Лекции по физике

ЛЕКЦИИ ПО ОПТИКЕ, АТОМНОЙ И ЯДЕРНОЙ ФИЗИКЕ

Хоружий Владимир Дмитриевич

доцент каф. ОФ ФТИ

Дата разработки: осенний семестр 2010 г.

1

ВОЛНОВАЯ ОПТИКА

1.Световая волна. Интенсивность света

2.Интерференция света

3.Получение когерентных световых волн

4.Опыт Юнга

5.Интерференция света в тонкой плоскопараллельной пластинке (плёнке)

6.Полосы равной толщины и равного наклона

7.Кольца Ньютона

8.Условия наблюдения интерференции в тонких плёнках

9.Практические приложения интерференции

2

1. Световая волна. Интенсивность света

Волновая оптика –это раздел оптики, в котором изучается круг явлений с точки зрения волновой природы све-та.

Максвелл (1831 – 1879), обобщая законы электромагнетизма, пришел к выводу об электромагнитной природе света.

В электромагнитнойr волне колеблются векторы E и H . Фзиологические, фотохимические, фотоэлектрические и другие действия света вызываютсяr колебаниями электрического вектора E . В дальнейшем мы будем называть его3

световым вектором. Изменение его модуля во времени и пространстве представляет волновой процесс и описывается с электромагнитной точки зрения уравнением:

		x
E = E0 sinω t −			;	(1)
	υ

или	t			x		(2)
	E = E0 sin 2π		−		.
	T			λ
В (1) и (2) x	- расстояние, отсчитываемое					вдоль

направления распространения световой волны.

4

	λ = υ T - длина световой волны,				υ - её фазовая
	скорость.	ñ		= n	(3)
	Отношение
		υ

называется абсолютным показателем преломления среды.

Так как, согласно электромагнитной теории

Максвелла	υ =	c	,	то n = εμ
		εμ

Для большинства прозрачных веществ μ практически не отличается от единицы, поэтому

n = ε	5
	(4)

Заметим, что ε получено на основе измерений, выполненных в быстропротекающих электрических полях, т.е ε зависит от частоты. Следовательно, и показатель преломления зависит от частоты, т.е. n = f (ν ) - дисперсия света.

Диапазон видимой области спектра определяется физиологической чувствительностью глаза и находится в пределах длин волн ~ 390 ÷ 760 нм. Эти значения относятся к световым волнам в вакууме. В веществе длины волн будут иными. В случае

	колебаний частотыν :		=	ñ
	в вакууме:	λ 0			(5)
			ν		6

в среде, в которой фазовая скорость волны υ = ñ ,

	длина волны имеет значение										n
	λ .	=	υ	=		c	=	λ	0	.	(6)
			ν		ν n			n

Таким образом, длина световой волны в среде с показателем преломленияn связана с длиной волны в вакууме соотношением:

λ .	=	λ 0	.	(7)
		n

Диапазон частот видимой области спектра лежит в пределах (4 ÷ 7,5)·1014 Гц. Это огромная частота. Ни глаз, ни какой-либо приемник световой энергии не могут уследить за столь частыми изме7 -

нениями световой энергии. Они регистрируют усредненный поток энергии.скольку световая волна имеет электромагнитную природу, то как мы уже показали ранее:

I =

1

ε 0ε

E2

,

μ0

μ

2

0

или, учтя что μ =1

è

n=

ε , получаем:

I =

1

ε

ε 0

E2 =

1

ε 0

nE2 → I

~ nE2. (8)

μ0

2

2

0

μ0

0

0

В изотропной среде показатель преломления одинаков по всем направлениям. Поэтому I ~ E02.8

2. Интерференция света

Интерференция света – это явление усиления или ослабления света в результате сложения когерентных световых волн. Когерентные волны

– это волны, имеющие: 1) одинаковую частоту; 2) постоянную во времени в данной точке пространства разность фаз.

При сложении в некоторой точке пространства когерентных волн амплитуда результирующего колнебания находится в результате геометрического сложения амплитуд исходных колебаний:

E2	= E2	+ E2	+ 2E E		cos(φ	2	− φ )	(9)
0	01	02	01	02			1

Можно, однако, условиться за меру интенсивности светаrпринимать квадрат амплитуды светового

вектора E0 т.е.:		I = E2
		0
Тогда (9) можно записать в виде:
I = I 2	+ I 2	+ 2 I I	2	cos(φ	2	− φ ).	(10)
1	2	1				1

Если разность фаз (φ2 − φ1 ) = const , то колебания когерентны и величина

2 I1I2 cos(φ2 − φ1) ≠ 0

и, следовательно,

I ≠ I12 + I22 ),

т.е. имеет место нарушение закона геометрической10