Geometrijska optika. Zakoni geometrijske optike

Definicija 1

Optika- jedna od grana fizike koja proučava svojstva i fizičku prirodu svjetlosti, kao i njezine interakcije s tvarima.

Ovaj odjeljak je podijeljen u tri dijela u nastavku:

• geometrijska ili, kako se još naziva, zračna optika, koja se temelji na pojmu svjetlosnih zraka, otkud joj i naziv;
• valna optika, proučava pojave u kojima se očituju valna svojstva svjetlosti;
• Kvantna optika razmatra takve interakcije svjetlosti sa tvarima u kojima se otkrivaju korpuskularna svojstva svjetlosti.

U ovom poglavlju razmotrit ćemo dva pododjeljka optike. O korpuskularnim svojstvima svjetlosti bit će govora u petom poglavlju.

Davno prije nego što se pojavilo razumijevanje prave fizičke prirode svjetlosti, čovječanstvo je već poznavalo osnovne zakone geometrijske optike.

Zakon pravocrtnog prostiranja svjetlosti

Definicija 1

Zakon pravocrtnog prostiranja svjetlosti kaže da se u optički homogenom sredstvu svjetlost širi pravocrtno.

To potvrđuju oštre sjene koje stvaraju neprozirna tijela pri osvjetljavanju s relativno malim izvorom svjetlosti, odnosno tzv. “točkastim izvorom”.

Još jedan dokaz leži u prilično dobro poznatom eksperimentu prolaska svjetlosti iz udaljenog izvora kroz malu rupu, što rezultira uskim snopom svjetlosti. Ovo iskustvo dovodi nas do ideje o svjetlosnom snopu kao geometrijskoj liniji duž koje se svjetlost širi.

Definicija 2

Vrijedno je napomenuti činjenicu da sam pojam svjetlosne zrake, zajedno sa zakonom pravocrtnog prostiranja svjetlosti, gubi svaki smisao ako svjetlost prolazi kroz rupe čije su dimenzije slične valnoj duljini.

Na temelju toga geometrijska optika, koja se temelji na definiciji svjetlosnih zraka, granični je slučaj valne optike pri λ → 0, čiji ćemo opseg razmotriti u odjeljku o difrakciji svjetlosti.

Na granici između dva prozirna medija svjetlost se može djelomično reflektirati na način da će se dio svjetlosne energije nakon refleksije raspršiti u novom smjeru, dok će drugi prijeći granicu i nastaviti svoje širenje u drugom mediju.

Zakon refleksije svjetlosti

Definicija 3

Zakon refleksije svjetlosti, temelji se na činjenici da su upadna i odbijena zraka, kao i okomica na granicu između dva medija, rekonstruirana u točki upadanja zrake, u istoj ravnini (ravnini upada). U ovom slučaju kutovi refleksije i upadni kutovi, γ odnosno α, jednake su vrijednosti.

Zakon loma svjetlosti

Definicija 4

Zakon loma svjetlosti, temelji se na činjenici da upadna i lomljena zraka, kao i okomica na granicu između dva medija, rekonstruirana u točki upadanja zrake, leže u istoj ravnini. Omjer sin upadnog kuta α i sin kuta loma β je vrijednost koja je konstantna za dva navedena medija:

sin α sin β = n .

Znanstvenik W. Snell je 1621. eksperimentalno utvrdio zakon refrakcije.

Definicija 5

Konstantno n – relativni indeks loma drugog medija u odnosu na prvi.

Definicija 6

Indeks loma medija u odnosu na vakuum naziva se - apsolutni indeks loma.

Definicija 7

Relativni indeks loma dvaju medija je omjer apsolutnih indeksa loma ovih medija, tj.

Zakoni refrakcije i refleksije nalaze svoje značenje u fizici valova. Prema svojim definicijama, refrakcija je rezultat transformacije brzine širenja valova tijekom prijelaza između dva medija.

Definicija 8

Fizikalno značenje indeksa loma je omjer brzine širenja vala u prvom mediju υ 1 i brzine u drugom υ 2:

Definicija 9

Apsolutni indeks loma jednak je omjeru brzine svjetlosti u vakuumu c na brzinu svjetlosti v u sredstvu:

Na slici 3. 1 . 1 ilustrira zakone refleksije i refrakcije svjetlosti.

Slika 3. 1 . 1 . Zakoni refleksije υ refrakcija: γ = α; n 1 sin α = n 2 sin β.

Definicija 10

Medij čiji je apsolutni indeks loma manji je optički manje gustoće.

Definicija 11

U uvjetima prijelaza svjetlosti iz jednog medija slabije optičke gustoće u drugi (n 2< n 1) мы получаем возможность наблюдать явление исчезновения преломленного луча.

Ovaj fenomen se može promatrati pri upadnim kutovima koji prelaze određeni kritični kut α p r. Taj se kut naziva granični kut totalne unutarnje refleksije (vidi sl. 3, 1, 2).

Za upadni kut α = α p sin β = 1 ; vrijednost sin α p p = n 2 n 1< 1 .

Pod uvjetom da je drugi medij zrak (n 2 ≈ 1), tada se jednakost može prepisati kao: sin α p p = 1 n, gdje je n = n 1 > 1 apsolutni indeks loma prvog medija.

U uvjetima sučelja staklo-zrak, gdje je n = 1,5, kritični kut je α p r = 42°, dok je za sučelje voda-zrak n = 1,33, a α p p = 48,7°.

Slika 3. 1 . 2. Potpuna unutarnja refleksija svjetlosti na granici voda-zrak; S – točkasti izvor svjetlosti.

Fenomen potpune unutarnje refleksije naširoko se koristi u mnogim optičkim uređajima. Jedan od takvih uređaja je fiber svjetlovod - tanke, nasumično zakrivljene niti izrađene od optički prozirnog materijala, unutar čijeg se kraja svjetlost koja ulazi na kraj može širiti na goleme udaljenosti. Ovaj izum je postao moguć samo zahvaljujući ispravnoj primjeni fenomena totalne unutarnje refleksije od bočnih površina (slika 3. 1. 3).

Definicija 12

Optička vlakna je znanstveno-tehnički pravac koji se temelji na razvoju i korištenju optičkih vlakana.

Crtanje 3 . 1 . 3 . Širenje svjetlosti u svjetlovodnom vlaknu. Kada je vlakno jako savijeno, narušava se zakon potpune unutarnje refleksije, a svjetlost djelomično izlazi iz vlakna kroz bočnu površinu.

Crtanje 3 . 1 . 4 . Model refleksije i refrakcije svjetlosti.

Ako primijetite grešku u tekstu, označite je i pritisnite Ctrl+Enter

1. Duljina optičkog puta je umnožak geometrijske duljine d putanje svjetlosnog vala u određenom sredstvu i apsolutnog indeksa loma tog medija n.

2. Fazna razlika dva koherentna vala iz jednog izvora, od kojih jedan putuje duljinom puta u mediju s apsolutnim indeksom loma, a drugi - duljinom puta u mediju s apsolutnim indeksom loma:

gdje je , , λ valna duljina svjetlosti u vakuumu.

3. Ako su duljine optičkog puta dvaju zraka jednake, onda se takvi putovi nazivaju tautokronim (ne uvode faznu razliku). U optičkim sustavima koji proizvode stigmatične slike izvora svjetlosti, uvjet tautokroničnosti je zadovoljen svim stazama zraka koje izlaze iz iste točke izvora i konvergiraju u odgovarajućoj točki slike.

4. Veličinom se naziva optička razlika putanje dviju zraka. Razlika hoda povezana je s faznom razlikom:

Ako dvije svjetlosne zrake imaju zajedničku početnu i krajnju točku, tada se razlika u duljinama optičkih putanja tih zraka naziva razlika optičkog puta

Uvjeti za maksimume i minimume tijekom smetnji.

Ako su oscilacije vibratora A i B u fazi i imaju jednake amplitude, tada je očito da rezultirajući pomak u točki C ovisi o razlici putanje dvaju valova.

