Для кута падіння α \u003d α пр sin β \u003d 1; значення sin α пр \u003d n 2 / n 1< 1.

Якщо другий середовищем є повітря (n 2 ≈ 1), то формулу зручно переписати у вигляді

Явище повного внутрішнього відображення знаходить застосування в багатьох оптичних приладах. Найбільш цікавим і практично важливим застосуванням є створення волоконних світловодів, які представляють собою тонкі (від декількох мікрометрів до міліметрів) довільно вигнуті нитки з оптично прозорого матеріалу (скло, кварц). Світло, що потрапляє на торець світловода, може поширюватися по ньому на великі відстані за рахунок повного внутрішнього відбиття від бічних поверхонь (рис 3.1.3). Науково-технічний напрям, що займається розробкою і застосуванням оптичних світловодів, називається волоконної оптикою.

ДІСП "рсія све" та (розкладання світла) - це явище, обумовлене залежністю абсолютного показника заломлення речовини від частоти (або довжини хвилі) світла (частотна дисперсія), або, те ж саме, залежність фазової швидкості світла в речовині від довжини хвилі (або частоти). Експериментально відкрита Ньютоном близько 1672 року, хоча теоретично досить добре пояснена значно пізніше.

просторовою дисперсією називається залежність тензора діелектричної проникності середовища від хвильового вектора. Така залежність викликає ряд явищ, званих ефектами просторової поляризації.

Один з найбільш наочних прикладів дисперсії - розкладання білого світла при проходженні його через призму (досвід Ньютона). Сутністю явища дисперсії є відмінність швидкостей поширення променів світла c різною довжиною хвилі в прозорому речовині - оптичному середовищі (тоді як у вакуумі швидкість світла завжди однакова, незалежно від довжини хвилі і отже кольору). Звичайно чим більше частота світлової хвилі, тим більше показник заломлення середовища для неї і тим менше швидкість хвилі в середовищі:

Досліди Ньютона Досвід з розкладання білого світла в спектр: Ньютон направив промінь сонячного світла через маленький отвір на скляну призму. Потрапляючи на призму, промінь заломлюється і давав на протилежній стіні подовжене зображення з райдужним чергуванням кольорів - спектр. Досвід по проходженню монохроматичного світла через призму: Ньютон на шляху сонячного променя поставив червоне скло, за яким отримав монохроматичне світло (червоний), далі призму і спостерігав на екрані тільки червона пляма від променя світла. Досвід по синтезу (отримання) білого світла: Спочатку Ньютон направив сонячний промінь на призму. Потім, зібравши вийшли з призми кольорові промені за допомогою збиральної лінзи, Ньютон на білій стіні отримав замість забарвленої смуги біле зображення отвори. Висновки Ньютона: - призма не змінює світ, а тільки розкладає його на складові - світлові промені, що відрізняються за кольором, відрізняються за ступенем преломляемости; найбільш сильно переломлюються фіолетові промені, менш сильно - червоні - червоне світло, який менше заломлюється, має найбільшу швидкість, а фіолетовий - найменшу, тому призма і розкладає світло. Залежність показника заломлення світла від його кольору називається дисперсією.

висновки: - призма розкладає світло - біле світло є складним (складовим) - фіолетові промені заломлюються сильніше червоних. Колір променя світла визначається його частотою коливань. При переході з одного середовища в іншу змінюються швидкість світла і довжина хвилі, а частота, яка визначає колір залишається постійною. Межі діапазонів білого світла і його складових прийнято характеризувати їх довжинами хвиль в вакуумі. Білий світ - це сукупність хвиль довжинами від 380 до 760 нм.

Квиток 77.

Поглинання світла. закон Бугера

Поглинання світла в речовині пов'язане з перетворенням енергії електромагнітного поля хвилі в теплову енергію речовини (або в енергію вторинного фотолюмінесцентного випромінювання). Закон поглинання світла (закон Бугера) має вигляд:

I \u003d I 0 exp (- x),(1)

де I 0 , I -інтенсивності світла на вході (Х \u003d 0) і виході з шару середовища товщини х, - коефіцієнт поглинання, він залежить від  .

