Когерентность и монохроматичность световых волн. Время и длина когерентности. Интерференция света

Энергия волны

Упругая среда, в которой распространяются механические волны, обладает как кинетической энергией колебательного движения частиц, так и потенциальной энергией, обусловленной деформацией.

Выбрав малый объём среды dV можно записать для плотности энергии

, где

–скорость колеблющихся частиц в среде;

–фазовая скорость волны;

–плотность среды;

–относительная деформация.

Для продольной плоской волны и , т.е.

.

Для плоскойгармонической волны

.

Для сферической гармонической волны

.

Среднее за период значение плотности энергии

.

 

 

25. Дифференциальное уравнение электромагнитной волны и его решение. Основные свойства электромагнитных волн

 

26. Монохроматическая волна. Энергия электромагнитных волн. Поток энергии. Вектор Умова-Пойнтинга

Монохроматические      волны —   неограниченные   в     пространстве        волны одной определенной и постоянной частоты — являются когерентными.

Пото́к эне́ргии — это количество энергии, переносимое через некоторую произвольную площадку в единицу времени.

 

Энергия электромагнитной волны будет складываться из энергии поля электрического и энергии поля магнитного. Одной из энергетических характеристик поля является объемная плотность энергии – количество энергии, накопленной в единице объема электромагнитного поля. Мгновенные значения электрической и магнитной

составляющих этой величины определяются соотношениями:

w _э.п. = и w _м.п. = , (5)

где Е и Н мгновенные значения напряжённостей полей. Для суммарной объемной плотности энергии поля получим:

w_{э. м.п.} = w _э.п. + w _м.п. = +

или после преобразования:

w_{э. м.п.} = + = . (6)

.(7)

Учитывая, что скорость величина векторная, можно записать:

. (8)

В еличина называется вектором Умова - Пойнтинга. Этот вектор определяет количество энергии, переносимое волной в направлении за единицу времени, через единицу площади поперечного сечения волны.

 

Расчет интерференционной картины от двух когерентных источников

 

Интерференция в тонких пленках.

Полосы равного наклона.

Пусть из воздуха (n ₀ =1) на плоскопараллельную прозрачную пластинку с показателем преломления n и толщиной d под углом i падает плоская монохроматическая волна (рис. (а)). В точке O луч частично отразится (1), а частично преломится, и после отражения на нижней поверхности пластины в точке C выйдет из пластины в точке B (2). Лучи 1 и 2 когерентны и параллельны. С помощью собирающей линзы их можно свести в точке P.

Отметим важную особенность отражения электромагнитных волн (и, в частности, оптических лучей) при падении их на границу раздела двух сред из среды с меньшей диэлектрической проницаемостью (а, значит и меньшим показателем преломления): при отражении света от более плотной среды (n ₀< n) фаза изменяется на π. Изменение фазы на π равносильно потере полуволны при отражении.  

Такое поведение электромагнитной волны на границе двух сред следует из граничных условий,        которым   должны     удовлетворять     тангенциальные   компоненты векторов напряженности электрического и магнитного поля на границе раздела: E_{τ 1} = E_{τ 2}, H_{τ 1} = H_{τ 2}.

 

С учетом этого, оптическая разность хода: 

Используя sin i = n sin r (закон преломления), OC = CB = d cos r и OA = OB sin i = 2 d tg r sin i, запишем

Таким образом, для данных λ₀ d и n каждому наклону i лучей соответствует своя интерференционная полоса. Интерференционные полосы, возникающие в результате наложения лучей, падающих на плоскопараллельную пластинку под одинаковыми углами, называются полосами равного наклона.

Интерферирующие лучи (например, 1’ и 1" на рис.(б)) параллельны друг другу, поэтому говорят, что полосы равного наклона локализованы в бесконечности. Для их наблюдения используют собирающую линзу и экран.

Радиальная симметрия линзы приводит к тому, что интерференционная картина на

экране будет иметь вид концентрических колец с центром в фокусе линзы.

 

Полосы равной толщины.

