Материал: Краткий курс физики. Часть 2. Электромагнетизм, колебания и волны, оптика, квантовая физика, физика ядра. Москаленко А.Г., Гаршина М.Н

Подставив эти значения в формулу (1), получим искомое расстояние от экрана до линзы:

Вычисляя, получим L = 1м.

Пример 6. На дифракционную решетку нормально падает параллельный пучок лучей с длиной волны λ = 0,5 мкм. На экра­не, параллельном дифракционной решетке и отстоя- щем от нее на расстоянии L = 1 м, получается дифракционная картина. Расстояние между максимумами первого порядка, наблюдае­мыми на экране, оказалось равным r = 20,2 см.

Определить:

а) постоянную дифракционной решетки;

б) число штрихов на 1 см;

в) сколько максимумов дает при этом дифракционная решетка?

г) максимальный угол отклонения лучей, соответствую- щих последнему дифракционному максимуму.

Решение

а) Постоянная дифракционной решетки (а + b), длина волны λ и угол отклонения лучей φ, соответ­ствующий k-тому дифракционному максимуму, связаны соотно­шением

(a + b) sinφ = kλ, (1)

где k — порядок спектра. В данном случае k = 1, а

Указанное приближенное равенство имеет место, поскольку Тогда соотношение (1) принимает вид

и см.

б) Число делений на 1 см найдем из формулы

см^-1.

в) Для определения числа максимумов, даваемых дифрак­ционной решеткой, вычислим сначала максимальное значение k, которое определяется из условия, что максимальный угол от­клонения лучей дифракционной решеткой не может превы­шать 90°. Из формулы (1)

найдем искомое значение k_mах. Подставляя sin = 1, получим k_max = 9,9.

Но так как k обязательно должно быть целым числом, то, следовательно, k_max = 9 (k не может принять значение, равное 10, так как при этом sin φ > 1).

Подсчитываем число максимумов, даваемых дифракционной решеткой: влево и вправо от центрального максимума будет наблюдаться одинаковое число максимумов, равное k_max, т. е. всего 2 k_max. Учитывая центральный (нулевой) максимум, полу­чим общее число максимумов

M = 2 k_max + 1= 19 максимумов.

г) Максимальный угол отклонения лучей, соответствую- щих последнему дифракционному максимуму, найдем, подставляя в формулу дифракционной решетки значение k = k_max

откуда находим искомое значение угла φ = 65°22'.

Пример 7. Определить длину волны монохрома- тического све­та, падающего нормально на дифракционную решетку с периодом d = 2,20 мкм, если угол между максимумами первого и второго порядков спектра Δφ = 15°.

Решение

Пусть φ₁, φ₂ - углы дифракции, соответствующие максимумам первого (k = 1) и второго (k = 2) порядков. По уcловию

φ₂ - φ₁ = Δφ. (1)

Из формулы дифракционной решетки следует

d sin φ₁ = λ, (2)

d sin φ₂ = 2 λ. (3)

Система уравнений (1), (2), (3) содержит три неизвестных: φ₁, φ₂, λ. Разделив почленно (2), (3), получим sin φ₂ = 2 sin φ₁, или, учи­тывая (1),

sin (φ₁ + Δφ) = 2 sin φ₁.

Решив это тригонометрическое уравнение относительно sin φ₁, найдем

(4)

Теперь из (2) с учетом (4) определим искомую величину:

мкм.

Пример 8. При каком минимальном числе штрихов дифрак­ционной решетки с периодом d = 2,9 мкм можно раз­решить компоненты дублета желтой линии натрия (λ₁= 5890 и λ₂ = 5896 )?

Решение

Число штрихов N решетки связано с ее разре­шающей силой R и порядком спектра k соотношением R = kN, от­куда следует:N = R/k. Минимальному значению N_мин соответст­вует минимальное значение R_мин и максимальное число k, т. е.

N_мин = R_мин /k_макс.

Минимальная разрешающая сила решетки R_мин, необходи- мая для разрешения дублета (двух составляющих) желтой линии нат­рия, выражается через величины λ₁ и λ₂ по формуле:

R_мин = ₁ / (₂ - ₁).

Число k_макс найдем из формулы дифракционной решетки, если положим в ней sin φ = 1 и λ = λ₂ (последнее соотношение га­рантирует, что обе компоненты дублета с порядковым номером k_макс будут видны). Учитывая при этом, что k — целое число, получим

Тогда

Пример 9. Пучок естествен­ного света падает на полиро­ванную поверхность стеклянной пластины, погруженной в жид­кость. Отраженный от пластины пучок света образует угол φ = 97° с падающим пучком. Определить показатель прелом­ления n₁ жидкости, если отра­женный свет максимально поляризован.

Решение

Согласно за­кону Брюстера, пучок света, отраженный от диэлектрика, максимально поляризован в том случае, если тангенс угла падения численно равен относительному показателю пре­ломления

г де n₂₁ - показатель преломления вто­рой среды (стекла) относительно первой (жидкости).