Maksimalni uvjeti:

Ako je razlika u putanji ovih valova jednaka cijelom broju valova (tj. parnom broju poluvalova)

Δd = kλ, gdje je k = 0, 1, 2, ..., tada se na mjestu preklapanja ovih valova formira interferencijski maksimum.

Maksimalno stanje:

Amplituda rezultirajućeg titranja A = 2x 0 .

Minimalni uvjet:

Ako je razlika u putanji ovih valova jednaka neparnom broju poluvalova, to znači da će valovi iz vibratora A i B doći u točku C u protufazi i međusobno se poništiti: amplituda rezultirajućeg titranja A = 0.

Minimalni uvjet:

Ako Δd nije jednak cijelom broju poluvalova, tada je 0< А < 2х 0 .

Fenomen slomljenja svjetlosti i uvjeti za njegovo opažanje.

U početku se fenomen difrakcije tumačio kao savijanje vala oko prepreke, odnosno prodor vala u područje geometrijske sjene. Sa stajališta moderne znanosti, definicija difrakcije kao savijanja svjetlosti oko prepreke smatra se nedostatnom (preuskom) i ne sasvim adekvatnom. Dakle, difrakcija je povezana s vrlo širokim rasponom pojava koje nastaju tijekom širenja valova (ako se uzme u obzir njihova prostorna ograničenost) u nehomogenim medijima.

Difrakcija valova može se manifestirati:

u transformaciji prostorne strukture valova. U nekim slučajevima, takva se transformacija može smatrati valovima koji se "savijaju" oko prepreka, u drugim slučajevima - kao širenje kuta širenja valnih zraka ili njihovog otklona u određenom smjeru;

u razlaganju valova prema njihovom frekvencijskom spektru;

u transformaciji polarizacije vala;

u promjeni fazne strukture valova.

Najviše je proučena difrakcija elektromagnetskih (osobito optičkih) i akustičnih valova, kao i gravitacijsko-kapilarnih valova (valova na površini tekućine).

Jedan od važnih posebnih slučajeva difrakcije je difrakcija sfernog vala na nekim preprekama (npr. na okviru leće). Ova difrakcija se naziva Fresnelova difrakcija.

Huygens–Fresnel princip.

Prema Huygens-Fresnel principu svjetlosni val pobuđen nekim izvorom S može se prikazati kao rezultat superpozicije koherentnih sekundarnih valova. Svaki element valne površine S(Sl.) služi kao izvor sekundarnog sferičnog vala, čija je amplituda proporcionalna veličini elementa dS.

Amplituda ovog sekundarnog vala smanjuje se s udaljenošću r od izvora sekundarnog vala do mjesta promatranja prema zakonu 1/r. Stoga se iz svakog odjeljka dS valne površine do točke promatranja R dolazi elementarna vibracija:

Gdje ( ωt + α 0) – faza titranja na mjestu valne površine S, k− valni broj, r− udaljenost od površinskog elementa dS do točke P, u kojem dolazi do oscilacije. Faktor a 0 određena amplitudom svjetlosne vibracije na mjestu na kojem je element primijenjen dS. Koeficijent K ovisi o kutu φ između normale na mjesto dS i smjer do točke R. Na φ = 0 ovaj koeficijent je maksimalan, a pri φ/2 jednaka je nuli.
Rezultirajuća oscilacija u točki R predstavlja superpoziciju vibracija (1) uzetih za cijelu površinu S:

Ova formula je analitički izraz Huygens-Fresnelovog principa.

Duljine svjetlosnih valova koje percipira oko vrlo su male (reda veličine ). Stoga se širenje vidljive svjetlosti može smatrati prvom aproksimacijom, apstrahirajući se od njene valne prirode i pretpostavljajući da se svjetlost širi duž određenih linija koje se nazivaju zrake. U graničnom slučaju, odgovarajući zakoni optike mogu se formulirati u jeziku geometrije.

U skladu s tim grana optike u kojoj se zanemaruje konačnost valnih duljina naziva se geometrijska optika. Drugi naziv za ovaj dio je optika zraka.

Osnovu geometrijske optike čine četiri zakona: 1) zakon pravocrtnog prostiranja svjetlosti; 2) zakon neovisnosti svjetlosnih zraka; 3) zakon refleksije svjetlosti; 4) zakon loma svjetlosti.

Zakon pravocrtnog prostiranja kaže da u homogenom mediju svjetlost putuje pravocrtno. Ovaj zakon je približan: kada svjetlost prolazi kroz vrlo male rupe, opažaju se odstupanja od ravnosti, veća što je rupa manja.

Zakon neovisnosti svjetlosnih zraka kaže da eje ne smetaju jedna drugoj pri križanju. Sjecišta zraka ne sprječavaju da se svaka od njih širi neovisno jedna o drugoj. Ovaj zakon vrijedi samo kada intenzitet svjetlosti nije previsok. Kod intenziteta koji se postižu laserima više se ne poštuje neovisnost svjetlosnih zraka.

Zakoni odbijanja i loma svjetlosti formulirani su u § 112 (vidi formule (112.7) i (112.8) i daljnji tekst).

Geometrijska optika može se temeljiti na načelu koje je uspostavio francuski matematičar Fermat sredinom 17. stoljeća. Iz ovog principa slijede zakoni pravocrtnog prostiranja, odbijanja i loma svjetlosti. Kako ga je formulirao sam Fermat, načelo kaže da svjetlost putuje putem za koji joj je potrebno minimalno vrijeme.

Da biste prošli dio staze (Sl.

115.1) svjetlost zahtijeva vrijeme gdje je v brzina svjetlosti u određenoj točki medija.

Zamjenom v kroz (vidi (110.2)), dobivamo da je, dakle, vrijeme potrošeno svjetlom da putuje od točke do točke 2 jednako

(115.1)

Količina koja ima dimenziju duljine

naziva se optička duljina puta.

U homogenom sredstvu optička duljina puta jednaka je umnošku geometrijske duljine puta s i indeksa loma medija:

Prema (115.1) i (115.2)

Proporcionalnost vremena putovanja duljini optičkog puta L omogućuje formuliranje Fermatovog principa na sljedeći način: svjetlost se širi duž puta čija je optička duljina minimalna. Točnije, duljina optičkog puta mora biti ekstremna, tj. ili minimalna, ili maksimalna, ili stacionarna - ista za sve moguće putove. U potonjem slučaju, sve svjetlosne staze između dviju točaka ispadaju taukrone (zahtijevaju isto vrijeme za putovanje).

Fermatov princip podrazumijeva reverzibilnost svjetlosnih zraka. Doista, optički put, koji je minimalan u slučaju širenja svjetlosti od točke 1 do točke 2, također će biti minimalan u slučaju širenja svjetlosti u suprotnom smjeru.

Posljedično, zraka lansirana prema zraci koja je putovala od točke 1 do točke 2 slijedit će istu putanju, ali u suprotnom smjeru.

Pomoću Fermatovog principa dobivamo zakone refleksije i loma svjetlosti. Neka svjetlost pada od točke A do točke B, reflektirana od površine (sl. 115.2; izravan put od A do B blokiran je neprozirnim zaslonom E). Sredstvo kroz koje prolazi zraka je homogeno. Stoga se minimalna duljina optičkog puta svodi na najmanju njegovu geometrijsku duljinu. Geometrijska duljina proizvoljne staze jednaka je (pomoćna točka A je zrcalna slika točke A). Sa slike je vidljivo da najmanju duljinu ima put zrake odbijene u točki O, kojoj je kut refleksije jednak upadnom kutu. Imajte na umu da kako se točka O udaljava od točke O, geometrijska duljina puta raste neograničeno, tako da u ovom slučaju postoji samo jedan ekstrem - minimum.

Nađimo sada točku u kojoj se zraka mora prelomiti, šireći se od A do B, tako da duljina optičkog puta bude ekstremna (sl. 115.3). Za proizvoljnu zraku duljina optičkog puta jednaka je

Da biste pronašli ekstremnu vrijednost, diferencirajte L u odnosu na x i izjednačite derivaciju s nulom)

Faktori za su redom jednaki. Dakle, dobivamo relaciju

izražavajući zakon refrakcije (vidi formulu (112.10)).