Для діелектриків  =10 -1  10 -5 м -1 , Для металів  =10 5  10 7 м -1 , тому метали непрозорі для світла.

залежністю  ( ) пояснюється забарвленість поглинаючих тіл. Наприклад, скло, слабо поглинає червоне світло, при висвітленні білим світлом буде здаватися червоним.

Розсіювання світла. закон Релея

Дифракція світла може відбуватися в оптично неоднорідному середовищі, наприклад в каламутній середовищі (дим, туман, запилений повітря і т.п.). Діфрагіруя на неоднорідностях середовища, світлові хвилі створюють дифракційну картину, що характеризується досить рівномірним розподілом інтенсивності в усіх напрямках.

Таку дифракцию на дрібних неоднорідностях називають розсіюванням світла.

Це явище спостерігається, якщо вузький пучок сонячних променів проходить через запилене повітря, розсіюється на порошинки і стає видимим.

Якщо розміри неоднорідностей малі в порівнянні з довжиною хвилі (не більше ніж 0,1  ), То інтенсивність розсіяного світла виявляється обернено пропорційна четвертого ступеня довжини хвилі, тобто

I расс ~ 1/  4 , (2)

ця залежність носить назву закону Релея.

Розсіювання світла спостерігається також і в чистих середовищах, що не містять сторонніх часток. Наприклад, воно може відбуватися на флуктуаціях (випадкових відхиленнях) щільності, анізотропії або концентрації. Таке розсіювання називають молекулярним. Воно пояснює, наприклад, блакитний колір неба. Дійсно, згідно з (2) блакитні і сині промені розсіюються сильніше, ніж червоні і жовті, тому що мають меншу довжину хвилі, обумовлюючи тим самим блакитний колір неба.

Квиток 78.

поляризація світла - сукупність явищ хвильової оптики, в яких проявляється поперечності електромагнітних світлових хвиль. поперечна хвиля - частинки середовища коливаються в напрямках, перпендикулярних до напрямку поширення хвилі ( рис.1).

рис.1 поперечна хвиля

Електромагнітна світлова хвиля плоскополяризоване(Лінійна поляризація), якщо напрямку коливань векторів E і B строго фіксовані і лежать в певних площинах ( рис.1). Плоскополяризоване світлова хвиля називається плоскополяризованим (Лінейнополярізованним) світлом. неполяризована(Природна) хвиля - електромагнітна світлова хвиля, в якій напрямки коливань векторів E і B в цій хвилі можуть лежати в будь-яких площинах, перпендикулярних вектору швидкості v. неполяризоване світло - світлові хвилі, у яких напряму коливань векторів E і B хаотично змінюються так, що різновірогідні всі напрямки коливань в площинах, перпендикулярних до променя поширення хвилі ( рис.2).

рис.2 неполяризоване світло

поляризовані хвилі - у яких напрями векторів E і B зберігаються незмінними в просторі або змінюються за певним законом. Випромінювання, у якого напрямок вектора Е змінюється хаотично - неполяризована. Прикладом такого випромінювання може бути теплове випромінювання (хаотично розподілені атоми й електрони). площина поляризації - це площина, перпендикулярна напряму коливань вектора Е. Основний механізм виникнення поляризованого випромінювання - розсіювання випромінювання на електронах, атомах, молекулах, порошинки.

