Поляризованный и естественный свет.

Естественный свет - совокупность электромагнитных волн (цугов) со всевозможными равновероятными направлениями световых векторов (Е), перпендикулярных направлению распространения света.

Плоско-поляризованный свет - свет, в луче которого ориентация световых векторов всех цугов одинакова.

Осевое сечение луча плоско-поляризованного света, в котором лежат все световые векторы, называют плоскостью поляризации.

Испускание кванта света происходит в результате перехода электрона из возбужденного состояния в основное. Электромагнитная волна, испускаемая в результате этого перехода, является поперечной, то есть вектора и взаимно перпендикулярны и перпендикулярны направлению распространения. Колебания вектора происходят в одной плоскости. Свет, в котором вектор колеблется только в одном направлении, называется плоско поляризованным светом (или электромагнитной волной). Поляризованным называется свет, в котором направления колебания вектора упорядочены каким-либо образом.

Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Атомы излучают световые волна независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в целом, харак­теризуется всевозможными равновероятными колебаниями светового вектора . 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, плоскость, в которой колеблется вектор , называется плоскостью колебаний.

Вектор называют световым вектором потому, что при действии света на вещество основное значение имеет электрическая составляющая поля волны, действующая на электроны в атомах вещества.

Различает также эллиптически поляризованный свет: при распростра­нении электрически поляризованного света вектор описывает эллипс, и циркулярно поляризованный свет (частный случай эллиптически поляризованного света) - вектор описывает окружность (сравните со сложением взаимно перпендикулярных колебаний: возможны: прямая линия, эллипс и окружность).

 

Степенью поляризации называется величина

где I_max и I_min – максимальная и минимальная компоненты интенсивности света, соответствующие двум взаимно перпендикулярным компонентам вектора (то есть Е_х и Е_у – составляющие). Для плоско поляризованного света Е_у = Е, Е_х = 0, следовательно, Р = 1. Для естественного света Е_у = Е_х = Е и Р = 0. Для частично поляризованного света Е_у = Е, Е_х = (0...1)Еу, следовательно, 0 < Р < 1.

Если вектор в эллиптически поляризованном свете вращается при распространении света по часовой стрелке, то поляризация называется правой, против - левой. В эллиптически поляризованном свете колебания полностью упорядочены. К эллиптически поляризованному свету понятие степени поляризации не применимо, так что Р=1 всегда.

 

Зако́н Брю́стера — закон оптики, выражающий связь показателей преломления двух диэлектриков с таким углом падения света, при котором свет, отражённый от границы раздела диэлектриков, будет полностью поляризованным в плоскости, перпендикулярной плоскости падения. При этом преломлённый луч частично поляризуется в плоскости падения, и его поляризация достигает наибольшего значения (но не 100 %, поскольку от границы отразится лишь часть света, поляризованного перпендикулярно к плоскости падения, а оставшаяся часть войдёт в состав преломлённого луча). Угол падения, при котором отражённый луч полностью поляризован, называется углом Брюстера. При падении под углом Брюстера отражённый и преломлённый лучи взаимно перпендикулярны.

Это явление оптики названо по имени шотландского физика Дэвида Брюстера, открывшего его в 1815 году.

Поляризующий эффект можно понять, если иметь в виду следующее:

· Колебания электрического поля в электромагнитной волне всегда происходят перпендикулярно направлению движения.

· Взаимодействие с диэлектриком происходит в два этапа. Вначале падающая волна генерирует коллективные колебания дипольных моментов молекул диэлектрика, затем эти осцилляции в свою очередь генерируют отражённую и преломлённую волну.

Итак, отражённая волна генерируется колебаниями дипольных моментов молекул среды. Когда угол между отражённой и преломленной волной составляет 90 градусов, колебания электрического поля отражённой волны в плоскости падения могли бы генерироваться только колебаниями дипольных моментов вдоль преломлённого луча. Индуцировать такие колебания могла бы только продольная компонента колебаний электрического поля преломлённого луча. Но поскольку в преломленном пучке её нет, то и в отражённом не может быть.

 

{\displaystyle I=k_{a}I_{0}\cos ^{2}\varphi \;} Закон Малюса.

Если два поляроида поставлены на пути лучей так, что их плоскости пропускания параллельны друг другу, то колебания электромагнитного поля световой волны, пропущенные первым из них (поляризатором Р), будут пропущены и вторым (анализатором А). Наоборот, при взаимно перпендикулярном расположении плоскостей пропускания скрещенных поляроидов колебания, пропущенные одним из них, будут задержаны вторым. Таким образом пропускание света парой поляроидов зависит от угла между их плоскостями пропускания (рис. 5 а).

Из рисунка 5 б) видно, что амплитудные значения напряженности светового вектора связаны между собой:

Е_А = Е_р cos α. (1)

А так как интенсивность света I~E², то

I = I₀ • cos² α, (2)

где I_о - интенсивность поляризованного света, падающего на анализатор, I - интенсивность поляризованного света, прошедшего через анализатор.

