Фотометрия — раздел оптики, занимающийся вопросами измерения интенсивности света и его источников. В фотометрии используются следующие величины:
1) энергетические — характеризуют энергетические параметры оптического излучения безотносительно к его действию на приемники излучения. Поток излучения Фе — величина, равная отношению энергии излучения W ко времени t, за которое излучение произошло: Фe=W/t.. (Вт). Излучательность Re — величина, равная отношению потока излученияФе, испускаемого поверхностью, к площадиS сечения, сквозь которое этот поток проходит: Re=Фe/S,, (Вт/м2). Сила света 1е — величина, равная отношению потока излучения Фе к телесному углу w , в пределах которого это излучение распространяется: 1е=Фе/ca. (Вт/ср). Лучистость Ве величина, равная отношению энергетической силы света Ie элемента излучающей поверхности к площади S проекции этого элемента на плоскость, перпендикулярную направлению наблюдения: Ве=DIе/DS. (Вт/(ср•м2))
2) световые — характеризуют физиологические действия света и оцениваются по воздействию на глаз или другие приемники излучения. Световой поток Ф определяется как мощность оптического излучения по вызываемому им световому ощущению( люмен (лм)) . Светимость R определяется соотношением R=Ф/S. (лм/м2). Яркость В светящейся поверхности в некотором направлении есть величина, равная отношению силы света I в этом направлении к площади S проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную данному направлению: Вj=I/(Scosj).(кд/м2). Освещенность E — величина, равная отношению светового потока Ф, падающего на поверхность, к площади S этой поверхности: Е=Ф/S. (лк)
{2. Принцип Гюйгенса. Когерентность и монохрамоничность волн. Интерференция Света.}
Принцип Гюйгенса, гласит каждая точка, до которой доходит волна, становится центром вторичных волн, а огибающая этих волн (плоскость A1A2 ) дает положение волнового фронта в следующий момент времени. Под волновым фронтом Гюйгенс понимал геометрическое место точек, до которых одновременно доходит волновое возмущение. С помощью принципа Гюйгенса были объяснены законы отражения и преломления
воКогерентность -это согласованное протекание волновых процессов в пространстве и времени. Другими словами разность фаз между колебаниями 2х или более источников в определенной точке должна быть постоянна. Монохроматические волны - это волны с одной определенной и строго постоянной величиной.
Интерференция света - явление усиления колебания в одних и ослабления в других точках, в результате наложения 2х или нескольких волн. Методы наблюдения интерф.света : метод зеркал френеля и бипризма френеля.
3. Методы наблюдения интерференции света.
1. Метод Юнга. Источником света служит ярко освещенная щель S, от которой световая волна падает на две узкие равноудаленные щели S1 и S2,параллельные щели S. Таким образом, щели S1 и S2 играют роль когерентных источников. Интерференционная картина (область ВС) наблюдается на экране (Э), расположенном на некотором расстоянии параллельно S1 и S2. Юнгу принадлежит первое наблюдение явления интерференции.
2. Зеркала Френеля. Свет от источника S падает расходящимся пучком на два плоских зеркала расположенных относительно друг друга под углом, лишь немного отличающимся от 180°. Световые пучки, отразившиеся от обоих зеркал, можно считать выходящими из мнимых источников S1 и S2, являющихся мнимыми изображениями S в зеркалах. Мнимые источники S1 и S2j взаимно когерентны, и исходящие из них световые пучки, встречаясь друг с другом, интерферируют в области взаимного перекрывания. Можно показать, что максимальный угол расхождения перекрывающихся пучков не может быть больше
3. Бипризма Френеля. Она состоит из двух одинаковых, сложенных основаниями призм с малыми преломляющими углами. Свет от источника S преломляется в обеих призмах, в результате чего за бипризмой распространяются световые лучи, как бы исходящие из мнимых источников S1 и S2, являющихся когерентными. Таким образом, на поверхности экрана происходит наложение когерентных пучков и наблюдается интерференция.
4. Интерференция в тонких пленках. Применение интерференции света.
Происходит сложение волн одна из которых отражается от наружной поверхности пленки а другая от внутренней. Когерентность волн отраженных от наружной и внутренней поверхности пленки обеспечивается тем что они являются частями одного и того же светового пучка.
