Физика ответы на вопросы

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

26.Дифракция на щели. Дифракция на решетке. Типы дифракционных решеток. Дифракция рентгеновских лучей.

Дифракция на щели

Дифракция на решётке

Дифракционная решётка - большое число узких щелей равной ширины на одинаковых расстояниях параллельно друг другу в одной плоскости. Сумма ширины щели a и ширины штриха b -период, шаг или постоянная решётки = + . Получение. Для понимания.

Типы дифракционных решёток - пропускающие ( или прозрачные) и отражающие.

Дифракция рентгеновских лучей (на кристаллах)

Добавлено примечание ([26]): Получение: 1) нарезка на стекле или металле 2)фотографические 3)фотолитографические 4)штампованные

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

27.Принципы голографии.

Запись голограммы. (схема Лейта - Упатниекса).

На фотопластинке записана картина интерференции опорного и предметного (объектного) лучей. Фотографического изображения в обычном смысле нет. При рызглядывании в естественном свете видна “рябь” с размерами элементов микроны-десятки микрон.

Воспроизведение голограммы (схема Лейта - Упатниекса)

Взгляд направлен на голограмму в направлении мнимого изображения. Изображение (мнимое) видно сквозь голограмму, которая играет роль окошка, через которое рассматривается объект. Любая часть (осколок) голограммы позволяет увидеть изображение, но через окошко меньшего размера. Действительное изображение возникает в полупрозрачной рассеивающей среде.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

28.Поляризация ЭМВ. Поляризаторы. Закон Малюса. Двулучепреломление. Четверть- и полуволновые пластинки.

Поляризация ЭМВ

Поляризаторы

1) При отражении света под углом Брюстера ( Б = )отражается только s-

компонента.

2)С помощью явления двулучепреломления.

3)С помощью дихроических пластинок (поляроидов).

Закон Малюса - = 0 2 , где Θ - угол между плоскостью поляризации

падающей волны и главным направлением поляроида. Прошедший свет поляризован в

плоскости, параллельной главному направлению . Если падает неполяризованный свет, то проходит только компонента, параллельная главному

направлению, а = 12 0.

Двулучепреломление(ДЛП) - явление преломления волн с разной поляризацией под разными углами, наблюдается в кристаллах с необыкновенной осью

Добавлено примечание ([27]): Просто способ, но неэффективный из-за малого коэффициента отражения.

Добавлено примечание ([28]): Некоторые вещества обладают анизотропией поглощения, то есть по-разному поглощают свет в зависимости от того, как ориентирована его плоскость поляризации относительно выделенного ( главного) направления в пластинке.

Добавлено примечание ([29]): Поляроиды использую как поляризаторы или как анализаторы (для определения степени и направления поляризации)

Добавлено примечание ([30]): 1)Естественное (у

некоторых кристаллов) 2)Искусственное (наведённое ЭП, МП, деформацией)

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

(если плоскость поляризации параллельна ей, то показатель преломления равен , а

если плоскость поляризации перпендикулярна ей,

то

показатель преломления - 0.

Четвертьволновая (

) пластинка -

4

Пластинка из ДЛП кристалла (обычно кварц),

вырезанная параллельно его е-оси. x и y

компоненты имеют одинаковые фазы:

=

( − ), =

( −

). На выходе из пластинки на

них накапливается разность фаз: = 2

( − 0)

=

( − ),

= ( − + )

Если =

,

то есть (

−

) =

, то: = ( −

0

2

4

),

=

( − ). Это параметрическое

уравнение эллипса, которое описывает эллиптически

поляризованную световую волну (ЭПВ): вектор вращается с

течением времени при фиксированном z.

Полуволновая (

) пластинка - Такая же, как пластинка

, но толщина другая,

2

4

что ( − 0) =

,

3

и так далее.

2

2

Сдвиг фаз = , 3 , 5. А волна после пластинки:

=

( − ),

= −

( − ) - то

есть после пластинки образуется ЛВП, плоскость поляризации которой

повёрнута на угол 2Θ.

29.Естественная и искусственная оптическая анизотpопия. Эффекты Покельса, Керра и Фарадея. Тензооптический эффект.

Естественная и искусственная анизотропия.