Promotrimo refleksiju od unutarnje površine elipsoida revolucije (sl. 115.4; - žarišta elipsoida). Prema definiciji elipse, staze, itd., iste su duljine.

Dakle, sve zrake koje napuste žarište i nakon refleksije stignu u žarište su taukrone. U ovom slučaju, duljina optičkog puta je stacionarna. Ako plohu elipsoida zamijenimo MM plohom koja ima manju zakrivljenost i koja je orijentirana tako da zraka koja izlazi iz točke nakon refleksije od MM pogađa točku, tada će put biti minimalan. Za površinu koja ima zakrivljenost veću od zakrivljenosti elipsoida, put će biti maksimalan.

Stacionarnost optičkih putanja javlja se i pri prolazu zraka kroz leću (sl. 115.5). Zraka ima najkraći put u zraku (gdje je indeks loma gotovo jednak jedinici) i najduži put u staklu ( Zraka ima dulji put u zraku, ali kraći put u staklu. Kao rezultat toga, duljine optičkog puta jer su sve zrake iste.Zbog toga su zrake taukrone i duljina optičkog puta stacionarna.

Promotrimo val koji se širi u nehomogenom izotropnom sredstvu duž zraka 1, 2, 3 itd. (sl. 115.6). Smatrat ćemo da je nehomogenost dovoljno mala da se indeks loma može smatrati konstantnim na segmentima zraka duljine X.

1) Interferencija svjetla.

Interferencija svjetla– to je zbrajanje svjetlosnih valova, pri čemu se obično opaža karakteristična prostorna raspodjela intenziteta svjetlosti (uzorak interferencije) u obliku izmjeničnih svijetlih i tamnih pruga zbog kršenja načela zbrajanja intenziteta.

Do interferencije svjetlosti dolazi samo ako je razlika faza konstantna tijekom vremena, odnosno ako su valovi koherentni.

Fenomen se opaža kada se dvije ili više svjetlosnih zraka superponiraju. Intenzitet svjetlosti u području preklapanja snopova ima karakter izmjeničnih svijetlih i tamnih pruga, pri čemu je intenzitet na maksimumu veći, a na minimumu manji od zbroja intenziteta snopa. Pri korištenju bijele svjetlosti interferencijske se pruge pojavljuju u različitim bojama spektra.

Do smetnji dolazi pod uvjetom da:

1) Frekvencije interferirajućih valova su iste.

2) Poremećaji, ako su vektorske prirode, usmjereni su duž jedne ravne linije.

3) Dodane oscilacije događaju se kontinuirano tijekom cijelog vremena promatranja.

2) Koherentnost.

KOHERENCIJA je koordinirano odvijanje u prostoru i vremenu više oscilatornih ili valnih procesa, pri čemu razlika u njihovim fazama ostaje konstantna. To znači da se valovi (zvuk, svjetlost, valovi na površini vode itd.) šire sinkrono, zaostajući jedan za drugim vrlo određenom količinom. Pri dodavanju koherentnih oscilacija, a smetnje; amplituda ukupnih oscilacija određena je faznom razlikom.

3) Razlika optičkog puta.

Razlika putanje zraka, razlika u optičkim duljinama puta dviju svjetlosnih zraka koje imaju zajedničke početne i završne točke. Koncept razlike putanje ima temeljnu ulogu u opisivanju interferencije svjetlosti i difrakcije svjetlosti. Proračuni raspodjele svjetlosne energije u optičkim sustavima temelje se na izračunavanju razlike putanja zraka (ili snopova zraka) koji kroz njih prolaze.

Razlika putanje optičke zrake je razlika u putanji koju oscilacija putuje od izvora do točke susreta: φ 1 - φ 2 = 2π/λ 0.

Gdje je a amplituda vala, k = 2π / λ je valni broj, λ je valna duljina; I = A 2 - fizikalna veličina jednaka kvadratu amplitude električnog polja vala, tj. intenziteta, i Δ = r 2 - r 1 - tzv. razlika puta.

4) Raspodjela intenziteta svjetlosti u interferencijskom polju.

Interferencijski maksimum (svjetlosna traka) postiže se u onim točkama prostora u kojima je Δ = mλ (m = 0, ±1, ±2, ...), gdje je Δ = r 2 – r 1 razlika puta tzv. . U ovom slučaju, I max = (a 1 + a 2) 2 > I 1 + I 2. Minimum interferencije (tamni pojas) postiže se pri Δ = mλ + λ / 2. Minimalna vrijednost intenziteta I min = (a 1 – a 2) 2< I 1 + I 2 . На рис. 3.7.4 показано распределение интенсивности света в интерференционной картине в зависимости от разности хода Δ.

Raspodjela intenziteta u interferencijskom uzorku. Cijeli broj m je red maksimuma smetnje.

Maksimumi se nalaze u onim točkama za koje razlika u putanji zraka odgovara cijelom broju valnih duljina (parni broj poluvalova), minimumi su neparan broj poluvalova.

Cijeli broj m – najveći red.

5) Interferencija u tankim pločama.Interferometri.

Interferencija u tankim filmovima. Često se opaža da tanki prozirni filmovi poprimaju duginu boju - ovaj fenomen je uzrokovan interferencijom svjetlosti. Neka svjetlost iz točkastog izvora S pada na površinu prozirnog filma. Zrake se djelomično reflektiraju od površine filma okrenute prema izvoru, a dijelom prolaze u debljinu filma, reflektiraju se od njegove druge površine i ponovno lomljene izlaze van. Dakle, u području iznad površine filma postoji superpozicija dvaju valova nastalih kao rezultat refleksije početnog vala s obje površine filma. Da biste promatrali interferencijski uzorak, trebate prikupiti interferentne zrake, na primjer, postavljanjem sabirne leće na njihov put, a iza nje na određenoj udaljenosti zaslon za promatranje.

Može se zaključiti da je razlika optičkog puta jednaka Ili. X. = 2h√(n 2 -sin 2 i) + λ/2, gdje je h debljina filma, i je upadni kut zraka, n je indeks loma tvari filma, λ je valna duljina.

Dakle, za homogeni film razlika optičkog puta ovisi o dva čimbenika: upadnom kutu snopa i i debljini filma h u točki upada snopa.

Planparalelni film. Budući da je debljina filma svugdje ista, r.r.x. ovisi samo o kutu upada. Dakle, za sve parove zraka s istim kutom nagiba, o.r.x. su isti, a kao posljedica interferencije tih zraka na ekranu se pojavljuje crta duž koje je intenzitet konstantan. Kako se upadni kut povećava, razlika putanje kontinuirano opada, povremeno postajući jednaka ili parnom ili neparnom broju poluvalova, stoga se opažaju izmjenične svijetle i tamne pruge.

Heterogeni film. S povećanjem debljine filma, o.r.x. zrake kontinuirano rastu, naizmjenično postaju jednake ili parnom ili neparnom broju poluvalova, stoga se uočava izmjena tamnih i svijetlih pruga - pruga jednake debljine, formiranih od zraka koje dolaze s mjesta s istom debljinom filma.

Interferometar– mjerni uređaj koji koristi interferenciju valova. Najviše se koriste optički interferometri. Koriste se za mjerenje valne duljine spektralnih linija, indeks loma transparentni mediji, apsolutni i relativni duljine, kutne veličine zvijezda itd., za kontrola kvalitete optičkih dijelova i njihove površine itd.

Načelo Djelovanje svih interferometra je isto, a razlikuju se samo u načinu proizvodnje koherentnih valova iu tome koja se količina izravno mjeri. Snop svjetlosti, pomoću jednog ili drugog uređaja, prostorno se dijeli na dva ili više koherentnih snopa, koji prolaze kroz različite optičke putanje i zatim se spajaju. Na mjestu gdje se zrake skupljaju uočava se interferencijski uzorak čiji izgled, odnosno oblik i relativni položaj interferencijskih maksimuma i minimuma, ovisi o načinu dijeljenja svjetlosnog snopa na koherentne snopove, o broju interferentne zrake, razlika u njihovim optičkim putevima (optička razlika puta), relativni intenzitet, veličina izvora, spektralni sastav svjetlosti.