 

Пусть на прозрачную пластинку переменной толщины — клин с малым углом α между боковыми гранями — падает плоская волна в направлении параллельных лучей 1 и 2. Интенсивность интерференционной картины, формируемой лучами, отраженными от верхней и нижней поверхностей клина, зависит от толщины клина в данной точке (d и d ′ для лучей 1 и 2 соответственно). Когерентные пары лучей (1’ и 1", 2’ и 2") пересекаются вблизи поверхности клина (точки B и B ′) и собираются линзой на экране (в точках A и A ′). Таким образом, на экране возникает система интерференционных полос — полос равной толщины — каждая из которых возникает при отражении от мест пластинки, имеющих одинаковую толщину. Полосы равной толщины локализованы вблизи поверхности клина (в плоскости, отмеченной пунктиром В’–В).

 

 

30. Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля

Дифракцией называется огибание волнами препятствий, встречающихся на их пути, или в более широком смысле — любое отклонение распространения волн вблизи препятствий от законов геометрической оптики. Волновая теория света основывается на принципе Гюйгенса: каждая точка, до которой доходит волна, служит центром вторичных волн, а огибающая этих волн дает положение волнового фронта в следующий момент времени. Дифракцию объясняет принцип Гюйгенса — именно вторичные волны огибают препятствия на пути распространения первичных волн. Френель дополнил принцип Гюйгенса представлением о когерентности вторичных волн и их интерференции. Согласно принципу Гюйгенса-Френеля, световая волна, возбуждаемая каким-либо источником S, может быть представлена как результат суперпозиции (сложения) когерентных вторичных волн, излучаемых вторичными (фиктивными) источниками — бесконечно малыми элементами любой замкнутой поверхности, охватывающей источник S.

 

31.Метод зон Френеля. Дифракция Френеля на круглом отверстии и диске

Рассмотрим в произвольной точке

M    амплитуду световой    волны, распространяющейся в однородной среде из точечного источника S. Согласно принципу        Гюйгенса-Френеля, заменим действие источника S     действием воображаемых      источников, расположенных       на   вспомогательной

поверхности Φ, являющейся поверхностью фронта волны, идущей из S (поверхность

сферы с центром S). Разобьем волновую поверхность Φ на кольцевые зоны такого размера, чтобы расстояния от краев зоны до M отличались на λ/2.

Тогда, обозначив амплитуды колебаний от 1-й, 2-й, … m-й зон через A ₁, A ₂, … Am (при этом A ₁> A ₂> A ₃> …), получим амплитуду результирующего колебания: A = A ₁ − A ₂ + A ₃ − A ₄ + …

При таком разбиении волновой поверхности на зоны оказывается, что амплитуда колебания Am от некоторой m-й зоны Френеля равна среднему арифметическому от амплитуд примыкающих к ней зон

Тогда результирующая амплитуда в точке M будет

 

Таким образом, принцип Гюйгенса-Френеля позволяет объяснить прямолинейное распространение света в однородной среде.

Рис. 4.9

Призма же разлагает лучи в спектр по значениям показателя преломления, который для всех прозрачных веществ уменьшается с ростом длины волны (нормальная дисперсия). Следовательно, красные лучи, имеющие меньший показатель преломления, чем фиолетовые, отклоняются призмой слабее (см. рис. 4.9).

Квантовая гипотеза. Формула Планка.

Согласно квантовой теории Планка, атомные осцилляторы излучают энергию не непрерывно, а определенными порциями -- квантами, причем энергия ванта пропорциональна частоте колебания , где -- постоянная Планка. Т. к. излучение испускается порциями, то энергия осциллятора (стоячей волны) может принимать лишь определенные дискретные значения, кратные целому числу эл-тарн порций энергии : (n=0,1,2,…). Ф-ла Планка (нахождение универсальной функции Кирхгофа):

, где , -- спектральные плотности энергетической светимости ЧТ, -- длина волны, -- круговая частота, с – скорость света в вакууме, к – постоянная Больцмана, Т – термодинамическая температура, h – постоянная Планка, -- постоянная Планка, дел.на =

39. Фотоэффект. Законы фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

Фотоэффект возникает при взаимодействии вещества с поглощаемым электромагнитным излучением.

Различают внешний и внутренний фотоэффект.

Внешним фотоэффектом называется явление вырывания электронов из вещества под действием падающего на него света.