Относительный показатель преломления равен отно­шению абсолютных показателей преломле- ния. Следова­тельно,

Так как угол падения равен углу отражения, то  = φ/2 и, следовательно, tg( /2) = n₂/n₁, откуда

Пример 10. Два николя N₁ и N₂ расположены так, что угол между их плоскостями пропускания составляет  = 60°. Определить, во сколько раз уменьшится интен­сивность I₀ естественного света: 1) при прохождении через один николь N₁; 2) при прохождении через оба николя. Коэффициент поглощения света в николе k = 0,05. Потери на отражение света не учитывать.

Решение

1. Естественный свет, падая на грань призмы Николя, расщепляется вследствие двойного лучепреломления на два пучка: обыкновенный и необыкновенный. Оба пучка одинако- вы по интенсив­ности и полностью поляризованы.

Обыкновенный пучок света (о) вследствие полного отражения от границы АВ отбрасывается на зачерненную поверхность призмы и поглощается ею. Необыкновенный пучок (е) проходит через призму, уменьшая свою интен­сивность вследствие поглощения. Таким образом, интен­сивность света, прошедшего через первую призму,

I₁ = ½ I₀ (1-k).

Относительное уменьшение интенсивности света полу­чим, разделив интенсивность I₀ естественного света, падающего на первый николь, на интенсивность I₁ поля­ризованного света:

Таким образом, интенсивность уменьшается в 2,1 раза.

2. Плоскополяризованный пучок света интенсивности I₁ падает на второй николь N₂ и также расщепляется на два пучка различной интенсивности: обыкновенный и необыкновенный. Обыкновенный пучок полностью погло­щается призмой, поэтому его интенсивность нас не интересует. Интенсивность I₂ необыкновенного пучка, вышедшего из призмы N₂, определяется законом Малюса (без учета поглощения света во втором николе):

I₂ = I₁ cos²,

где  - угол между плоскостью колебаний в поляризо­ванном пучке и плоскостью пропускания николя N₂.

Учитывая потери интенсивности на поглощение во втором николе, получаем

I₂ = I₁ (1-k) cos²,

Искомое уменьшение интенсивности при прохождении света через оба николя найдем, разделив интенсив­ность I₀ естественного света на интенсивность I₂ света, прошедшего систему из двух николей:

Таким образом, после прохождения света через два николя интенсивность его уменьшится в 8,86 раза.

Пример 11. На пути частично поляризованного пучка света поместили николь. При повороте николя на угол φ= 60° из положения, соответствующего максималь­ному пропусканию света, интенсивность прошедшего света уменьшилась в k = 3 раза. Найти степень по­ляризации падаю- щего света.

Решение

Частично поляризованный свет можно рассмат­ривать как смесь плоскополяризованного и естественного света. Ни­коль всегда пропускает половину падающего на него естественного света (превращая его в плоскополяризованный). Степень пропускания поляризованного света, падающего на николь, зависит, согласно за­кону Малюса

от взаимной ориентации главных плоскостей поля­ризатора и анализатора. Поэтому полная интенсивность света, про­шедшего через николь,

I = 0,5I_n + I_p cos² φ,

где I_n, I_p - интенсивности естественной и поляризованной состав­ляющих света, падающего на николь.

Степень поляризации света

,

где I_макс = 0,5I_n + I_p, I_мин = 0,5I_n.

По условию, I_макс = kI, или,

I_макс =kI_мин + (I_макс - I_мин) cos² φ.

Обозначим через  отношение I_макс / I_мин, тогда

P = (1- )/ (1+);

1 = k [ + (1 - ) cos²];

6. Квантовая оптика

Волновые представления о природе света позволили объяснить такие явления, как интерференция, дифракция, поляризация и дисперсия света. Важным подтверждением этих представлений стали электродинамика Максвелла и экспериментальное доказательство электромагнитной природы света. Однако во второй половине века при изучении некоторых явлений было обнаружено, что выводы, получен- ные на основе волновой теории, противоречат эксперимен- тально установленным законам. Простейшими примерами таких явлений служат тепловое излучение и внешний фотоэффект. Корректное объяснение было получено лишь на основе квантовых представлений о природе света: излучение и поглощение света происходит отдельными порциями энергии – квантами или фотонами. Эти представления привели к понятию корпускулярно-волнового дуализма и развитию квантовой физики. Рассмотрим подробнее явления и процессы, в которых свет проявляет квантовые свойства.

6.1. Тепловое излучение. Закон Кирхгофа

Для того чтобы тело излучало электромагнитные волны, необходим источник энергии. Это может быть энергия химических реакций, энергия другого излучения или движущихся частиц, а также внутренняя энергия тела.

Тепловое излучение – это электромагнитное излучение тела, возникающее за счет своей внутренней энергии (все остальные виды излучения называются люминесценцией). Оно зависит от температуры тела и его физических свойств. В отличие от других видов, тепловое излучение является равновесным, т.е. в теплоизолированной системе тело и его излучение находятся в равновесии.

Рассмотрим основные характеристики теплового излучения.

Испускательная способность (спектральная плотность энергетической светимости) – поток энергии, испускаемый за единицу времени телом с единицы площади поверхности по всем направлениям в единичном интервале длин волн вблизи данной длины волны .