Difrakcija svjetlosti. Huygens-Fresnel princip. Fresnelova i Fraunhoferova difrakcija. Difrakcijska rešetka. Difrakcijski spektri i spektrografi. Difrakcija rendgenskih zraka u kristalima. Wulff-Braggova formula.

1) Difrakcija svjetlosti.

Difrakcija svjetlost je pojava odstupanja svjetlosti od pravocrtnog smjera prostiranja pri prolasku u blizini prepreka.

Pod određenim uvjetima svjetlost može ući u područje geometrijske sjene. Ako se na putu paralelnog snopa svjetlosti nalazi okrugla prepreka (okrugli disk, kugla ili okrugla rupa u neprozirnom ekranu), tada na ekranu koji se nalazi na dovoljno velikoj udaljenosti od prepreke, difrakcijski uzorak– sustav izmjeničnih svijetlih i tamnih prstenova. Ako je prepreka linearna (prorez, nit, rub ekrana), tada se na ekranu pojavljuje sustav paralelnih ogibnih pruga.

2) Huygens-Fresnel princip.

Fenomen difrakcije objašnjava se pomoću Huygensovog principa prema kojem svaka točka do koje val dopire služi kao središte sekundarnih valova, a omotnica tih valova određuje položaj fronte vala u sljedećem trenutku vremena.

Neka ravni val pada normalno na rupu u neprozirnom ekranu. Svaka točka dijela valne fronte izolirana rupom služi kao izvor sekundarnih valova (u homogenom izotopskom sredstvu su sferični).

Konstruirajući ovojnicu sekundarnih valova za određeni vremenski trenutak, vidimo da valna fronta ulazi u područje geometrijske sjene, tj. val obilazi rubove rupe.

Fresnel je stavio fizičko značenje u Huygensov princip, nadopunjujući ga idejom interferencije sekundarnih valova.

Pri razmatranju difrakcije Fresnel je polazio od nekoliko osnovnih načela, prihvaćenih bez dokaza. Skup ovih iskaza naziva se Huygens–Fresnel princip.

Prema Huygensovom principu, svaka točka na valnoj fronti može se smatrati izvorom sekundarnih valova.

Fresnel je značajno razvio ovo načelo.

· Svi sekundarni izvori valne fronte koji proizlaze iz jednog izvora međusobno su koherentni.

· Jednake površine valne površine emitiraju jednake intenzitete (snage).

· Svaki sekundarni izvor emitira svjetlost pretežno u smjeru vanjske normale na valnu površinu u toj točki. Amplituda sekundarnih valova u smjeru koji s normalom zaklapa kut α manja je što je kut α veći i jednaka je nuli pri .

· Za sekundarne izvore vrijedi princip superpozicije: zračenje nekih dijelova valne površine ne utječe na zračenje drugih (ako je dio valne površine prekriven neprozirnim zaslonom, sekundarne valove emitirat će otvoreni dijelovi kao da nema paravana).

Huygens-Fresnelov princip je formuliran na sljedeći način: Svaki element fronte vala može se smatrati središtem sekundarnog poremećaja koji generira sekundarne sferne valove, a rezultirajuće svjetlosno polje u svakoj točki prostora bit će određeno interferencijom tih valova.

3) Fresnelova i Fraunhoferova difrakcija.

Fresnel je predložio podjelu valne površine upadnog vala na mjestu prepreke u prstenaste zone (Fresnelove zone) prema sljedećem pravilu: udaljenost od granica susjednih zona do točke P trebala bi se razlikovati za polovinu valne duljine, tj. , gdje je L udaljenost od ekrana do točke promatranja.

Lako je pronaći radijuse ρ m Fresnelovih zona:

Dakle, u optici λ<< L, вторым членом под корнем можно пренебречь. Количество зон Френеля, укладывающихся на отверстии, определяется его радиусом R: Здесь m – не обязательно целое число.

Fresnel difrakcija je difrakcija sfernog svjetlosnog vala na nehomogenosti (na primjer, rupi), čija je veličina usporediva s promjerom jedne od Fresnelovih zona.

Za praksu je najzanimljiviji slučaj difrakcije svjetlosti, kada prepreka ostavlja otvorenim samo mali dio 1. Fresnelove zone. Ovaj slučaj se realizira pod uvjetom

tj. difrakcijski uzorak od malih prepreka u ovom slučaju treba promatrati na vrlo velikim udaljenostima. Na primjer, ako je R = 1 mm, λ = 550 nm (zeleno svjetlo), tada bi udaljenost L do ravnine gledanja trebala biti znatno veća od 2 metra (tj. najmanje 10 metara ili više). Zrake usmjerene na udaljenu točku promatranja iz različitih elemenata fronte vala mogu se praktički smatrati paralelnima. Ovaj slučaj difrakcije naziva se difrakcija na paralelnim zrakama odn Fraunhoferova difrakcija. Ako se sabirna leća postavi na put zraka iza prepreke, tada će se paralelni snop zraka, difraktiran na prepreci pod kutom θ, sakupiti u nekoj točki žarišne ravnine. Stoga je svaka točka u žarišnoj ravnini leće ekvivalentna točki u beskonačnosti u odsutnosti leće.

4) Difrakcijska rešetka.

Difrakcijska rešetka- optički uređaj koji radi na principu difrakcije svjetlosti, skup je većeg broja pravilno raspoređenih poteza (ureza, izbočina) nanesenih na određenu površinu.

· Reflektirajući: Potezi se nanose na zrcalnu (metalnu) površinu, a promatranje se provodi u reflektiranoj svjetlosti

· Transparentan: Potezi se nanose na prozirnu površinu (ili izrezuju u obliku proreza na neprozirnom ekranu), promatranje se provodi u prolaznom svjetlu.

Udaljenost kroz koju se linije na rešetki ponavljaju naziva se periodom ogibne rešetke. Određen slovom d.

Ako je poznat broj udaraca ( N), po 1 mm rešetke, tada se period rešetke nalazi pomoću formule: d = 1 / N mm.

Uvjeti za glavne difrakcijske maksimume opažene pod određenim kutovima su sljedeći:

Gdje d- period rešetke, α - maksimalni kut zadane boje, k- poredak maksimuma,

λ - valna duljina.

Opis fenomena: Prednji dio svjetlosnog vala podijeljen je rešetkastim šipkama u zasebne zrake koherentne svjetlosti. Ove zrake podliježu difrakciji na prugama i interferiraju jedna s drugom. Budući da svaka valna duljina ima svoj kut difrakcije, bijela svjetlost se rastavlja u spektar.

5) Difrakcijski spektri i spektrografi.

Difrakcijski spektar se dobiva kada svjetlost prolazi kroz veliki broj malih rupica i proreza, tj. kroz difrakcijske rešetke ili kad se od njih reflektiraju.

U difrakcijskom spektru odstupanje zraka strogo je proporcionalno valnoj duljini, tako da se ultraljubičaste i ljubičaste zrake, kao najkraće valne, najmanje odbijaju, a crvene i infracrvene zrake, kao najdulje valne, najviše odbijaju. . Difrakcijski spektar je najprošireniji prema crvenim zrakama.

Spektrograf je spektralni uređaj u kojem prijemnik zračenja gotovo istovremeno bilježi cijeli spektar razmotan u žarišnoj ravnini optičkog sustava. Kao detektori zračenja u spektrografu služe fotografski materijali i višeelementni fotodetektori.

Spektrograf ima tri glavna dijela: kolimator koji se sastoji od leće sa žarišnom duljinom f 1 i prorez instaliran u žarišnoj točki leće; disperzivni sustav koji se sastoji od jedne ili više lomnih prizmi; i kamera koja se sastoji od leće sa žarišnom duljinom f 2 a fotografska ploča smještena u žarišnoj ravnini objektiva.