1.2. види поляризації Існує три види поляризації. Дамо їм визначення. 1. Лінійна Виникає, якщо електричний вектор Е зберігає своє положення в просторі. Вона як би виділяє площину, в якій коливається вектор Е. 2. Кругова Це поляризація, яка виникає, коли електричний вектор Е обертається навколо напрямку поширення хвилі з кутовий швидкістю, рівній кутовий частоті хвилі, і зберігає при цьому свою абсолютну величину. Така поляризація характеризує напрямок обертання вектора Е в площині, перпендикулярній променю зору. Прикладом є циклотронне випромінювання (система електронів, що обертаються в магнітному полі). 3. Еліптична Виникає тоді, коли величина електричного вектора Е змінюється так, що він описує еліпс (обертання вектора Е). Еліптична і кругова поляризація буває правою (обертання вектора Е відбувається за годинниковою стрілкою, якщо дивитися назустріч розповсюджується хвилі) і лівої (обертання вектора Е відбувається проти годинникової стрілки, якщо дивитися назустріч розповсюджується хвилі).

Реально, найчастіше зустрічається часткова поляризація (Частково поляризовані електромагнітні хвилі). Кількісно вона характеризується деякою величиною, званої ступенем поляризації Р, Яка визначається як: P \u003d (Imax - Imin) / (Imax + Imin) де Imax , Imin - найбільша і найменша щільність потоку електромагнітної енергії через аналізатор (поляроїд, призму Ніколя ...). На практиці, поляризацію випромінювання часто описують параметрами Стокса (визначають потоки випромінювання з заданим напрямом поляризації).

квиток 79.

Якщо природне світло падає на межу поділу двох діелектриків (наприклад, повітря і скла), то частина його відбивається, а частина заломлюється в поширюється в другому середовищі. Встановлюючи на шляху відбитого і зламаного променів аналізатор (наприклад, турмалін), переконуємося в тому, що відбитий і заломлений промені частково поляризовані: при обертанні аналізатора навколо променів інтенсивність світла періодично усалівается і слабшає (повного гасіння не спостерігається!). Подальші дослідження показали, що у відбитому промені переважають коливання, перпендикулярні до площини падіння (на рис. 275 вони позначені точками), в переломленому - коливання, паралельні площині падіння (зображені стрілками).

Ступінь поляризації (ступінь виділення світлових хвиль з певною орієнтацією електричного (і магнітного) вектора) залежить від кута падіння променів і показника заломлення. шотландський фізик Д. Брюстер (1781-1868) встановив закон, Згідно з яким при куті падіння i B (кут Брюстера), що визначається співвідношенням

(n 21 - показник заломлення другого середовища відносно першого), відбитий промінь є плоскополяризованим (Містить тільки коливання, перпендикулярні до площини падіння) (рис. 276). Заломлений же промінь при куті падінняi B поляризується максимально, але не повністю.

Якщо світло падає на межу поділу під кутом Брюстера, то відбитий і заломлений промені взаємно перпендикулярні (tg i B \u003d sin i B / cos i B, n 21 = sin i B / sin i 2 (i 2 - кут заломлення), звідки cos i B \u003d sin i 2). отже, i B + i 2 =  / 2, але i’ B \u003d i B (закон відбиття), тому i’ B + i 2 =  /2.

Ступінь поляризації відбитого і зламаного світла при різних кутах падіння можна розрахувати з рівнянь Максвелла, якщо врахувати граничні умови для електромагнітного поля на межі розділу двох ізотропних діелектриків (так звані формули Френеля).

Ступінь поляризації переломленого світла може бути значно підвищена (багаторазовим заломленням за умови падіння світла кожен раз на межу розділу під кутом Брюстера). Якщо, наприклад, для скла ( п \u003d 1,53) ступінь поляризації переломленого променя становить 15%, то після заломлення на 8-10 накладених один на одного скляних пластинок вийшов з такої системи світло буде практично повністю поляризованим. Така сукупність пластинок називається стопою. Стопа може служити для аналізу поляризованого світла як при його відображенні, так і при його переломленні.