Внутренним фотоэффектом называется явление увеличения концентрации носителей заряда в веществе, а следовательно, и увеличения электропроводности вещества под действием света. Частным случаем внутреннего фотоэффекта является вентильный фотоэффект — явление возникновения под действием света электродвижущей силы в контакте двух различных полупроводников или полупроводника и металла(внешний фотоэффект был открыт в 1887 г. Г. Герцем, а исследован детально в 1888—1890 гг. А. Г. Столетовым).

Вентильный фотоэффект - это возникновение ЭДС при освещении контакта полупроводников (полупроводника и металла) при отсутствии внешнего поля.Это путь прямого преобразования солнечной энергии в электрическую.

 

В 1888-1890 годах А.Г. Столетов провел систематическое иссле­дование внешнего фотоэффекта. Облучая катод светом различных длин волн, Сто­летов установил следующие свойства фотоэффекта:

· под действием света веще­с­тво теряет толь­ко отрицательные заряды;

· наиболее эффективное дей­ствие оказы­вают ультрафиолетовые лучи;

· фотоэффект практически без­ынер­цио­нен, т.е. промежуток времени между моментом освещения и началом разрядки ничтожно мал.

Законы фотоэффекта:

1. Число фотоэлектронов, вырываемых за 1 с с поверхности катода, пропорционально интенсивности света, падающего на это вещество.

2. Кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а зависит линейно от его частоты.

3. Красная граница фотоэффекта зависит только от рода вещества катода.

4. Фотоэффект практически безинерционен, так как с момента облучения металла светом до вылета электронов проходит время с.

 

Примеры решения уравнения Шрёдингера. Частица в одномерной прямоугольной «потенциальной яме». Квантование энергии и импульса частиц. Туннельный эффект

 

Лазеры

Лазер ( оптический квантовый генератор, аббревиатура от англ.: LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation – усиление света вынужденным излучением) – устройство, преобразующее различные виды энергии (электрическую, световую, химическую, тепловую и т.д.) в энергию когерентного электромагнитного излучения оптического диапазона. В основе работы лазера лежит процесс вынужденного испускания фотонов возбуждёнными квантовыми системами – атомами, молекулами, жидкостями и твёрдыми телами. Лазер состоит из трёх основных компонентов:1) активная среда, в которой создаются состояния с инверсией населённостей за счёт поглощения энергии от какого-либо источника; 2) устройство, поставляющее энергию для создания инверсии в активной среде и переработки её в когерентное излучение, – система накачки; 3) оптический резонатор – устройство, формирующее выходящий световой пучок и выводящее в пространство направленный пучок фотонов.Различают следующие типы лазеров: твердотельные, электроразрядные, полупроводниковые, N₂ – CO₂ и CO – лазеры, аргоновые, эксимерные, лазеры на красителях, химические, газодинамические, лазеры на свободных электронах, гамма-лазеры, рентгеновские, лазеры с ядерной накачкой и др.

Рассмотрим принцип работы твердотельного лазера по трехуровневой схеме. Активная среда – кристалл рубина, представляющего собой оксид алюминия , в кристаллической решетке которого некоторые из атомов Al замещены трехвалентными иона хрома.

При интенсивном облучении рубина светом мощной импульсной ксеноновой лампы, атомы хрома переходят с нижнего уровня 1 на уровни широкой полосы 3. Далее осуществляются либо спонтанные переходы 3-1, либо наиболее вероятные безызлучательные переходы на уровень 2. На 2 уровне возникает среда с инверсной населенностью.

 

Фотон, случайно родившийся при спонтанных переходах может инициировать в активной среде множество вынужденных переходов 2-1, в результате чего появится лавина вторичных фотонов, однако спонтанные переходы носят случайный характер и фотоны распространяются в разных направлениях, и поэтому вторичные фотоны тоже будут распространяться по-разному.

Для выделения направления лазерной генерации используется оптический резонатор. В простейшем случае им могут служить пара обращенных друг к другу зеркал, между которыми помещается активная среда. Одно из зеркал полупрозрачно, от другого полностью отражается свет. Фотоны, направление движения которых образуют малые углы с осью рубинового стержня, будут испытывать многократные отражения от торцов образца.