6) Difrakcija rendgenskih zraka u kristalima.

rendgenska difrakcija, raspršenje X-zraka kristalima (ili molekulama tekućina i plinova), u kojem sekundarne otklonjene zrake iste valne duljine proizlaze iz početnog snopa zraka, što je rezultat interakcije primarnih X-zraka s elektronima tvari; smjer i intenzitet sekundarnih zraka ovise o strukturi raspršujućeg objekta. Difraktirane zrake čine dio ukupnog X-zračenja raspršenog na tvari.

Kristal je prirodan trodimenzionalan difrakcijska rešetka za rendgenske snimke, jer udaljenost između centara raspršenja (atoma) u kristalu je istog reda kao i valna duljina X-zraka (~1Å=10 -8 cm). Difrakcija X-zraka na kristalima može se smatrati selektivnom refleksijom X-zraka od sustava atomskih ravnina kristalne rešetke. Smjer difrakcijskih maksimuma istovremeno zadovoljava tri uvjeta:

a(cos a - cos a 0) = N l,

b(cos b - cos b 0) = K l,

S(cos g - cos g 0) = L l.

Ovdje A, b, S- razdoblja kristalna rešetka duž svoje tri osi; a 0 , b 0 , g 0 su kutovi koje čine upadne, a a, b, g - raspršene zrake s kristalnim osima; l je valna duljina X-zraka, N, DO, L- cijeli brojevi. Ove se jednadžbe nazivaju Laueove jednadžbe. Difrakcijski uzorak dobiva se ili od stacionarnog kristala pomoću rendgenskog zračenja s kontinuiranim spektrom, ili od rotirajućeg ili oscilirajućeg kristala (kutovi a 0, b 0 se mijenjaju, a g 0 ostaje konstantan), osvijetljenog monokromatskim rendgenskim zračenjem (l - konstanta), ili iz polikristala , osvijetljen monokromatskim zračenjem.

7) Wulff-Braggova formula.

To je uvjet koji određuje položaj maksimuma interferencije X-zraka raspršenih kristalom bez promjene njihove duljine. Prema Bragg-Wulfovoj teoriji, maksimumi nastaju kada se X-zrake reflektiraju od sustava paralelnih kristalografskih ravnina, kada zrake reflektirane od različitih ravnina tog sustava imaju razliku putanje jednaku cijelom broju valnih duljina.

Gdje d- međuplanarna udaljenost, θ kut između reflektirajuće ravnine i upadne zrake (difrakcijski kut), l - valna duljina x-zraka i m- poredak refleksije, tj. pozitivan cijeli broj.

Polarizacija svjetlosti. Malusov zakon. Brewsterov zakon. Dvolom u jednoosnim kristalima. Rotacija ravnine polarizacije. Metode polarizacijske analize stijena. Normalna i anomalna disperzija svjetlosti. Raspršenje svjetlosti. Vanjski fotoefekat. “Crvena granica” fotoelektričnog efekta.

1) Polarizacija svjetlosti.

Polarizacija svjetlosti- to je urednost u orijentaciji vektora intenziteta električnog E i magnetskog H polja svjetlosnog vala u ravnini okomitoj na svjetlosni snop. Postoji linearna polarizacija svjetlosti, kada E zadržava konstantan smjer (ravnina polarizacije je ravnina u kojoj leže E i svjetlosni snop), eliptična polarizacija svjetlosti, u kojoj kraj E opisuje elipsu u ravnini okomitoj na snop, i kružna polarizacija svjetlosti (kraj E opisuje krug).

Nastaje kada svjetlost udari površinu pod određenim kutom, reflektira se i postane polarizirana. Polarizirana svjetlost se također slobodno širi u prostoru, kao i obična sunčeva svjetlost, ali uglavnom u dva smjera - horizontalnom i vertikalnom. "Okomita" komponenta donosi korisne informacije ljudskom oku, omogućujući mu prepoznavanje boja i kontrasta. A "horizontalna" komponenta stvara "optički šum" ili odsjaj.

2) Malusov zakon. Brewsterov zakon.

Malusov zakon- ovisnost intenziteta linearno polarizirane svjetlosti nakon prolaska kroz polarizator o kutu između ravnina polarizacije upadne svjetlosti i polarizatora. Gdje ja 0 - intenzitet svjetlosti koja pada na polarizator, ja- intenzitet svjetlosti koja izlazi iz polarizatora.

Brewsterov zakon- optički zakon koji izražava odnos indeksa loma s kutom pod kojim će svjetlost odbijena od sučelja biti potpuno polarizirana u ravnini okomitoj na ravninu upada, a lomljena zraka djelomično polarizirana u ravnini upada, a polarizacija lomljene zrake dostiže najveću vrijednost. Lako je ustanoviti da su u tom slučaju odbijena i lomljena zraka međusobno okomite. Odgovarajući kut naziva se Brewsterov kut. tan φ = n gdje je indeks loma drugog medija u odnosu na prvi sin φ/sin r = n (r je kut loma), a φ je kut upada (Brewsterov kut).

3) Dvolom u jednoosnim kristalima.

Dvoloma- učinak cijepanja svjetlosnog snopa na dvije komponente u anizotropnom mediju. Prvi put otkriven na islandskom kristalu. Ako zraka svjetlosti padne okomito na površinu kristala, tada se na toj površini razdvoji u dvije zrake. Prva zraka nastavlja se širiti ravno i naziva se običnom, dok druga zraka skreće u stranu, kršeći uobičajeni zakon loma svjetlosti, i naziva se izvanrednom.

Dvolom se također može uočiti kada zraka svjetlosti pada koso na površinu kristala. U islandskom špatu i nekim drugim kristalima postoji samo jedan smjer duž kojeg ne dolazi do dilatacije. Naziva se optička os kristala, a takvi kristali jesu jednoosni.

4) Rotacija ravnine polarizacije.

Rotacija ravnine polarizacije svjetlost - rotacija ravnine polarizacije linearno polarizirane svjetlosti pri njenom prolasku kroz materiju. Rotacija ravnine polarizacije opaža se u medijima s kružnim dvolomom.

Linearno polarizirani snop svjetlosti može se zamisliti kao rezultat zbrajanja dviju zraka koje se šire u istom smjeru i polarizirane su u krugu sa suprotnim smjerom rotacije. Ako se takve dvije zrake šire u tijelu različitim brzinama, to dovodi do rotacije ravnine polarizacije ukupne zrake. Rotacija ravnine polarizacije može biti uzrokovana ili unutarnjom strukturom tvari ili vanjskim magnetskim poljem.

Provučete li zraku sunčeve svjetlosti kroz malu rupicu napravljenu na neprozirnoj pločici iza koje se nalazi islandski kristal, tada će iz kristala izaći dvije zrake jednakog intenziteta svjetlosti. Sunčeva zraka se, uz blagi gubitak svjetlosne jakosti, u kristalu podijelila na dvije zrake jednake svjetlosne jakosti, ali po nekim svojstvima različite od nepromijenjene sunčeve zrake i međusobno.

5) Metode polarizacijske analize stijena.

Seizmička istraživanja - geofizička metoda za proučavanje geoloških objekata pomoću elastičnih vibracija - seizmičkih valova. Ova metoda temelji se na činjenici da brzina širenja i druge karakteristike seizmičkih valova ovise o svojstvima geološkog okoliša u kojem se šire: o sastavu stijena, njihovoj poroznosti, raspucanosti, zasićenosti fluidom, stanju naprezanja i temperaturnim uvjetima. pojave. Geološki okoliš karakterizira neravnomjerna raspodjela ovih svojstava, odnosno heterogenost, koja se očituje refleksijom, lomom, lomom, difrakcijom i apsorpcijom seizmičkih valova. Proučavanje reflektiranih, lomljenih, lomljenih i drugih vrsta valova u svrhu utvrđivanja prostorne distribucije i kvantificiranja elastičnih i drugih svojstava geološkog okoliša čini sadržaj metoda seizmičkih istraživanja i određuje njihovu raznolikost.

Vertikalno seizmičko profiliranje- Ovo je vrsta 2D seizmičkog istraživanja, tijekom kojeg se izvori seizmičkih valova nalaze na površini, a prijemnici se postavljaju u bušotinu.