Естественной анизотропией обладают кристаллические среды. Искусственная возникает в ранее изотропной среде под действием внешних

воздействий, например электрического поля, магнитного поля, деформацией и т.п. Эффект Поккельса

Электрооптический эффект (ЭОЭ) - ДЛП (появление разницы − 0) под действием эл. поля.

Для эффекта Поккельса, или линейного ЭОЭ, − 0 = (прямая пропорциональная зависимость, смена знака при изменении направления эл. поля). Он наблюдается только для некоторых кристаллов. Отличие Поккельса от Керра

Эффект Керра

Добавлено примечание ([31]): Оптической анизотропией называется зависимость оптических характеристик среды (показателя преломления, скорости распространения волны) от направления.

Добавлено примечание ([32]): явление возникновения двойного лучепреломления в оптических средах при наложении постоянного или переменного электрического поля

Добавлено примечание ([33]): Он отличается от эффекта Керра тем, что линеен по полю, в то время как эффект Керра квадратичен. Эффект Поккельса может наблюдаться только в кристаллах, не обладающих центром симметрии: в силу линейности при изменении направления поля эффект должен менять знак, что невозможно в центральносимметричных телах. Эффект хорошо заметен в кристаллах ниобата лития или арсенида галлия.

Добавлено примечание ([34]): Возникновение двойного лучепреломления в жидкостях и аморфных прозрачных телах под воздействием электрического поля

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Эффект Керра, или квадратичный ЭОЭ:

− 0 = 2 = 2.

Он имеет место для любых веществ, но значения коэффициентов Керра β (или B) могут отличаться на несколько порядков. Эффект Керра используется для модуляции лазерного излучения (Ячейки Керра).

Эффект Фарадея (или магнитное вращение) - наблюдается для всех веществ и заключается в том, что вращение плоскости поляризации индуцируется внешним продольным магнитным полем H:

= .

Коэффициент V - называется коэффициентом Верде. направление поворота плоскости поляризации меняется при изменении направления магнитного поля относительно

направления распространения света.

Тензооптический эффект (ТОЭ) - эффект ДЛП (появления разницы − 0), возникающее под действием деформации

− 0 =

Где ε - относительная деформация.

Если деформация не статическая, а создается упругими волнами, то эффект называется акустооптическим (АОЭ).

ТОЭ используется для дистанционного измерения деформаций (крупных сооружений и недоступных для прямого измерения деталей).

30.Тепловое излучение. Закон Кирхгофа. Абсолютно черное тело. Законы излучения АЧТ: Стефана-Больцмана и Вина.

Тепловое излучение (ТИ) - ЭМИ непрерывного спектора, испускаемое нагретыми телами за счет энергии теплового движения.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Этим ТИ отличается от люминесценции, которая поддерживается за счет внешних источников энергии. Интенсивность ТИ всегда возрастает при возрастании температуры, но зависит от размеров излучающего тела и условий измерения. Чтобы сравнивать ТИ разных тел, его характеризуют излучательной способностью, которая определяется как мощность, излучаемая с единицы площади поверхности

тела в единичном интервале частот = /( ).

[ ] = Вт/(м2/с) = Дж/м2.

Излучательная и поглощающая способности (с графиками)(эт все для ТИ, мб нужно)

, как и зависит от ω, T( = ( , )) и от свойств поверхности тела

Закон Кирхгофа - отношение излучательной к поглощающей способности не зависит от природы тела, оно является для всех тел одной и той же функцией частоты и температуры. /= ( , )

Закон Кирхгофа - следствие второго начала термодинамики: если / 1 >2 / 2 , то при 1 = 2 тело 1 будет

больше излучать и меньше поглощать энергии ЭМИ, чем тело 2. Тело 1 самопроизвольно охлаждалось бы, а тело 2 - нагревалось.

Абсолютно черное тело (АЧТ)

если ≡ 1 (ачт), то ( , ) = АЧТ .

Польза от ( , ):

Добавлено примечание ([35]): Люминесценция – это холодное свечение, не связанное с нагревом тел, которое прекращается как только будет использована энергия внешнего возбуждения.

