Основные свойства света. Источники света

С точки зрения современной науки, свет имеет двойственную природу, так называемый корпускулярно-волновой дуализм.

При распространении в пространстве свет ведёт себя как волна, а при излучении и поглощении, т.е. при взаимодействии с веществом, он ведёт себя как поток частиц – фотонов. Энергия фотона дискретна и может быть подсчитана по формуле Планка:

E = hn Где n - частота световой волны.

В однородной среде свет распространяется прямолинейно. При распространении в различных прозрачных средах, при отражении и преломлении свет выбирает себе такой путь, на который требуется наименьше время.

В вакууме свет имеет наибольшую скорость в природе с = 3*10⁸ м/с. В других прозрачных средах свет распространяется со скоростью в n раз меньшей. Здесь n – абсолютный показатель преломления среды. Чем он больше – тем больше оптическая плотность среды. Ниже приводятся данные показателей преломления некоторых прозрачных сред.

Воздух 1,0028

Вода 1,33

Стекло 1,5 – 2,0

Алмаз 2,4

Свет может отражаться от непрозрачных тел, а также от границы двух прозрачных сред с различными показателями преломления.

При переходе из одной прозрачной среды в другую прозрачную среду с другой оптической плотностью, луч света испытывает преломление, то есть он отклоняется от первоначального направления.

Световая волна может подвергаться интерференции и дифракции, что является доказательством волновой природы света.

Свет может подвергаться поляризации, что является доказательством поперечности световых волн.

Свет может из атома выбить электрон, что является доказательством его корпускулярной природы.

Источники света бывают как естественными, так и искусственными. К естественным источникам относятся Солнце и звёзды, пламя, молния, а также светящиеся некоторые живые существа. К искусственным источникам света относятся те источники света, которые созданы не природой, а деятельностью человека. Например, электрические лампы накаливания, газоразрядные лампы, различные люминесцентные индикаторы, светодиоды, а также лазеры.

Искусственные источники могут давать как полихроматический (белый) свет, так и свет только определённого цвета (монохроматический) свет, Они могут также давать как поляризованный, так и неполяризованный свет.

3) Когерентность и способы её осуществления.

Рассмотрим случай, когда в одну и ту же точку одновременно придут две электромагнитные волны. Рассмотрим простейший случай, когда частоты волн одинаковы и направления векторов Е также одинаковы. Тогда модуль результирующего вектора подсчитывается по формуле:

E = (E1² + 2E1E2cosDf + E2²)^0.5 где Df -разность фаз.

В естественном источнике свет излучается множеством атомов. Рассмотрим один атом. Отдельный атом излучает свет в среднем в течение времени t = 1*10^-8 с. За это время свет проходит расстояние, равное l = ct = 3*10⁸ м/с * 1*10^-8 с = 3 м.

Иными словами, если свет от одного атома оптическим путём разделить на два луча, а затем свести их в одну точку, то в данной точке будет наблюдаться устойчивая картина максимума или минимума. Но это будет наблюдаться только тогда, если разность хода этих лучей не будет превышать этих 3-х метров. В противном случае, в эту точку придут лучи от разных атомов и устойчивой картины не будет.

В естественном источнике света свет излучается множеством атомов и их, конечно, невозможно заставить излучать свет в строгом согласовании друг с другом. Поэтому, для получения устойчивой картины максимумов и минимумов, существует единственный способ: нужно оптическим путём разделить источник света на два источника (действительных или мнимых) и свести эти лучи в одну точку. Тогда будет в этой точке наблюдаться устойчивая картина максимума или минимума. В данном случае, источники света будут излучать свет в строгом соответствии друг с другом и они будут называться когерентными. Какими способами это можно осуществить?

а) способ Ллойда (рис.3.1) На экран в одну точку падают два луча: один – сразу от источника, другой – отражённый от зеркала под очень пологим углом:

б) способ Френеля (рис.4.1) На экране в одной точке встречаются два луча, прошедшие через обе слабо преломляющие грани двойной призмы (бипризмы Френеля)

в) способ Юнга (рис.5.1)

в) способ Юнга (рис.5.1) На экране встречаются два луча, вышедшие из двух близко расположенных очень узких щелей в непрозрачном экране. В данном случае щели действуют как два когерентных источников света:

4) Сущность интерференции и способы её наблюдения.