Akustična karotaža- metode proučavanja svojstava stijena mjerenjem u bušotini karakteristika elastičnih valova ultrazvučnih (iznad 20 kHz) i zvučnih frekvencija. Tijekom akustičke karotaže u bušotini se pobuđuju elastične vibracije koje se šire u njoj i okolnim stijenama i percipiraju prijemnici koji se nalaze u istoj okolini.

6) Normalna i anomalna disperzija svjetlosti.

Disperzija svjetla je ovisnost indeksa loma tvari o frekvenciji svjetlosnog vala. Ovaj odnos nije linearan ili monoton. Područja vrijednosti ν u kojima (ili ) odgovaraju normalna disperzija svjetlost (s povećanjem frekvencije ν raste indeks loma n). Normalna disperzija opaža se u tvarima koje su prozirne za svjetlost. Na primjer, obično staklo je prozirno za vidljivu svjetlost, au ovom frekvencijskom području postoji normalna disperzija svjetlosti u staklu. “Razlaganje” svjetlosti pomoću staklene prizme monokromatora temelji se na fenomenu normalne disperzije.

Varijanca se zove abnormalno, ja za)

oni. Povećanjem frekvencije ν smanjuje se indeks loma n. Anomalna disperzija opaža se u frekvencijskim područjima koja odgovaraju vrpcama intenzivne apsorpcije svjetlosti u određenom mediju. Na primjer, obično staklo pokazuje nenormalnu disperziju u infracrvenom i ultraljubičastom dijelu spektra.

7) Raspršenje svjetlosti.

Raspršenje svjetlosti- raspršenje elektromagnetskih valova u vidljivom području tijekom njihove interakcije s materijom. U tom slučaju dolazi do promjene prostorne raspodjele, frekvencije i polarizacije optičkog zračenja, iako se raspršenje često shvaća samo kao transformacija kutne raspodjele svjetlosnog toka.

8) Vanjski fotoefekat. “Crvena granica” fotoelektričnog efekta.

Foto efekt- ovo je emisija elektrona tvari pod utjecajem svjetlosti (i, općenito govoreći, bilo kojeg elektromagnetskog zračenja). U kondenziranim tvarima (krutim i tekućim) postoji vanjski i unutarnji fotoelektrični efekt.

Zakoni fotoelektričnog efekta:

Formulacija 1. zakona fotoelektričnog efekta: broj elektrona koje svjetlost emitira s površine metala u 1 s izravno je proporcionalan intenzitetu svjetlosti.

Prema 2. zakonu fotoelektričnog efekta, maksimalna kinetička energija elektrona izbačenih svjetlošću raste linearno s frekvencijom svjetlosti i ne ovisi o njenom intenzitetu.

Treći zakon fotoelektričnog efekta: za svaku tvar postoji crvena granica fotoelektričnog efekta, odnosno minimalna frekvencija svjetlosti ν0 (ili maksimalna valna duljina y0), pri kojoj je fotoelektrični efekt još moguć, a ako je ν<ν0 , то фотоэффект уже не происходит .

Vanjski fotoefekat(photoelectron emission) je emisija elektrona tvari pod utjecajem elektromagnetskog zračenja. Elektroni emitirani iz tvari zbog vanjskog fotoelektričnog efekta nazivaju se fotoelektroni, a električna struja koju oni generiraju tijekom uređenog kretanja u vanjskom električnom polju naziva se fotostruja.

Fotokatoda je elektroda vakuumskog elektroničkog uređaja koja je izravno izložena elektromagnetskom zračenju i pod utjecajem tog zračenja emitira elektrone.

Ovisnost spektralne osjetljivosti o frekvenciji ili valnoj duljini elektromagnetskog zračenja naziva se spektralna karakteristika fotokatode.

Zakoni vanjskog fotoelektričnog efekta

1. Stoletovljev zakon: s konstantnim spektralnim sastavom elektromagnetskog zračenja koje pada na fotokatodu, fotostruja zasićenja proporcionalna je energetskom osvjetljenju katode (drugim riječima: broj fotoelektrona izbačenih iz katode u 1 s izravno je proporcionalan prema intenzitetu zračenja):
I

2. Najveća početna brzina fotoelektrona ne ovisi o intenzitetu upadne svjetlosti, već je određena samo njezinom frekvencijom.

3. Za svaku fotokatodu postoji crvena granica fotoelektričnog efekta, odnosno minimalna frekvencija elektromagnetskog zračenja ν 0 pri kojoj je fotoelektrični efekt još moguć.

"Crvena" granica fotoelektričnog efekta- minimalna frekvencija svjetlosti pri kojoj je još moguć vanjski fotoelektrični efekt, odnosno početna kinetička energija fotoelektrona veća je od nule. Frekvencija ovisi samo o radu izlaza elektrona: gdje A je izlazni rad za određenu fotokatodu, i h- Planckova konstanta. Radna funkcija A ovisi o materijalu fotokatode i stanju njezine površine. Emisija fotoelektrona počinje čim se pojavi svjetlost frekvencije .

Građa atoma. Bohrovi postulati. Značajke gibanja kvantnih čestica. De Brogliejeva hipoteza. Heisenbergov princip neodređenosti. Kvantni brojevi. Paulijevo načelo. Atomska jezgra, njen sastav i karakteristike. Energija vezanja nukleona u jezgri i defekt mase. Međusobne transformacije nukleona. Prirodna i umjetna radioaktivnost. Lančana reakcija fisije urana. Termonuklearna fuzija i problem kontroliranih termonuklearnih reakcija.

1) Građa atoma.

Atom- najmanji kemijski nedjeljivi dio kemijskog elementa, koji je nositelj njegovih svojstava.

Atom se sastoji od atomske jezgre i elektronskog oblaka koji ga okružuje. Jezgra atoma sastoji se od pozitivno nabijenih protona i električki neutralnih neutrona, dok se oblak koji je okružuje sastoji od negativno nabijenih elektrona. Ako se broj protona u jezgri podudara s brojem elektrona, tada se atom kao cjelina pokazuje električki neutralnim. U suprotnom, ima neki pozitivan ili negativan naboj i naziva se ion. Atomi se klasificiraju prema broju protona i neutrona u jezgri: broj protona određuje pripada li atom određenom kemijskom elementu, a broj neutrona određuje izotop tog elementa.

Atomi različitih vrsta u različitim količinama, povezani međuatomskim vezama, tvore molekule.

2) Bohrovi postulati.

Ovi postulati glase:

1.u atomu postoje stacionarne putanje u kojima elektron ne emitira niti apsorbira energiju,

2. radijus stacionarnih orbita je diskretan; njegove vrijednosti moraju zadovoljiti uvjete za kvantiziranje kutne količine gibanja elektrona: m v r = n, gdje je n cijeli broj,

3. kada se kreće iz jedne stacionarne orbite u drugu, elektron emitira ili apsorbira kvant energije, a veličina kvanta je točno jednaka razlici energija ovih razina: hn = E 1 – E 2.

3) Značajke gibanja kvantnih čestica.

Kvantne čestice- to su elementarne čestice - odnose se na mikro-objekte na subnuklearnoj razini koji se ne mogu rastaviti na svoje sastavne dijelove.

U kvantnoj mehanici čestice nemaju određenu koordinatu i možemo govoriti samo o vjerojatnosti pronalaska čestice u određenom području prostora. Stanje čestice opisuje se valnom funkcijom, a dinamika čestice (ili sustava čestica) opisuje se Schrödingerovom jednadžbom. Schrödingerova jednadžba i njezina rješenja: opisuju energetske razine čestice; opisati valne funkcije;

opisati energetske razine čestice kada postoji ne samo magnetsko polje, već i električno; opisuju energetske razine čestice u dvodimenzionalnom prostoru.

Schrödingerova jednadžba za jednu česticu ima oblik

gdje je m masa čestice, E njezina ukupna energija, V(x) potencijalna energija, a y veličina koja opisuje val elektrona.

4) De Brogliejeva hipoteza.