Полное определение академика Вавилова:

Люминесценция – это излучение, избыточное над тепловым излучением данного тела в данной спектральной области при данной температуре, отличающееся также тем, что длительность этого свечения не прекращается сразу после его возбуждения.

Добавлено примечание ([36]): a - коэффициент поглощения

a=1 - АЧТ

a<1 Серое тело a<<1 белое тело

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Закон смещение Вина.

Длина волны максимума излучательной способности АЧТ обратно

пропорциональна температуре. =

= 2,9 10−3м К- постоянная вина. Из закона Вина следует, что функция ( , ) должная иметь вид ( , ) =3( / )- формула Вина.

Закон Стефана-Больцмана.

Связывает температуру АЧТ и его энергетическую светимость. Энергетической светимостью эназывается мощность, излучаемая с единицы поверхности тела во всем диапазоне частот (длин волн).

	э	=	∫		[	] = Вт/м2
					э

По закону Стефана-Больцмана: э = 4 σ= 5,67 10−8Вт/м2 К4- постоянная Стефана - Больцмана.

(Для комнатной температуры э ≈ 400 Вт/м2)

Для справки - АЧТ и тепловое излучение реальных тел.

31.Спектp излучения АЧТ: формулы Релея-Джинса и Планка. Соотношение эмпиpических законов излучения с фоpмулой Планка.

Спектр излучения АЧТ:

Формула Релея-Джинса -	( , )		=					2								:
					4		2			2

1)В полости только такие ЭМВ, у которых между стенками укладывается число 2.

2)Количество таких волн можно подсчитать.

3)На каждую волну приходится энергия kT (по 12 на электрическую и магнитную компоненту).

Добавлено примечание ([37]): Она удовлетворяет формуле Вина и хорошо описывает экспериментальные данные при низки частотах, но существенно отклоняется от них при высоких

Добавлено примечание ([38]): тела, для которых "альфа"<1, но примерно равно const в широком диапазоне

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Формула Планка - ( , ) =	ħ 3		1			- Планк предположил, что ЭМИ не
	4 2 2			ħ
					−1

непрерывна, а существует в АЧТ в виде дискретных порций с энергиями = ħ ,

а вероятность её появления (− ħ ).

Соотношение эмпирических законов излучения с формулой Планка - Она правильно описывает экспериментальные данные: имеет max согласно закону смещению Вина, а площадь под её графиком соответствует закону СтефанаБольцмана.

32.Фотоэффект, уpавнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Тормозное рентгеновское излучение. Опыт Боте. Эффект Комптона. Масса и импульс фотона. Внешний фотоэффект (ФЭ) - открыт Герцем в 1887г. Он обнаружил, что при попадании УФ света от электрической искры на электрометр меняется заряд на нем. В 1888 году, подробно исследован Александром Георгиевичем Столетовым. Он установил следующие законы этого явления:

1)Фототок прямо пропорционален интенсивности

света.

2)Фототок образуется отрицательными частицами, позже выяснилось - электронами, другое название фотоэлектронная эмиссия (ФЭ).

3)Фототок практически безынерционен.

4)Существует красная граница ФЭ кртакая, что ф ≠

0, если < кр и ф = 0,

если > кр при любой интенсивности света.

Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта:

= 1 2 = ħ −

2

Физический смысл:

энергия 1 фотона передается 1 электрону, происходит взаимодействие двух частиц. (П.И. Лукирский чекнул, сказал что норм(ученый такой)).

Если ħ < А, то энергии кванта недостаточно для освобождения электрона и фототок равен 0. Условие ħ = А соответствует кр = /.

Если λ измерять в мкм, а А в эВ, это соотношение имеет вид : кр = 1.А24

- это соотношение справедливо для длин волн и энергий квантов любых ЭВМ. Рентгеновское излучение, коротковолновое ЭМИ, получается в помощью рентгеновских трубок - электроны испускаются катодом и анодом приложено

Добавлено примечание ([39]): Красную границу фотоэффекта нельзя объяснить с точки зрения классической электродинамики - ЭМВ любой длины волны раскачивают электроны фотокатода и, если их амплитуда окажется достаточной, то, электрон будет выброшен из ФК.

Объяснение дал Эйнштейн 1905г.