Интерференция – означает сложение (наложение) волн, при котором наблюдается устойчивая картина максимумов и минимумов. Для осуществления интерференции необходимо наличие двух когерентных источников света. Допустим, что мы имеем два источника света: S1 и S2. Они – когерентны, поскольку у них одинаковые частоты и фазы. Для простоты расчётов допустим, что у них одинаковые амплитуды векторов электрического поля. Выберем на экране какую-либо точку а. Расстояние от неё до источников S1 и S2, соответственно равны l1 и l2.(рис.6.1)

S2

Тогда уравнение волны от первого источника

E1 = E0 cosw(t – l1/v1)

Уравнение волны от второго источника:

E2 = E0 cosw(t – l2/v2)

Поскольку частоты этих источников одинаковые, то волны придут в точку а с разностью фаз:

Df = (f1 - f2) = wt - wl1/v1 - wt + wl2/v2/ т.е. Df = w(l1/v1 - l2/v2)

Но v = c/n Тогда: v1 = c/n1 v2 = c/n2

Тогда: Df = w(l2n2/c2 – l1n1/c1) или: Df = w/c(l2n2 – l1c1) или Df = wd/c

Здесь d - оптическая разность хода.

Для того, чтобы в точке а был максимум, нужно, чтобы в эту точку пришли волны в одной фазе, т.е. Df = 0, 2p, 4p.... или Df = 2pk.

То есть, по условию максимума, cos f = 1 или 2pk = wd/c то есть d = kl

Максимум получается, если разность хода равна целому числу длин волн. А минимум получается, если разность хода равна нечётному числу длин волн. d = (2k + 1)l/2

Иными словами, на экране будет наблюдаться картина, состоящая из максимумов и минимумов. В центре экрана будет находиться центральный максимум, по обе стороны от него будут находиться максимумы первого порядка, при которых разность хода лучей равна одной длине волны, ещё дальше будут находиться максимумы второго порядка, при которых разность хода будет равна двум длинам волны и т.д. При этом, интерференционная картина будет симметрична относительно центрального максимума.

И чем меньше расстояние между источниками, тем реже друг от друга будут находиться максимумы. А чем меньше будет длина световой волны, тем наоборот: максимумы будут располагаться ближе друг к другу.

5. Интерференция в тонких плёнках.

Рассмотрим случай, когда свет падает на поверхность тонкой, прозрачной плёнки. В этом случае, свет будет отражаться как от внешней, так и от внутренней поверхности плёнки и лучи, отражённые от внешней и внутренней поверхностей будут интерферировать.

Как видно из рисунка, интерференцию света в тонкой плёнке можно наблюдать как в отражённом, так и в проходящем свете. При наблюдении в отражённом свете, как видно из рисунка, свет глаз наблюдателя идёт двумя путями: первый – отразившись от точки В, второй – отразившись от внутренней поверхности плёнки, т.е. от точки С. Получается, что второй луч проходит путь длиннее первого на величину АВС. И если эта разность хода будет равна целому числу длин волн, то волны, идущие в глаз наблюдателя усилят друг друга и в отражённом свете будет наблюдаться интерференционный максимум. Если эта разность хода составит целое число длин волн, плюс ещё пол-волны, то волны, идущие в глаз наблюдателя, погасят друг друга и в этом случае будет наблюдаться интерференционный минимум.(рис.8.1)

При наблюдении же в проходящем свете наблюдается несколько другая картина. Свет в глаз наблюдателя идёт также двумя путями: второй луч – по пути ACBD, первый луч – по пути BD. Если при этом разность хода двух этих лучей равна, как и в предыдущем случае, целому числу длин волн, то в проходящем свете будет наблюдаться интерференционный максимум, а если разность хода этих лучей составит нечётное число полуволн – то минимум.

Если на плёнку падает белый свет, состоящий из всех цветов спектра, то при интерференции будет усиливаться какой-либо один цвет и плёнка будет выглядеть окрашенной в какой-либо определённый цвет, хотя сама плёнка состоит из бесцветного прозрачного вещества.

Этим и объясняется радужная окраска масляных пятен на поверхности воды и яркая окраска крыльев насекомых. По этой же причине мыльные пузыри также имеют различную окраску.

Дата добавления: 2014-01-20