Prema de Broglieovoj hipotezi svaka materijalna čestica ima valna svojstva, a odnosi koji povezuju valne i korpuskularne karakteristike čestice ostaju isti kao i kod elektromagnetskog zračenja. Podsjetimo se da su energija i količina gibanja fotona povezani s kružnom frekvencijom i valnom duljinom relacijama

Prema de Broglieovoj hipotezi, pokretna čestica s energijom i količinom gibanja odgovara valnom procesu čija je frekvencija jednaka i valnoj duljini

Kao što je poznato, ravni val s frekvencijom koja se širi duž osi može se prikazati u složenom obliku gdje je amplituda vala, a valni broj.

Prema de Broglieovoj hipotezi, slobodna čestica s energijom i količinom gibanja koja se kreće duž osi odgovara ravnom valu šireći se u istom smjeru i opisujući valna svojstva čestice. Taj se val naziva de Broglie val. Relacije koje povezuju valna i korpuskularna svojstva čestice

gdje je količina gibanja čestice i valni vektor nazivaju se de Broglieove jednadžbe.

5) Heisenbergov princip neodređenosti.

Eksperimentalna istraživanja svojstava mikročestica (atoma, elektrona, jezgri, fotona itd.) pokazala su da je točnost određivanja njihovih dinamičkih varijabli (koordinata, kinetičke energije, količine gibanja itd.) ograničena i regulirana nesigurnošću W. Heisenberga načelo. Prema ovom načelu, dinamičke varijable koje karakteriziraju sustav mogu se podijeliti u dvije (međusobno komplementarne) skupine:

1) vremenske i prostorne koordinate ( t I q);
2) impulsi i energija ( str I E).

U ovom slučaju nemoguće je istovremeno odrediti varijable iz različitih skupina s bilo kojim željenim stupnjem točnosti (primjerice, koordinate i impulse, vrijeme i energiju). To nije zbog ograničene rezolucije instrumenata i eksperimentalne tehnologije, već odražava temeljni zakon prirode. Njegova matematička formulacija dana je relacijama: gdje je D q, D str, D E, D t- nesigurnost (pogreška) u mjerenju koordinata, impulsa, energije i vremena; h- Planckova konstanta.

Obično je energetska vrijednost mikročestice naznačena prilično točno, jer se ta vrijednost relativno lako određuje eksperimentalno.

6) Kvantni brojevi.

Kvantni broj u kvantnoj mehanici - brojčana vrijednost (cijeli (0, 1, 2,...) ili polucijeli (1 / 2, 3 / 2, 5 / 2,...) brojevi koji definiraju moguće diskretne vrijednosti fizikalnih količine) bilo koje kvantizirane varijable mikroskopskog objekta (elementarne čestice, jezgre, atoma itd.), karakterizirajući stanje čestice. Određivanje kvantnih brojeva potpuno karakterizira stanje čestice.

Neki kvantni brojevi povezani su s gibanjem u prostoru i karakteriziraju prostornu raspodjelu valne funkcije čestice. Ovo je, na primjer, radijalno (glavno) ( n r), orbitalni ( l) i magnetski ( m) kvantni brojevi elektrona u atomu, koji su definirani kao broj čvorova radijalne valne funkcije, vrijednost orbitalnog kutnog momenta odnosno njegova projekcija na danu os.

7) Paulijevo načelo.

Paulijevo načelo(načelo zabrane) jedno je od temeljnih načela kvantne mehanike, prema kojem dva ili više identičnih fermiona (elementarne čestice koje čine materiju ili čestica s polucijelom vrijednošću spina (intrinzični kutni moment elementarnih čestica)) ne mogu istovremeno biti u istom kvantnom stanju.

Paulijev princip se može formulirati kako slijedi: unutar jednog kvantnog sustava samo jedna čestica može biti u danom kvantnom stanju, stanje druge se mora razlikovati u barem jednom kvantnom broju.

8) Atomska jezgra, njen sastav i karakteristike.

Atomska jezgra- središnji dio atoma, u kojem je koncentriran najveći dio njegove mase i čija struktura određuje kemijski element kojem atom pripada.

Atomska jezgra sastoji se od nukleona - pozitivno nabijenih protona i neutralnih neutrona, koji su međusobno povezani jakom interakcijom. Proton i neutron imaju svoj kutni moment (spin), jednak i s njim povezan magnetski moment.

Atomska jezgra, koja se smatra klasom čestica s određenim brojem protona i neutrona, obično se naziva nuklid.

Broj protona u jezgri naziva se njezinim nabojnim brojem - taj je broj jednak atomskom broju elementa kojem atom pripada u periodnom sustavu elemenata. Broj protona u jezgri u potpunosti određuje strukturu elektronske ljuske neutralnog atoma, a time i kemijska svojstva odgovarajućeg elementa. Broj neutrona u jezgri naziva se njezin izotopski broj. Jezgre s istim brojem protona i različitim brojem neutrona nazivaju se izotopi. Jezgre s istim brojem neutrona, ali različitim brojem protona nazivaju se izotonima.

Ukupan broj nukleona u jezgri naziva se njezinim masenim brojem (očito) i približno je jednak prosječnoj masi atoma prikazanoj u periodnom sustavu.

Masa jezgre m i uvijek je manja od zbroja masa čestica koje su u njoj uključene. To je zbog činjenice da kada se nukleoni spoje u jezgru, oslobađa se energija vezanja nukleona međusobno. Energija mirovanja čestice povezana je s njezinom masom relacijom E 0 = mc 2. Prema tome, energija mirovanja jezgre manja je od ukupne energije mirujućih nukleona koji međusobno djeluju za iznos E st = c 2 (- m i ). Ova vrijednost je energija vezanja nukleona u jezgri To je jednako radu koji je potrebno obaviti da se nukleoni koji tvore jezgru razdvoje i udalje jedan od drugoga na takvim udaljenostima da praktički ne djeluju međusobno. Naziva se veličina Δ=-n defekt mase jezgre.Defekt mase je povezan s energijom vezanja relacijom Δ=E svjetlo /c 2.

Masovni defekt- razlika između mase mirovanja atomske jezgre određenog izotopa, izražene u jedinicama atomske mase, i zbroja masa mirovanja njegovih sastavnih nukleona. Obično naznačeno.

Prema Einsteinovoj relaciji, defekt mase i energija vezanja nukleona u jezgri su ekvivalentni:

Gdje je Δ m- masovni defekt i S- brzina svjetlosti u vakuumu. Defekt mase karakterizira stabilnost jezgre.

10) Međusobne transformacije nukleona.

Beta zračenje je tok β - čestica koje emitiraju atomske jezgre tijekom β - raspada radioaktivnih izotopa. β-raspad je radioaktivni raspad atomske jezgre, popraćen emisijom elektrona ili pozitrona iz jezgre. Ovaj proces je uzrokovan spontanom transformacijom jednog od nukleona jezgre u nukleon druge vrste, naime: transformacijom ili neutrona (n) u proton (p), ili protona u neutron. Elektroni i pozitroni emitirani tijekom beta raspada zajednički se nazivaju beta čestice. Međusobne transformacije nukleona praćene su pojavom još jedne čestice - neutrina (n) u slučaju β + - raspada ili antineutrina u slučaju β - - raspada.

11) Prirodna i umjetna radioaktivnost.

Radioaktivnost - spontana transformacija jednih jezgri u druge, praćena emisijom raznih čestica ili jezgri.

Prirodna radioaktivnost promatrana u jezgrama koje postoje u prirodnim uvjetima.

Umjetna radioaktivnost- za jezgre umjetno dobivene nuklearnim reakcijama

12) Lančana reakcija fisije urana.

Reakcije fisije su proces u kojem se nestabilna jezgra cijepa na dva velika fragmenta usporedivih masa.

Kada se uran bombardira neutronima, nastaju elementi srednjeg dijela periodnog sustava - radioaktivni izotopi barija (Z = 56), kriptona (Z = 36) itd.