Каскады фотонов в направлении оси образца получают интенсивное развитие, фотоны, испущенные в других направлениях, выходят из кристалла через его боковую поверхность. Когда пучок фотонов становится достаточно интенсивным, он выходит через полупрозрачный торец кристалла. Лазеры на рубине работают в импульсном режиме (несколько импульсов в минуту).

В 1960 г. был создан газовый лазер на смеси гелия и неона (А.Джаван), в котором инверсия населенностей атомов неона достигалась передачей им энергии от атомов гелия, возбуждаемых ударами электронов в газовом разряде. Газовые лазеры работают в непрерывном режиме. В 1963 г. были созданы первые полупроводниковые лазеры, в которых накачка осуществляется инжекцией через гетеропереход. Они могут работать в непрерывном и импульсном режимах.

Излучение лазеров отличается временной и пространственной когерентностью, строгой монохроматичностью, большой мощностью, узостью пучка.

Лазерная технология – совокупность приемов и способов обработки материалов и изделий с использованием лазеров. Применяются твердотельные и газовые лазеры, работающие в непрерывном и импульсном режимах. Основные операции связаны с тепловым действием лазерного излучения. Преимущества лазерных технологий – высокая локальность, кратковременность воздействия, малая зона термического влияния, возможность ведения технологического процесса в любых прозрачных средах и внутри герметически закрытых объемов. Лазеры используются для сверления отверстий, резки и скрайбирования (нанесение рисунка на поверхность пластины полупроводника лазерным лучом), закалки, сварки, гравировки, изготовления и фигурной обработки тонких пленок и др.

49.заряд, размер и масса атомного ядра.массовое и зарядовое числа

Э. Резерфорд, исследуя прохождение a-частиц с энергией в несколько мегаэлектрон-вольт через тонкие пленки золота (см. §208), пришел к выводу о том, что атом состоит из положительно заряженно­го ядра и окружающих его электронов. Проанализировав эти опыты, Резерфорд также показал, что атомные ядра имеют размеры примерно 10^-14—10^-15 м (ли­нейные размеры атома примерно 10^-10 м).

Атомное ядро состоит из элементар­ных частиц — протонов и нейтронов (протонно-нейтронная модель ядра была пред­ложена советским физиком Д. Д. Иваненко (р. 1904), а впоследствии развита В. Гейзенбергом).

Протон (р) имеет положительный за­ряд, равный заряду электрона, и массу покоя m_p=1,6726•10^-27 кг»1836m_e, где m_e— масса электрона. Нейтрон (n) — нейтральная частица с массой покоя m_n=1,6749•10^-27кг»1839m_e,. Протоны и нейтроны называются нуклонами (от лат. nucleus — ядро). Общее число нукло­нов в атомном ядре называется массовым числом А.

Атомное ядро характеризуется заря­дом Ze, где е — заряд протона, Z — за­рядовое число ядра, равное числу про­тонов в ядре и совпадающее с порядковым номером химического элемента в Периоди­ческой системе элементов Менделеева. Известные в настоящее время 107 элементов таблицы Менделеева имеют зарядовые числа ядер от Z=1 до Z=107.

Ядро обозначается тем же символом, что и нейтральный атом: ^A_ZХ, где X — символ химического элемента, Z — атом­ный номер (число протонов в ядре), А — массовое число (число нуклонов в ядре).

Сейчас протонно-нейтронная модель ядра не вызывает сомнений. Рассматривалась также гипотеза о протонно-электронном строении яд­ра, но она не выдержала экспериментальной проверки. Так, если придерживаться этой гипо­тезы, то массовое число А должно представлять собой число протонов в ядре, а разность между массовым числом и числом электронов должна быть равна заряду ядра. Эта модель согласовы­валась со значениями изотопных масс и за­рядов, но противоречила значениям спинов и магнитных моментов ядер, энергии связи ядра и т. д. Кроме того, она оказалась несовместимой с соотношением неопределенностей (см. §215). В результате гипотеза о протонно-электронном строении ядра была отвергнута.

Так как атом нейтрален, то заряд ядра определяет и число электронов в атоме. От числа же электронов зависит их распреде­ление по состояниям в атоме, от которого, в свою очередь, зависят химические свой­ства атома. Следовательно, заряд ядра определяет специфику данного химическо­го элемента, т. е. определяет число элек­тронов в атоме, конфигурацию их элек­тронных оболочек, величину и характер внутриатомного электрического поля.