Квиток 79 (для шпори)

Як показує досвід при ламанні і відображенні світла заломлений і відбите світло виявляється поляризованими, причому отраж. світло може бути повністю полярізоанним при деякому куті падіння, а приплив. світло завжди є частково полярізованним.На підставі формул Фрінеля можна показати, що отраж. світло поляризований в площині перпендикулярний площині падіння, а заломлення. світло поляризований в площині паралельній площині падіння.

Кут падіння при якому отраж. світло є повністю поляризованим назвается кутом Брюстера.Угол Брюстера визначається із закону Брюстера: -закон Брюстера.В цьому випадку кут між отраж. і заломлення. променями буде равен.Для системи повітря-скло кут Брюстера равен.Для отримання хорошої поляризації, тобто. , При ламанні світла використовують гарно попоїли-х поверхонь, які носять назву Стопа Столєтова.

квиток 80.

Досвід показує, що при взаємодії світла з речовиною основна дія (фізіологічне, фотохімічні, фотоелектричне і ін.) Викликається коливаннями вектора, який в зв'язку з цим іноді називають світловим вектором. Тому для опису закономірностей поляризації світла стежать за поведінкою вектора.

Площина, утворена векторами і, називається площиною поляризації.

Якщо коливання вектора відбуваються в одній фіксованій площині, то таке світло (промінь) називається лінійно-поляризованим. Його умовно позначають так. Якщо промінь поляризований в перпендикулярній площині (в площині хоz, Див. Рис. 2 в другій лекції), то його позначають.

Природне світло (від звичайних джерел, сонця), складається з хвиль, що мають різні, хаотично розподілені площини поляризації (див. Рис. 3).

Природне світло іноді умовно позначають так. Його називають також неполяризованим.

Якщо при поширенні хвилі вектор повертається і при цьому кінець вектора описує коло, то таке світло називається поляризованим по колу, а поляризацію - кругової або циркулярної (правої або лівої). Існує також еліптична поляризація.

Існують оптичні пристрої (плівки, пластини і т.д.) - поляризатори, Які з природного світла виділяють лінійно поляризоване світло або частково поляризоване світло.

Поляризатори, що використовуються для аналізу поляризації світла називаються аналізаторами.

Площиною поляризатора (або аналізатора) називається площину поляризації світла, що пропускається поляризатором (або аналізатором).

Нехай на поляризатор (або аналізатор) падає лінійно поляризоване світло з амплітудою Е 0. Амплітуда минулого світла буде дорівнює Е \u003d Е 0 сos j, А інтенсивність I \u003d I 0 сos 2 j.

Ця формула виражає закон Малюса:

Інтенсивність лінійно поляризованого світла, що пройшло аналізатор, пропорційна квадрату косинуса кута jміж площиною коливань падаючого світла і площиною аналізатора.

Квиток 80 (для шпори)

Поляризатори-прилади дають можливість отримати поляризоване свет.Аналізатори-це прилади за допомогою яких можна проаналізувати чи є світло поляризованим або нет.Конструктівно поляризатор і аналізатор це одне і тоже.З-н Малюса.Пусть на поляризатор падає світло інтенсивності, якщо світло є природ -им то у нього всі напрямки вектора E рівні вероятни.Каждий вектор можна розкласти на дві взаємно перпендикулярні складові: одна з яких паралельна площині поляризації поляризатора, а інша їй перпендикулярна.

Очевидно інтенсивність світла, що вийшло з поляризатора буде равна.Обозначім інтенсивність світла, що вийшло з поляризатора через () .Якщо на шляху поляризує-го Свеа поставити аналізатор головна площину якого становить кут з головною площиною поляризатора, тоді інтенсивність вийшов з аналізатора визначається законом.

Квиток 81.

Вивчаючи світіння розчину солей урану під дією променів радію, радянський фізик П. А. Черенков звернув увагу на те, що світиться і сама вода, в якій солей урану немає. Виявилося, що при пропущенні -променів (див. Гамма-випромінювання) через чисті рідини все вони починають світитися. С. І. Вавилов, під керівництвом якого працював П. А. Черенков, висловив гіпотезу, що свічення пов'язано з рухом електронів, що вибиваються -квантів радію з атомів. Дійсно, світіння сильно залежало від напрямку магнітного поля в рідині (це наводило на думку, що його причина - рух електронів).