Одним из простейших и наиболее распространенных применений интерференции света является просветление оптики, то есть создание покрытий на поверхности оптических деталей, в первую очередь линз, с целью уменьшения отражения света. Оптические устройства состоят из большого числа оптических стекол, линз, призм и чтобы уменьшить долю отражаемой энергии, используется явление интерференции света.
5. Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон френеля.
Дифракция света - явление отклонения света от прямолинейного распространения , когда свет огибает препятствие заходит в область геометрической тени. Явление дифракции объясняется принципом Гюйгенса, согласно которому световая волна источника S может быть представлена как результат суперпозиций вторичных волн "излучаемых" фиктивными источниками. В зависимости от результата наложения волн в точке М наблюдается min или max интерференции. Зоны Френеля - множество когерентных источников вторичных волн, максимальная разность хода между которыми равна /2.
, где λ — длина световой волны. Вторая зона .
Волновая теория строится на принципе Гюйгенса: каждая точка до которой доходит волна, служит центром для вторичных волн , а огибающая этих волн- волновым фронтом.
6. Дифракция от узкой щели.
Френеля точки щели являются вторичными источниками волн, колеблющимися в одной фазе, так как плоскость щели совпадает с фронтом падающей волны. Если бы при прохождении света через щель соблюдался закон прямолинейного распространения света, то на экране 2, установленном в фокальной.Пусть параллельный пучок монохроматического света падает нормально на непрозрачный экран 1, в котором про- резана узкая щель ВС, ширина которой b. Вследствие дифракции на узкой щели на экране наблюдается система дифракционных максимумов, разделенных темными промежутками дифракционных минимумов. Если число зон четное, то есть
то наблюдается дифракционный минимум. Если число зон будет нечетным, то есть, то будет наблюдаться дифракционный максимум
7. Дифракционная решетка.
Дифракционная решетка - система препятствий (параллельных штрихов), сравнимых по размерам с длиной волны.
Величина d = a + b называется постоянной (периодом) дифракционной решетки, где а — ширина щели; b — ширина непрозрачной части. Угол φ - угол отклонения световых волн вследствие дифракции. Наша задача - определить, что будет наблюдаться в произвольном направлении φ - максимум или минимум. Оптическая разность хода Из условия максимума интерференции получим: . Следовательно: - формула дифракционной решетки. Величина k — порядок дифракционного максимума
- дополнительный минимум; - главный максимум
8. Пространственная решетка. Формула Вульфа-Бреггов.
Пространственной, или трехмерной, дифракционной решеткой называется такая оптически неоднородная среда, в которой неоднородности периодически повторяются при изменении всех трех пространственных координат. Всякий монокристалл состоит из упорядоченно расположенных атомов (ионов), образующих пространственную трехмерную решетку. Для рентгеновских лучей кристаллы твердых тел являются идеальными дифракционными решетками. Физики Г.В. Вульф и Л.Брэгги предложили простой метод расчета дифракции рентгеновских лучей в кристаллах. Они полагали, что дифракцию рентгеновских лучей можно рассматривать как результат отражения рентгеновских лучей от плоскостей кристалла. θ – угол между падающими и отраженными лучами и плоскостью кристалла; d- период решетки. Разность хода между двумя лучами, отраженными от соседних кристаллографических плоскостей, кратна целому числу длин волн, при этом наблюдается дифракционный максимум.
9. Разрешающая способность оптических приборов. Понятие о голографии.
Голография — особый способ записи и последующего восстановления волнового поля, основанный на регистрации интерференционной картины. Она обязана своим возникновением законам волновой оптики — законам интерференции и дифракции. Изобретен английским физиком Д. Габором
10. Взаимодействие света с веществом. Дисперсия света.
Дисперсией света называют зависимость показателя преломления вещества от частоты света: Следствием дисперсии является разложение в спектр пучка белого света при прохождении его через призму.