Электроны в в-ве в связном состоянии - их энергия < энергии свободного электрона - чтобы их извлечь нужно затратить некоторую энергию А, которая называется работой выхода.Энергия ЭМВ передается электронам порциями-квантами hω. Часть энергии тратится на работу выхода, а остаток превращается в Кинетическую энергию фотоэлектрона.

Добавлено примечание ([40]): 1эВ = 1,6*10^(-

16)Дж

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

напряжение U ~ несколько десятков киловольт. у поверхности анода электроны имеют энергию eU, сталкиваются с анодом, теряют ее, большая часть превращается в тепло, остальная переходит в рентгеновские лучи ЭМИ. Спектр этого излучения содержит 2 компоненты: характеристическое и тормозное (ħ = ).

Физический смысл (у тормозного) - энергия 1 электрона передается 1 фотону, происходит взаимодействие 2 частиц.

Опыт Боте

1925г. Вальтер Боте провел опыт по регистрации рентгеновских лучей, рассеянных фольгой в разных направлениях. Он использовал 2 детектора, срабатывания которых фиксировались на разных сторонах одной движущейся ленты.

Детекторы никогда не срабатывали одновременно, т.е. рентгеновские лучи рассеивались как частицы-фотоны - либо налево, либо направо. Если бы они вели себя как волны, то рассеянную волну можно было бы обнаружить сразу во всех направлениях.

Эффект Комптона (1)

В 1922г. Артур Комптон обнаружил, что рентгеновские лучи, рассеянные в парафине имеют большую длину волны λ, чем падающие 0.*

Добавлено примечание ([41]): Характеристическое излучение возникает при переходах электронов в атомах, из которых выбиты электроны, его спектр состоит из отдельных линий и зависит от материала анода.

Добавлено примечание ([42]): Тормозное излучение возникает, когда электрон тормозится, отталкиваясь от эл-нов анода, спектр непрерывный, имеет коротковолновый край, т.е. min λ→ max энергии квантов (тут формула что в скобках у тормозного(ħωmax=eU)), которая не зависит от материала анода.

Добавлено примечание ([43]): По классической электродинамике, периодическое эл. поле ЭМВ вызывает колбания электронов с частотой поля, и, следовательно вызывает рассеянные волны той же частоты.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Эффект Комптона (2)

Комптон установил, что сдвиг длины волны рассеянных рентгеновских лучей зависит от угла рассеяния :

− 0 = с(1 − )

ине зависит от в-ва мишени, температуры, давления

итд.

Величина с = 2.42 10−12 м - комптоновская длина волны (электрона).

ПИЗДЕЦ КОГДА ЖЕ ЭТОТ ВОПРОС ЗАКОНЧИТСЯ Эффект комптона (3)

Объяснение: упругое (без потери энергии) столкновение рентгеновского фотона со свободным (почти свободными) электроном в-ва, т.е. результат столкновения 2 частиц.

Все электроны одинаковы результат рассеяния не зависит от природы в-ва.

Энергия рентгеновского фотона >> энергии теплового движенияне зависит от температуры. При столкновении электрон, комптоновский электрон, получает часть энергии и импульса фотона, а сам фотон меняет направление движения и уменьшает энергию, а значит, увеличивается его длина волны.

Эффект комптона (4)

В этом процессе выполняются законы сохранения импульса и энергии.

0 = +

+	= + √2		+ 2 2
0

Здесь 0 , и −импульсы падающего и рассеянного фотонов, а также комптоновского электрона, m- масса электрона. Решение этих уравнений с учетом = / = / = / дает: − 0 = ( / )(1 − ( ))

так что с = /- комптоновская длина электрона. Эффект Комптона указывает еще на одно корпускулярное свойство ЭМВ - переносить порцию импульса.

Импульс фотона

- = / = /

Масса фотона

- = /2

с = / = 2.42 10−12м

Эффект Комптона: корпускулярное свойство ЭМВ - фотон переносит порцию импульса.

Добавлено примечание ([44]): Импульс фотона =

масса фотона * скорость света = (энергия фотона/квадрат скорости света)* скорость света = энергия фотона/скорость света

Добавлено примечание ([45]): Масса фотона =

постоянная планка * скорость электрона / скорость света в квадрате