Але чому рухомі в рідини електрони випромінюють світло? Правильна відповідь на це питання в 1937 р дали радянські фізики І. Е. Тамм і І. М. Франк.

Електрон, рухаючись в речовині, взаємодіє з оточуючими його атомами. Під дією його електричного поля атомні електрони і ядра зміщуються в протилежні сторони - середовище поляризується. Поляризуємо і повертаючись потім в початковий стан, атоми середовища, розташовані уздовж траєкторії електрона, випускають електромагнітні світлові хвилі. Якщо швидкість електрона v менше швидкості поширення світла в середовищі (- показник заломлення), то електромагнітне поле буде обганяти електрон, а речовина встигне поляризуватися в просторі попереду електрона. Поляризація середовища перед електроном і за ним протилежна за напрямком, і випромінювання протилежно поляризованих атомів, «складаючись», «гасять» один одного. Коли, атоми, до яких ще не долетів електрон, не встигають поляризуватися, і виникає випромінювання, спрямоване уздовж вузького конічного шару з вершиною, що збігається з рухомим електроном, і кутом при вершині с. Виникнення світового «конуса» і умова випромінювання можна отримати із загальних принципів поширення хвиль.

Рис. 1. Механізм утворення хвильового фронту

Нехай електрон рухається по осі ОЕ (див. Рис. 1) дуже вузького порожнього каналу в однорідному прозорому речовині з показником заломлення (порожній канал потрібен, щоб в теоретичному розгляді не враховувати зіткнень електрона з атомами). Будь-яка точка на лінії ОЕ, послідовно займана електроном, буде центром випускання світла. Хвилі, які виходять із послідовних точок О, D, Е, интерферируют один з одним і посилюються, якщо різниця фаз між ними дорівнює нулю (див. Інтерференція). Ця умова виконується для направлення, що становить кут 0 з траєкторією руху електрона. Кут 0 визначається співвідношенням:.

Дійсно, розглянемо дві хвилі, випущені в напрямку під кутом 0 до швидкості електрона з двох точок траєкторії - точки О і точки D, розділених відстанню. В точку В, що лежить на прямій BE, перпендикулярної ОВ, перша хвиля при - через час У точку F, що лежить на прямій BE, хвиль, випущених з точки, прийде в момент часу після випускання хвилі з точки О. Ці дві хвилі будуть у фазі , т. е. пряма буде хвильовим фронтом, якщо ці часи рівні:. Та як умова рівності часів дає. У всіх напрямках, для яких, світло буде гаситися через інтерференції хвиль, випущених з ділянок траєкторії, розділених відстанню Д. Величина Д визначається очевидним рівнянням, де Т - період світлових коливань. Це рівняння завжди має рішення, якщо.

Якщо, то напрямки, в якому випроменені хвилі, интерферируя, посилюються, не існує, не може бути більше 1.

Рис. 2. Розподіл звукових хвиль і формування ударної хвилі при русі тіла

Випромінювання спостерігається тільки, якщо.

На досвіді електрони летять в кінцевому тілесному куті, з деяким розкидом за швидкостями, і в результаті випромінювання поширюється в конічному шарі близько основного напрямку, що визначається кутом.

У нашому розгляді ми знехтували уповільненням електрона. Це цілком припустимо, тому що втрати на випромінювання Вавилова - Черенкова малі і в першому наближенні можна вважати, що втрачається електроном енергія не позначається на його швидкості і він рухається рівномірно. У цьому принципова відмінність і незвичність випромінювання Вавилова - Черенкова. Зазвичай заряди випромінюють, відчуваючи значні прискорення.