Ядра с одинаковыми Z, но разными А (т. е. с разными числами нейтронов N =

408

А — Z) называются изотопами, а ядра с одинаковыми A, но разными Z — изоба­рами. Например, водород (Z=1) имеет три изотопа: ¹₁Н — протий (Z=1, N=0), ²₁Н — дейтерий (Z=1, N= 1), ³₁Н — тритий (Z= 1, N= 2), олово — десять, и т. д. В по­давляющем большинстве случаев изотопы одного и того же химического элемента обладают одинаковыми химическими и по­чти одинаковыми физическими свойствами (исключение составляют, например, изо­топы водорода), определяющимися в ос­новном структурой электронных оболочек, которая является одинаковой для всех изотопов данного элемента. Примером ядер-изобар могут служить ядра ¹⁰₄Be, ¹⁰₅B, ¹⁰₆C. В настоящее время известно бо­лее 2000 ядер, отличающихся либо Z, либо A, либо тем и другим.

Радиус ядра задается эмпирической формулой

R =R₀A^1/3, (251.1)

где R₀=(1,3—1,7) 10^-15м. Однако при употреблении этого термина необходимо соблюдать осторожность (из-за его неод­нозначности, например из-за размытости границы ядра). Из формулы (251.1) вы­текает, что объем ядра пропорционален числу нуклонов в ядре. Следовательно, плотность ядерного вещества примерно одинакова для всех ядер (»10¹⁷ кг/м³).

50.Сущность явления радиоактивности. Типы радиоактивного распада.

Радиоакти́вныйраспа́д— спонтанное изменение состава нестабильных атомных ядер (заряда Z, массового числа A) путём испускания элементарных частиц или ядерных фрагментов[1]. Процесс радиоактивного распада также называют радиоакти́вностью, а соответствующие элементы радиоактивными. Радиоактивными называют также вещества, содержащие радиоактивные ядра.

Закон радиоактивного распада — закон, открытый Фредериком Содди и Эрнестом Резерфордом экспериментальным путём и сформулированный в 1903 году. Современная формулировка закона:

Альфа-распад

α-распадом называют самопроизвольный распад атомного ядра на дочернее ядро и α-частицу (ядро атома He4).

Правило смещения Содди для α-распада:

В результате α-распада элемент смещается на 2 клетки к началу таблицы Менделеева, массовое число дочернего ядра уменьшается на 4.

Бета-распад

Беккерель доказал, что β-лучи являются потоком электронов. β-распад — это проявление слабого взаимодействия.

β-распад (точнее, бета-минус-распад, -распад) — это радиоактивный распад, сопровождающийся испусканием из ядра электрона и антинейтрино.

β-распад является внутринуклонным процессом. Он происходит вследствие превращения одного из d-кварков в одном из нейтронов ядра в u-кварк; при этом происходит превращение нейтрона в протон с испусканием электрона и антинейтрино:

Правило смещения Содди для распада:

После -распада элемент смещается на 1 клетку к концу таблицы Менделеева (заряд ядра увеличивается на единицу), тогда как массовое число ядра при этом не меняется.

Гамма-распад (изомерныйпереход)

Почти все ядра имеют, кроме основного квантового состояния, дискретный набор возбуждённых состояний с большей энергией (исключением являются ядра 1H, 2H, 3H и 3He). Возбуждённые состояния могут заселяться при ядерных реакциях либо радиоактивном распаде других ядер. Большинство возбуждённых состояний имеют очень малые времена жизни (менее наносекунды). Однако существуют и достаточно долгоживущие состояния (чьи времена жизни измеряются микросекундами, сутками или годами), которые называются изомерными, хотя граница между ними и короткоживущими состояниями весьма условна. Изомерные состояния ядер, как правило, распадаются в основное состояние (иногда через несколько промежуточных состояний). При этом излучаются один или несколько гамма-квантов; возбуждение ядра может сниматься также посредством вылета конверсионных электронов из атомной оболочки. Изомерные состояния могут распадаться также и посредством обычных бета- и альфа-распадов.