Формула (2) является выражением закона Малюса: интенсивность света I, выходящего из анализатора, пропорциональна квадрату косинуса угла α между направлением плоскостей пропускания вектора Е поляризатора и анализатора.

Для прозрачных поляроидов поляризатор Р пропускает 50% интенсивности естественного света, тогда закон Малюса можно также записать для естественного света

. (3)

 

Закон теплового излучения.

Тепловое излучение - электромагнитное излучение, испускаемое веществом и возникающее за счет его внутренней энергии.

Тепловое излучение обусловливается возбуждением частиц вещества при соударениях в процессе теплового движения или ускоренным движением зарядов (колебания ионов кристаллической решетки, тепловое движение свободных электронов и т.д.). Оно возникает при любых температурах и присуще всем телам. Характерной чертой теплового излучения является сплошной спектр.

Интенсивность излучения и спектральный состав зависят от температуры тела, поэтому не всегда тепловое излучение воспринимается глазом как свечение. Например, тела, нагретые до высокой температуры, значительную часть энергии испускают в видимом диапазоне, а при комнатной температуре почти вся энергия испускается в инфракрасной части спектра.

Закон Кирхгофа - отношение испускательной способности тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел и равно спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела:

Закон Стефана-Больцмана - энергетическая светимость абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры:

При повышении температуры максимум испускательной способности смещается влево

В 1900 г. М. Планк получил формулу для расчета испускательной способности абсолютно черного тела теоретически. Для этого ему пришлось отказаться от классических представлений о непрерывности процесса излучения электромагнитных волн. По представлениям Планка, поток излучения состоит из отдельных порций - квантов, энергии которых пропорциональны частотам света:

 

Закон смещения Вина и закон Стефана-Больцмана. Из формулы Планка следуют закон смещения Вина и закон Стефана - Больцмана. Количественное значение постоянной Планка можно найти, зная из эксперимента величины постоянных: k (постоянная Больцмана), σ (постоянная Стефана - Больцмана) и скорости света в вакууме (с): h=2π5k415σc23 (7).

Постоянную Планка можно выразить через постоянную Вина.

Постоя́нная Ви́на — константа, входящая в закон смещения Вина. Она является постоянным произведением температуры абсолютно чёрного тела на длину волны которой приходится излучение с максимальной интенсивностью.

Весь закон Вина выглядит так:

L max = b / T Где: L max - длина волны, на которую приходится излучение с максимальной интенсивностью. b - постоянная Вина T - абсолютная температура тела.

Численно виновская константа равна b = 0,002897 м * К.

 

Дисперсия света.

Диспе́рсия све́та (разложение света) — это совокупность явлений, обусловленных зависимостью абсолютного показателя преломления вещества от частоты (или длины волны) света (частотная дисперсия), или, то же самое, зависимостью фазовой скорости света в веществе от частоты (или длины волны).

Пространственной дисперсией называется зависимость тензора диэлектрической проницаемости среды от волнового вектора. Такая зависимость вызывает ряд явлений, называемых эффектами пространственной поляризации.

Один из самых наглядных примеров дисперсии — разложение белого света при прохождении его через призму (опыт Ньютона). Сущностью явления дисперсии является различие фазовых скоростей распространения лучей света c различной длиной волны в прозрачном веществе — оптической среде (тогда как в вакууме скорость света всегда одинакова, независимо от длины волны и следовательно цвета). Обычно, чем меньше длина световой волны, тем больше показатель преломления среды для неё и тем меньше фазовая скорость волны в среде:

· у света красного цвета фазовая скорость распространения в среде максимальна, а степень преломления — минимальна,

· у света фиолетового цвета фазовая скорость распространения в среде минимальна, а степень преломления — максимальна.

Однако в некоторых веществах (например в парах иода) наблюдается эффект аномальной дисперсии, при котором синие лучи преломляются меньше, чем красные, а другие лучи поглощаются веществом и от наблюдения ускользают. Говоря строже, аномальная дисперсия широко распространена, например, она наблюдается практически у всех газов на частотах вблизи линий поглощения, однако у паров иода она достаточно удобна для наблюдения в оптическом диапазоне, где они очень сильно поглощают свет.

Дисперсия света позволила впервые вполне убедительно показать составную природу белого света.

Белый свет разлагается в спектр и в результате прохождения через дифракционную решётку или отражения от неё (это не связано с явлением дисперсии, а объясняется природой дифракции). Дифракционный и призматический спектры несколько отличаются: призматический спектр сжат в красной части и растянут в фиолетовой и располагается в порядке убывания длины волны: от красного к фиолетовому; нормальный (дифракционный) спектр — равномерный во всех областях и располагается в порядке возрастания длин волн: от фиолетового к красному.

 

Внешний фотоэффект.