Електрон, що обганяє свій світ, схожий з літаком, що летить зі швидкістю, більшою за швидкість звуку. У цьому випадку перед літаком теж поширюється конічна ударна звукова хвиля, (див. Рис. 2).

Втрати енергії на випромінювання у швидких заряджених частинок майже в тисячу разів менше втрат на іонізацію. Здавалося б, що настільки незначну енергію важко використовувати в практичних додатках. Однак по випромінюванню Вавилова - Черенкова за допомогою спеціальних детекторів вдається виміряти швидкість, енергію, заряд швидких частинок.

У 1958 р за відкриття і тлумачення цього ефекту радянським фізикам П. А. Черенкову, І. М. Франку та І. Є. Тамм була присуджена Нобелівська премія з фізики.

Квиток 82.

Розглянемо атом водню.

Відповідно до теорії Бора, при русі електрона по найближчій до ядру стаціонарної орбіті атом знаходиться в основному стані, що є найбільш стійким. В основному стані атом може перебувати необмежено довгий час, оскільки цей стан відповідає найменшому можливому значенню енергії атома.

Коли електрон рухається по будь-якій іншій з дозволених орбіт, стан атома називається порушених і є менш стійким, ніж основний стан. Через невеликий проміжок часу (близько 10 -8 с) атом мимовільно переходить із збудженого стану в основний, випромінюючи при цьому квант енергії (рис. 20.4):

hνkn=Wk−Wn.

Так як в збудженому стані енергія атома більше, ніж в основному, то довільно атом в збуджений стан перейти не може. Способи збудження атомів речовини можуть бути самими різними: удар об атом якийсь частки, хімічні реакції, вплив світла і т.д. Але вони виявляються ефективними для збудження тільки тоді, коли постачають енергію квантами, які в змозі порушити дані атоми. Якщо ця енергія недостатня для перекидання атома з нижчого енергетичного рівня на більш високий, то атом таку енергію прийме і при цьому зросте, наприклад, енергія його теплового хаотичного руху, але в збуджений стан атом перейде.

Енергія фотона, що поглинається атомом при переході з одного стану в інший, в точності дорівнює різниці енергій атома в цих двох станах (рис. 20.7):

hν21=W2−W1,hν31=W3−W1,…

Іншими словами, він поглинає світло тільки такої частоти, яку сам може випускати (закон поглинання і випускання світла, отриманий експериментально Г. Кірхгофа). Виняток становить випадок, коли зовнішній вплив може повідомляти атому енергію більше тієї, яка необхідна для його іонізації. При цьому частина енергії зовнішнього впливу витрачається на іонізацію атома, а надлишок енергії передається вирваному електрону у вигляді його кінетичної енергії. Остання може мати довільну величину.

Отже, можна зробити наступні висновки.

1. Вільний атом поглинає і випромінює енергію тільки цілими квантами.

2. При переході в збуджений стан атом поглинає тільки такі кванти, які може сам випускати.

абсолютно чорне тело, тіло, яке при будь-якій температурі повністю поглинає весь падаючий на нього потік випромінювання, незалежно від довжини хвилі. Коефіцієнт поглинання А. ч. Т. (Відношення енергії, що поглинається до енергії падаючого потоку) дорівнює 1. У природі А. ч. Т. Немає. Близьким до 1 коефіцієнтом поглинання мають сажа і платинова чернь. Найкращим наближенням до А. ч. Т. Є майже замкнутий посудину з малим отвором і непрозорими стінками, що мають однакову температуру в усіх точках. Луч, що потрапив в порожнину через отвір, багато разів відбивається (см. Рис. ) І при кожному відображенні частково поглинається стінками порожнини. В результаті через деякий час він поглине майже повністю. Наприклад, промені світла, що потрапили через вікно в кімнату, поглинаються в ній і на вулицю виходить лише невелика частина світлового потоку, тому розкрите вікно, що розглядається здалека з вулиці, здається чорним.