51.закон радиоактивного распада.период полураспада

Закон радиоактивного распада — физический закон, описывающий зависимость интенсивности радиоактивного распада от времени и количества радиоактивных атомов в образце.

Во всех случаях, когда отделяли один из радиоактивных продуктов и исследовали его активность независимо от радиоактивности вещества, из которого он образовался, было обнаружено, что активность при всех исследованиях уменьшается со временем по закону геометрической прогрессии.

Из чего с помощью теоремы Бернулли учёные сделали вывод:

Скорость превращения всё время пропорциональна количеству систем, еще не подвергнувшихся превращению.

Существует несколько формулировок закона, например, в виде дифференциального уравнения:

которое означает, что число распадов −dN, произошедшее за короткий интервал времени dt, пропорционально числу атомов N в образце.

Период полураспада

На практике получила большее распространение другая временная характеристика — период полураспада равная времени, в течение которого число радиоактивных атомов или активность образца уменьшаются в 2 раза.

 -уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

Поглощая фотон с энергией hv, электрон затрачивает ее на работу А выхода с кинетической энергией Е_кин=½mv²=hv- А_вых. Работа выхода равна энергии связи электрона с веществом, ионами решетки металлов, растет от1.9 эВ цезия и 2.2 эВ калия до 3.7 цинка, 5.3 эв платины и ртути. Она аналогична энергии ионизации и связи шарика в потенциальной яме (силы тяжести)с Е_кин=½mv²=Е-mgH, гдеH– высота барьера, определяет и задерживающее напряжение Е_к-мах=eU_з.Красная граница фотоэффекта означает электроны со скоростью Е_кин=½mv²=hv- А_вых>0, с hv_мин=Е=hc/λ_кр=А_выхилиλ_кр=hс/А_вых. Для названных металлов v_минрастет 460 до 13 ТГц, сλ_крот 650 до 230 нм, от красного до УФсвета.

52.взаимодействие нуклонов и понятие о свойствах и природе ядерных сил

Между нуклонами в ядре действуют силы притяжения – ядерные силы. Ядерные силы относятся, наряду с гравитационными и электромагнитными, к числу так называемых фундаментальных сил природы. В квантовой механике вместо понятия “сила” чаще используется понятие “взаимодействие”. Синонимом выражения “ядерные силы” является выражение “сильное взаимодействие”. Этим выражением подчеркивается тот факт, что ядерные силы гораздо более “сильные”, чем электромагнитные и тем более гравитационные. Ведь ядерные силы удерживают в ядре одноименно заряженные протоны, которые по закону Кулона отталкиваются, и незаряженные нейтроны. Не будь ядерных сил, ядра разлетелись бы на отдельные нуклоны. Таким образом, ядерные силы самые “сильные” в природе.

Ядерные силы обладают рядом специфических свойств:

1. В отличие от электромагнитных и гравитационных сил, радиус действия которых равен бесконечности, ядерные силы являются короткодействующими, так как они очень быстро убывают с расстоянием. На расстояниях, превышающих примерно r0»10-15 м, ядерные силы становятся практически равными нулю. Величина r0 называется радиусом действия ядерных сил.

2. Ядерные силы обладают свойством насыщения, заключающимся в том, что каждый нуклон в ядре взаимодействует лишь с определенным числом ближайших соседей.

3. Величина сильного взаимодействия зависит от взаимной ориентации спинов нуклонов.

4. Ядерные силы обладают свойством зарядовой независимости, выражающимся в том, что величина ядерных сил не зависит от электрического заряда взаимодействующих нуклонов.

Взаимодействие нуклонов.

Силы, удерживающие нуклоны в ядре, называются ядерными. Это самые сильные из всех известных в физике взаимодействий. Ядерные силы, действующие между двумя нуклонами в ядре, по порядку величины в сто раз интенсивнее электростатического взаимодействия между протонами. Важным свойством ядерных сил является их изотопическая инвариантность, т. е. независимость от зарядового состояния нуклонов: ядерные взаимодействия двух протонов, двух нейтронов или нейтрона и протона одинаковы, если одинаковы состояния относительного движения этих пар частиц. Величина ядерных сил зависит от расстояния между нуклонами, от взаимной ориентации их спинов, от ориентации спинов относительно орбитального момента вращения и радиуса-вектора, проведённого от одной частицы к другой. В соответствии с этим различают ядерные силы центральные, спин-спиновые, спин-орбитальные и тензорные.