Пусть монохроматический пучок света падает на призму с преломляющим углом θ и показателем преломления n под углом α1. После 2-кратного преломления (на левой и правой гранях призмы) луч оказывается отклонённым от первоначального направления на угол φ. Из рисунка следует:
Предположим, что угол θ и α1 малы, тогда малы и α1, β1, β2. Вместо sin можно получить значения углов:
, , а т.к. , то
Следовательно, , т.е. угол отклонения призмой тем больше, чем больше преломляющий угол призмы.Из полученного выражения следует, что φ зависит от величины (n-1), а n - функция λ, поэтому лучи разных λ при прохождении призмы оказываются отклоненными на разные углы, т.к. пучок белого света за призмой разлагается в спектр, что и наблюдал Ньютон. Т.о., с помощью призмы, так же как и с помощью дифракционной решётки, разлагая свет в спектр, можно определить его спектральный состав.
11. Поглощение (абсорбция) света. Закон Бугера.
Явление уменьшения энергии световой волны при ее прохождении через вещество называется поглощением света. Поглощение света в веществе описывается законом Бугера: где I0 и I — интенсивности плоской монохроматической световой волны на входе и выходе слоя поглощающего вещества толщиной х, a — коэффициент поглощения. Для одноатомных газов и паров металла a близок к нулю. Спектр поглащения молекул характеризуется полосами поглощения. Для диэлектр. a = 10-3...10-5 (1/см). У них наблюдается селективное поглощение с определенной интенсивностью ( широкие полосы )
12. Эффект Доплера. Излучение Вавилова-Черенкова.
Эффект Доплера - изменение частоты колебания, воспринимаемая приемником, при движении источниками этих колебаний и приемника относит. др др. Эффект Доплера для эл.магн. волн определяется спец-й теорией относительности. Здесь используется преобразования Лоренца. Теория относительности приводит к след. зависимости: где v — скорость источника света относительно приемника, с — скорость света в вакууме, знак пси— угол между вектором скорости v и направлением наблюдения,
При движении релятивистских заряженных частиц в среде с постоянной скоростью v, превышающей фазовую скорость света в этой среде, т. е. при условии v>c/n (n — показатель преломления среды), возникает электромагнитное излучение, названное впоследствии излучением (эффектом) Вавилова — Черенкова. Согласно этой теории, заряженная частица (электрон) излучает электромагнитные волны лишь при движении с ускорением. Если частица обладает скоростью v>c/n, то, даже двигаясь равномерно, она будет излучать электромагнитные волны. Отличительной особенностью излучения Вавилова — Черенкова является его распространение не по всем направлениям, а лишь по направлениям, составляющим острый угол с траекторией частицы. На основе излучения Вавилова — Черенкова разработаны широко используемые экспериментальные методы для регистрации частиц высоких энергий и определения их свойств.
13. Поляризация света. Естественный и поляризованный свет. Закон Малюса. Угол Брюстера.
Поляризация - это явление когда свет колеблется в одной плоскости. Свет со всевозможными равновероятными ориентациями вектора называется естественным. Свет, в котором имеется преимущественное направление колебаний вектора и незначительная амплитуда колебаний вектора в других направлениях, называется частично поляризованным. В плоско поляризованном свете плоскость, в которой колеблется вектор , называется плоскостью поляризации. Степенью поляризации называется величина
где Imax и Imin – максимальная и минимальная компоненты интенсивности света, соответствующие двум взаимно перпендикулярным компонентам вектора .
- закон Брюстера. n12 - показатель преломления второй среды относительно первой. Угол падения (отражения) - угол между падающим (отраженным) лучом и нормалью к поверхности
- закон Малюсаса: Интенсивность света, прошедшего через поляризатор, прямо пропорциональна произведению интенсивности падающего плоско поляризованного света I0 и квадрату косинуса угла между плоскостью падающего света и плоскостью поляризатора.
14. Двойное лучепреломление. Поляризационные призмы и поляроиды.
Все прозрачные кристаллы (кроме кристаллов кубической системы, которые оптически изотропны) обладают способностью двойного лучепреломления, т. е. раздваивания каждого падающего на них светового пучка. Если на толстый кристалл исландского шпата направить узкий пучок света, то из кристалла выйдут два пространственно разделенных луча, параллельных друг другу и падающему лучу. Даже в том случае, когда первичный пучок падает на кристалл нормально, преломленный пучок разделяется на два, причем один из них является продолжением первичного, а второй отклоняется. Второй из этих лучей получил название необыкновенного (e), а первый — обыкновенного
Наиболее часто для этого применяются призмы и поляроиды. Призмы делятся на два класса: 1) призмы, дающие только плоскополяризованный луч (поляризационные призмы); 2) призмы, дающие два поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях луча (двоякопреломляющие призмы). Поляризационные призмы построены по принципу полного отражения одного из лучей от границы раздела, в то время как другой луч с другим показателем преломления проходит через эту границу. Двоякопреломляющие призмы используют различие в показателях преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, чтобы развести их возможно дальше друг от друга.