Uran se u prirodi pojavljuje u obliku dva izotopa: (99,3%) i (0,7%). Kada su bombardirane neutronima, jezgre obaju izotopa mogu se podijeliti u dva fragmenta. U tom se slučaju fisijska reakcija najintenzivnije odvija sa sporim (toplinskim) neutronima, dok jezgre stupaju u fisijsku reakciju samo s brzim neutronima s energijom reda veličine 1 MeV.

Glavni interes za nuklearnu energiju je reakcija fisije jezgre.Trenutno je poznato oko 100 različitih izotopa s masenim brojevima od približno 90 do 145, koji nastaju fisijom ove jezgre. Dvije tipične reakcije fisije ove jezgre su: Kao rezultat nuklearne fisije koju inicira neutron, nastaju novi neutroni koji mogu potaknuti reakcije fisije drugih jezgri. Produkti fisije jezgri urana-235 mogu biti i drugi izotopi barija, ksenona, stroncija, rubidija itd.

13) Termonuklearna fuzija i problem kontroliranih termonuklearnih reakcija.

Termonuklearna reakcija(sinonim: reakcija nuklearne fuzije) vrsta je nuklearne reakcije u kojoj se lake atomske jezgre spajaju u teže jezgre. Korištenje reakcije nuklearne fuzije kao praktički neiscrpnog izvora energije povezano je prvenstveno s perspektivom ovladavanja tehnologijom kontrolirane fuzije.

Kontrolirana termonuklearna fuzija(CBF) je sinteza težih atomskih jezgri iz lakših radi dobivanja energije, koja je, za razliku od eksplozivne termonuklearne fuzije (koja se koristi u termonuklearnom oružju), u prirodi kontrolirana. Kontrolirana termonuklearna fuzija razlikuje se od tradicionalne nuklearne energije po tome što potonja koristi reakciju raspada, tijekom koje se iz teških jezgri proizvode lakše jezgre. Glavne nuklearne reakcije koje se planiraju koristiti za postizanje kontrolirane termonuklearne fuzije koristit će deuterij (2 H) i tricij (3 H), a dugoročno helij-3 (3 He) i bor-11 (11 B).

Kontrolirana termonuklearna fuzija moguća je ako su istovremeno zadovoljena dva kriterija:

· Brzina sudara jezgri odgovara temperaturi plazme:

Usklađenost s Lawsonovim kriterijem:

(za D-T reakciju)

gdje je gustoća visokotemperaturne plazme, vrijeme zadržavanja plazme u sustavu.

Brzina pojedine termonuklearne reakcije uglavnom ovisi o vrijednosti ova dva kriterija.

U ovom trenutku (2010.), kontrolirana termonuklearna fuzija još nije provedena u industrijskim razmjerima.

Iz (4) slijedi da rezultat zbrajanja dviju koherentnih svjetlosnih zraka ovisi i o razlici putanje i o valnoj duljini svjetlosti. Valna duljina u vakuumu određena je količinom , gdje je S=310 8 m/s je brzina svjetlosti u vakuumu, i – frekvencija svjetlosnih vibracija. Brzina svjetlosti v u bilo kojem optički prozirnom mediju uvijek je manja od brzine svjetlosti u vakuumu i omjera
nazvao optička gustoća okoliš. Ova vrijednost je numerički jednaka apsolutnom indeksu loma medija.

Frekvencija svjetlosnih vibracija određuje boja svjetlosni val. Prilikom prelaska iz jedne sredine u drugu boja se ne mijenja. To znači da je frekvencija svjetlosnih titraja u svim medijima ista. Ali tada, kada svjetlost prelazi, na primjer, iz vakuuma u medij s indeksom loma n valna duljina se mora promijeniti
, koji se može pretvoriti ovako:

,

gdje je  0 valna duljina u vakuumu. Odnosno, kada svjetlost prelazi iz vakuuma u optički gušći medij, valna duljina svjetlosti je smanjuje se V n jednom. Na geometrijskom putu
u okruženju s optičkom gustoćom n odgovarat će

valovi (5)

Veličina
nazvao duljina optičkog puta svjetlost u materiji:

Duljina optičkog puta
svjetlost u tvari naziva se umnožak njezine geometrijske duljine staze u tom mediju i optičke gustoće medija:

.

Drugim riječima (vidi relaciju (5)):

Optička duljina puta svjetlosti u tvari brojčano je jednaka duljini puta u vakuumu, na koji stane isti broj svjetlosnih valova kao i na geometrijsku duljinu u tvari.

Jer rezultat smetnji ovisi o pomak faze između interferirajućih svjetlosnih valova, tada je potrebno procijeniti rezultat interferencije optički razlika putanje između dviju zraka

,

koji sadrži isti broj valova bez obzira na to na optičku gustoću medija.

2.1.3.Interferencija u tankim filmovima

Podjela svjetlosnih zraka na "polovice" i pojava interferencijskog uzorka također je moguća u prirodnim uvjetima. Prirodni “uređaj” za dijeljenje svjetlosnih zraka na “polovice” su, primjerice, tanki filmovi. Slika 5 prikazuje tanki prozirni film debljine , na koju pod kutom Pada snop paralelnih svjetlosnih zraka (ravni elektromagnetski val). Zraka 1 se djelomično odbija od gornje površine filma (zraka 1), a djelomično se lomi u film.

ki pod kutom loma . Refraktirana zraka se djelomično reflektira od donje površine i izlazi iz filma paralelno sa zrakom 1 (zraka 2). Ako su te zrake usmjerene na sabirnu leću L, tada će na ekranu E (u žarišnoj ravnini leće) interferirati. Rezultat smetnje ovisit će o optički razlika u putanji tih zraka od točke “dijeljenja”.
do mjesta susreta
. Iz slike je jasno da geometrijski razlika u putanji tih zraka jednaka je razlici geom . =ABC–AD.

Brzina svjetlosti u zraku gotovo je jednaka brzini svjetlosti u vakuumu. Stoga se optička gustoća zraka može uzeti kao jedinica. Ako je optička gustoća filmskog materijala n, zatim duljina optičkog puta lomljene zrake u filmu ABCn. Osim toga, kada se zraka 1 reflektira od optički gušćeg medija, faza vala se mijenja u suprotnu, odnosno gubi se (ili obrnuto, dobiva) pola vala. Dakle, optičku razliku puta tih zraka treba napisati u obliku

 trgovina na veliko . = ABCn – OGLAS  /  . (6)

Iz slike je jasno da ABC = 2d/cos r, A

AD = ACgrijeh ja = 2dtg rgrijeh ja.

Stavimo li optičku gustoću zraka n V=1, tada poznato iz školskog tečaja Snellov zakon daje za indeks loma (optičku gustoću filma) ovisnost

. (6a)

Zamijenivši sve ovo u (6), nakon transformacija dobivamo sljedeću relaciju za optičku razliku putanje interferentnih zraka:

Jer Kada se zraka 1 reflektira od filma, faza vala se mijenja u suprotnu, tada su uvjeti (4) za maksimalnu i minimalnu interferenciju obrnuti:

- stanje max

- stanje min. (8)

Može se pokazati da kada pretjecanje svjetlost kroz tanki film također proizvodi interferencijski uzorak. U tom slučaju neće doći do gubitka pola vala, a ispunjeni su uvjeti (4).

Dakle, uvjeti max I min pri interferenciji zraka reflektiranih od tankog filma, određuju se relacijom (7) između četiri parametra -
Iz toga slijedi da:

1) u “kompleksnom” (nemonokromatskom) svjetlu film će biti obojen bojom čija je valna duljina zadovoljava uvjet max;

2) mijenjanje nagiba zraka ( ), možete promijeniti uvjete max, čineći film tamnim ili svijetlim, a osvjetljavanjem filma divergentnim snopom svjetlosnih zraka, možete dobiti pruge« jednaki nagib“, što odgovara stanju max po upadnom kutu ;

3) ako film ima različite debljine na različitim mjestima ( ), tada će biti vidljivo trake jednake debljine, na kojem su ispunjeni uvjeti max po debljini ;

4) pod određenim uvjetima (uvjeti min kada zrake padaju okomito na film), svjetlost reflektirana od površina filma će se međusobno poništiti, i refleksije od filma neće biti ništa.