Ядерные силы характеризуются определённым радиусом действия: потенциал этих сил убывает с расстоянием r между частицами быстрее, чем r-2, а сами силы — быстрее, чем r-3. Из рассмотрения физической природы ядерных сил следует, что они должны убывать с расстоянием экспоненциально. Радиус действия ядерных сил определяется т. н. комптоновской длиной волны r0 мезонов, которыми обмениваются нуклоны в процессе взаимодействия: здесь m, — масса мезона, — Планка постоянная, с — скорость света в вакууме. Наибольший радиус действия имеют силы, обусловленные обменом p-мезонами. Для них r0 = 1,41 ф (1 ф = 10-13 см). Межнуклонные расстояния в ядрах имеют именно такой порядок величины, однако существ, вклад в ядерные силы вносят обмены и более тяжёлыми мезонами (m-, r-, w-мезоны и др.). Точная зависимость ядерных сил между двумя нуклонами от расстояния и относит, вклад ядерных сил, обусловленных обменом мезонов разных типов, с определённостью не установлены. В многонуклонных ядрах возможны силы, которые не сводятся к взаимодействию только пар нуклонов. Роль этих т. н. многочастичных сил в структуре ядер остаётся пока не выясненной.

Энергия волны

Упругая среда, в которой распространяются механические волны, обладает как кинетической энергией колебательного движения частиц, так и потенциальной энергией, обусловленной деформацией.

Выбрав малый объём среды dV можно записать для плотности энергии

, где

–скорость колеблющихся частиц в среде;

–фазовая скорость волны;

–плотность среды;

–относительная деформация.

Для продольной плоской волны и , т.е.

.

Для плоскойгармонической волны

.

Для сферической гармонической волны

.

Среднее за период значение плотности энергии

.

 

 

25. Дифференциальное уравнение электромагнитной волны и его решение. Основные свойства электромагнитных волн

 

26. Монохроматическая волна. Энергия электромагнитных волн. Поток энергии. Вектор Умова-Пойнтинга

Монохроматические      волны —   неограниченные   в     пространстве        волны одной определенной и постоянной частоты — являются когерентными.

Пото́к эне́ргии — это количество энергии, переносимое через некоторую произвольную площадку в единицу времени.

 

Энергия электромагнитной волны будет складываться из энергии поля электрического и энергии поля магнитного. Одной из энергетических характеристик поля является объемная плотность энергии – количество энергии, накопленной в единице объема электромагнитного поля. Мгновенные значения электрической и магнитной

составляющих этой величины определяются соотношениями:

w _э.п. = и w _м.п. = , (5)

где Е и Н мгновенные значения напряжённостей полей. Для суммарной объемной плотности энергии поля получим:

w_{э. м.п.} = w _э.п. + w _м.п. = +

или после преобразования:

w_{э. м.п.} = + = . (6)

.(7)

Учитывая, что скорость величина векторная, можно записать:

. (8)

В еличина называется вектором Умова - Пойнтинга. Этот вектор определяет количество энергии, переносимое волной в направлении за единицу времени, через единицу площади поперечного сечения волны.

 

Когерентность и монохроматичность световых волн. Время и длина когерентности. Интерференция света

Когерентностью называется согласованное протекание во времени и пространстве нескольких колебательных или волновых процессов.

Монохроматические      волны —   неограниченные   в     пространстве        волны одной определенной и постоянной частоты — являются когерентными.

Временная когерентность — это, определяемая степенью монохроматичности волн, когерентность колебаний, которые совершаются в одной и той же точке пространства. Временная когерентность существует до тех пор, пока разброс фаз в волне в данной точке не достигнет π.

Длина когерентности — расстояние, на которое перемещается волна за время когерентности.

В плоскости, перпендикулярной направлению распространения цуга волн, случайные изменения разности фаз между двумя точками увеличивается с увеличением расстояния между ними. 

Интерференция света — сложение в пространстве двух или нескольких когерентных световых волн, при котором в разных его точках получается усиление или ослабление амплитуды результирующей волны.