Внешним фотоэффектом называется явление испускания электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Внутренним фотоэффектом называется явление появление свободных электронов в веществе (полупроводниках) под действием электромагнитного излучения Связанные (или валентные) электроны становятся свободными (в пределах вещества). В результате уменьшается сопротивление вещества.

Законы внешнего фотоэффекта:

1.При неизменном спектральном составе излучения сила тока насыщения (или число фотоэлектронов, испускаемых катодом за единицу времени) прямо пропорциональна падающему на фотокатод потоку излучения (интенсивности излучения).

2.Для данного фотокатода максимальная начальная скорость фотоэлектронов, а, следовательно, их максимальная кинетическая энергия определяется частотой излучения и не зависит от его интенсивности.

3.Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота излучения ν₀, при которой еще возможен внешний фотоэффект. Отметим, что значение ν₀ зависит от материала фотокатода и состояния его поверхности.

Объяснение внешнего фотоэффекта с точки зрения волновой теории света противоречило экспериментальным данным. Согласно волновой теории под действием поля электромагнитной волны в металле возникают вынужденные колебания электронов в атоме с амплитудой тем большей, чем больше амплитуда вектора напряженности электрического поля волны E_o (и, следовательно, интенсивность света I~E_o²). В результате этого электроны могут покидать металл и выходить из него, т.е. может наблюдаться внешний фотоэффект. Тем выше должна быть и скорость вылетевших электронов, т.е. кинетическая энергия фотоэлектронов должна зависеть от интенсивности излучения, что противоречит опытным данным. По этой теории излучение любой частоты, но достаточно большой интенсивности должно вырывать электроны из металла, т.е. красной границы фотоэффекта не должно быть.

А. Эйнштейн в 1905 г. показал, что явление фотоэффекта и его закономерности могут быть объяснены на основе квантовой теории М. Планка. Согласно Эйнштейну, свет (излучение) частотой ν не только испускается, как это предполагал М. Планк, но и распространяется в пространстве и поглощается веществом отдельными порциями (квантами), энергия которых

E_o= hν, (1)

где h = 6,626176*10^-34 Дж×с – постоянная Планка,

Закон сохранения энергии для такого процесса будет выражаться равенством

(2)

Это уравнение называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

Из уравнения Эйнштейна непосредственно следует, что максимальная кинетическая энергия или скорость фотоэлектрона зависит от частоты излучения. С уменьшением частоты излучения кинетическая энергия уменьшается и при некоторой частоте может стать равной нулю. Уравнение Эйнштейна в этом случае будет иметь вид

h ν₀= А_вых.

Частота ν₀, соответствующая этому соотношению будет иметь минимальное значение и является красной границей фотоэффекта. Из последнего ясно, что красная граница фотоэффекта определяется работой выхода электрона и зависит от химической природы вещества и состояния его поверхности. Длина волны, соответствующая красной границе фотоэффекта, может быть рассчитана по формуле . При hν<А_вых фотоэффект прекращается. Число высвобождаемых вследствие фотоэффекта электронов должно быть пропорционально числу падающих на поверхность вещества квантов излучения, а, следовательно, потоку излучения Ф.

С изобретением лазеров были получены большие мощности излучения, в этом случае один электрон может поглотить два и более (N) фотонов (N=2…7). Такое явление называется многофотонным (нелинейным) фотоэффектом. Уравнение Эйнштейна для многофотонного фотоэффекта имеет вид

В этом случае красная граница фотоэффекта может смещаться в сторону более длинных волн.

Значение задерживающего напряжения связано с начальной максимальной кинетической энергией электронов соотношением

(3)

С учетом этого, что уравнение Эйнштейна можно записать в также в виде

hν=А_вых + eU₀.

 

ЭФФЕКТ КОМПТОНА.

Наиболее полно корпускулярные свойства света проявляются в эффекте Комптона. Американский физик А. Комптон (1892—1962),исследуя в 1923 г. рассеяние монохроматического рентгеновского излучения веществами с легкими атомами (парафин, бор), обнаружил, что в составе рассеянного излучения наряду с излучением первоначальной длины волны λ наблюдается также излучение более длинных волнλ′. Опыты показали, что разностьλ = λ′−λ не зависит от длины волны падающего излучения и природы рассеивающего вещества, а определяется только величиной угла рассеяния θ:

λ = λ′−λ= 2λC sin2 (θ/ 2),

(1)

где λ′ длина волны рассеянного излучения,λC - комптоновская длина волны. (при рассеянии фотона на электронеλC =2,426 пм).

Эффектом Комптона называется упругое рассеяние коротковолнового электромагнитного излучения (рентгеновского и γ-излучений)на свободных (или слабосвязанных) электронах вещества, сопровождающееся увеличением длины волны. Этот эффект не укладывается в рамки волновой теории, согласно которой длина волны при рассеянии изменяться не должна: под действием периодического поля световой волны электрон колеблется с частотой поля и поэтому излучает рассеянные волны той же частоты.