15. Искусственная оптическая поляризация. Вращение плоскости поляризации.
16. Тепловое излучение. Закон Кирхгофа.
Тепловое излучение - это электромагнитное излучение, которое возникает за счет энергии вращательного и колебательного движения атомов и молекул в составе вещества. Тепловое излучение характерно для всех тел, которые имеют температуру, превышающую температуру абсолютного нуля.
Основными количественными характеристиками теплового излучения являются: -энергетическая светимость - это количество энергии электромагнитного излучения во всем диапазоне длин волн теплового излучения, которое излучается телом во всех направлениях с единицы площади поверхности за единицу времени: R = E/(S·t), [Вт/м2] Энергетическая светимость зависит от природы тела, температуры тела, состояния поверхности тела и длины волны излучения. спектральная плотность энергетической светимости - энергетическая светимость тела для данных длин волн (λ + dλ) при данной температуре (T + dT): Rλ,T = f(λ, T). коэффициент поглощения - отношение поглощенной телом энергии к падающей энергии. Так, если на тело падает излучение потока dФпад, то одна его часть отражается от поверхности тела - dФотр , другая часть проходит в тело и частично превращается в теплоту dФпогл, а третья часть после нескольких внутренних отражений - проходит через тело наружу dФпр : α = dФпогл/dФпад.
17. Закон Стефана Больцмана и смещение Вина.
18. Формула Рэлея-Джинса и Планка.
19. Оптическая пирометрия. Тепловые источники света.
20. Виды фотоэффекта. Законы внешнего фотоэффекта.
Фотоэффект обнаружил Герц . Его суть он определил в следующем: Если свет от лампы направить на металл, то с его поверхности будут вылетать электроны. Различают три вида фотоэффекта: внешний, внутренний, вентильный. Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Внутренний фотоэффект - это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу. Вентильный фотоэффект - это возникновение ЭДС при освещении контакта полупроводников при отсутствии внешнего поля.
Столетов опытным путем установил следующие законы фотоэффекта: 1)Число электронов, вырываемых из катода за единицу времени, пропорционально интенсивности света. 2)Максимальная начальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой. 3)Для каждого фотокатода существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота , при которой фотоэффект еще возможен.
21. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Применение фотоэффекта.
В 1905 году А.Эйнштейн, опираясь на работы М.Планка по излучению нагретых тел, предложил квантовую теорию фотоэффекта. В основу этой теории положено две идеи. 1. Свет не только излучается, но также распространяется в пространстве и поглощается веществам в виде отдельных порций энергии - квантов . Эти кванты электромагнитного излучения, движущиеся со скоростью распространения света в вакууме c, были названы световыми частицами фотонами. 2. Процесс поглощения света веществом сводится к тому, что фотоны передают всю свою энергию электронам вещества, причем каждый квант поглощается только одним электроном. Безинерционность объясняется мгновенной передачей энергии при столкновении. Таким образом, процесс поглощения света происходит прерывно как в пространстве, так и во времени.
Уравнение Эйнштейна: - Энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы выхода из металла и на сообщение электрону кинетической энергии .
22. Масса и импульс фотона. Давление света.
23. Теория атома водорода по Бору. Модель Томпсона и Резерфорда.
24. Линейчатый спектр атома водорода. Формула Бальмера.
25. Постулаты Бора. Опыты Франка и Герца.
26. Спектр атома водорода по Бору.
27. Элементы квантовой механики. Корпускулярно-волновая природа частиц вещества
28. Некоторые свойства волн де Бройля. Соотношение неопределенностей Гейзенберга.
29. Волновая функция. Уравнение Шредингера
30. Принцип причинности в квантовой механике. Движение свободной частицы