А. ч. Т., Як і всі нагріті тіла, випускає електромагнітне випромінювання. Основною особливістю А. ч. Т. Є те, що його спектр випромінювання визначається тільки температурою і не залежить від властивостей речовини, з якого воно складається. Яскравість А. ч. Т. Надзвичайно швидко зростає з температурою. Залежність яскравості і кольору А. ч. Т. Від температури визначається Стефана - Больцмана законом випромінювання, Вина законом випромінювання і Планка законом випромінювання. Ці закони дозволяють визначати температуру А. ч. Т. За характером їх випромінювання; такі вимірювання проводяться пірометрами. Яскравість А. ч. Т. Для даної температури - величина постійна, велика, ніж яскравість будь-якого іншого тіла (сірого тіла) при тій же температурі, тому А. ч. Т. Застосовують як світлового еталону (при температурі затвердіння платини).

Абсолютно біле тіло - тіло, яке відображає всі падаючі на нього промені. Абсолютно біле тіло-по суті і є випромінюванням в чистому вигляді.

Якщо наситити речовина без енергії енергією, то отримаємо повноцінних хімічний елемент з електронами на орбітах, а не порожнє ядро.

Заломлення називають якесь абстрактне число, яке характеризує здатність заломлення будь-якої прозорого середовища. Позначати її прийнято n. Розрізняють абсолютний показник заломлення і коефіцієнт відносний.

Перший розраховується за однією з двох формул:

n \u003d sin α / sin β \u003d const (де sin α - синус кута падіння, а sin β - синус променя світла, що входить в дану середу з порожнечі)

n \u003d c / υ λ (де с - швидкість світла в порожнечі, υ λ - швидкість світла в середовищі, що досліджується).

Тут розрахунок показує, у скільки разів світло змінює швидкість свого поширення в момент переходу з вакууму в прозоре середовище. Таким чином визначається показник заломлення (абсолютний). Для того щоб дізнатися відносний, використовують формулу:

Тобто при цьому розглядаються абсолютні показники заломлення речовин різної щільності, наприклад повітря і скла.

Якщо говорити в загальному, то абсолютні коефіцієнти будь-яких тіл, будь то газоподібних, рідких або твердих, завжди більше 1. В основному їх значення коливаються від 1 до 2. Вище 2 ця величина може бути тільки у виняткових випадках. Значення даного параметра для деяких середовищ:

Ця величина в застосуванні до самого твердому природному речовині на планеті, алмазу, становить 2,42. Дуже часто при проведенні наукових досліджень і т. Д. Потрібно знати показник заломлення води. Цей параметр становить 1,334.

Оскільки довжина хвилі - показник, зрозуміло, непостійний, до букви n приписується індекс. Його значення і допомагає зрозуміти, до якої хвилі спектру даний коефіцієнт відноситься. При розгляді одного й того ж речовини, але зі збільшенням довжини світлової хвилі, показник заломлення буде зменшуватися. Цією обставиною і викликано розкладання світла на спектр при проходженні через лінзу, призму та т. Д.

За величиною коефіцієнта заломлення можна визначити, наприклад, скільки однієї речовини розчинено в іншому. Це буває корисним, припустимо, в пивоварінні або коли необхідно дізнатися концентрацію цукру, фруктів або ягід в соку. Даний показник важливий і при визначенні якості нафтопродуктів, і в ювелірній справі, коли потрібно довести справжність каменю і т. Д.

Без використання певної речовини шкала, видима в окулярі приладу, буде повністю пофарбована в блакитний колір. Якщо капнути на призму звичайної дистильованої води, при правильному калібруванні інструменту межа синього і білого кольорів буде проходити строго по нульовій позначці. При дослідженні іншої речовини вона зміститься за шкалою згідно з тим, який показник заломлення йому властивий.

Головна » технології » Коефіцієнт заломлення середовища. Як розраховується показник заломлення