Лекция 8. Оптика. Квантовая природа излучения

1. ЛЕКЦИЯ 8

2.

ОПТИКА
КВАНТОВАЯ ПРИРОДА
ИЗЛУЧЕНИЯ

3. ОПТИКА

4. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ОПТИКИ

5. 1. ЗАКОН ПРЯМОЛИНЕЙНОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ СВЕТА

СВЕТ В ОПТИЧЕСКИ ОДНОРОДНОЙ СРЕДЕ РАСПРОСТРАНЯЕТСЯ ПРЯМОЛИНЕЙНО.
(Закон нарушается, если свет проходит через очень
малые отверстия, и отклонение от прямолинейности тем больше, чем меньше отверстие.)

6. 2. ЗАКОН НЕЗАВИСИМОСТИ СВЕТОВЫХ ПУЧКОВ

РЕЗУЛЬТАТЫ ДЕЙСТВИЯ ПРОИЗВОДИМЫХ ОТДЕЛЬНЫМ СВЕТОВЫМ ПУЧКОМ, НЕ ЗАВИСЯТ ОТ ТОГО
ДЕЙСТВУЮТ ОДНОВРЕМЕННО ОСТАЛЬНЫЕ СВЕТОВЫЕ ПУЧКИ ИЛИ НЕТ.
(ДЕЙСТВИЕ СВЕТОВЫХ ПУЧКОВ НЕЗАВИСИМО)

7. 3. ЗАКОН ОТРАЖЕНИЯ

ОТРАЖЕННЫЙ СВЕТ ЛЕЖИТ В ОДНОЙ ПЛОСКОСТИ С
ПАДАЮЩИМ ЛУЧЕМ И ПЕРПЕНДИКУЛЯРОМ ПРОВЕДЕННЫМ К ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ДВУХ СРЕД В ТОЧКЕ
ПАДЕНИЯ. УГОЛ ПАДЕНИЯ РАВЕН УГЛУ ОТРАЖЕНИЯ.

8. 4. ЗАКОН ПРЕЛОМЛЕНИЯ

ЛУЧ ПАДАЮЩИЙ, ЛУЧ ПРЕЛОМЛЕННЫЙ И ПЕРПЕНДИКУЛЯР ПРОВЕДЕННЫЙ К ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ДВУХ
СРЕД В ТОЧКЕ ПАДЕНИЯ, ЛЕЖАТ В ОДНОЙ ПЛОСКОСТИ. ОТНОШЕНИЕ СИНУСА УГЛА ПАДЕНИЯ К СИНУСУ
УГЛА ПРЕЛОМЛЕНИЯ ЕСТЬ ВЕЛИЧИНА ПОСТОЯННАЯ
ДЛЯ ДАННЫХ СРЕД.

9.

Падающий
На рисунке представлена ситуация
свет
падения света на границу разде 1
1
ла двух сред (прозрачных веществ
СРЕДА 1
Отраженный
1 и 2). Падающий луч разделяетn₁
свет
n₂
ся на отраженный и преломленПреломленный свет
ный, которые задаются законами СРЕДА 2
отражения и преломления.
sin 2
n21
sin 1
2
1 1
• 1 , 2 , 1 – углы падения, преломления, отражения
соответственно.
• n21 – относительный показатель преломления (второй
среды относительно первой). Относительный показатель преломления двух сред равен отношению их абсолютных показателей преломления. n21 n2 n1

10.

• n – Абсолютный показатель преломления среды. Величина равная отношению скорости с электромагнитных волн в вакууме к их фазовой скорости в среде.
n
c
Световые лучи обратимы. Если луч в среде 2 падает на
границу раздела под углом 2 , то преломленный луч
в среде 1 будет распространятся под углом 1 .
Если свет распространяется из среды с большим показателем преломления n1 , в среду с меньшим показателем преломления n 2 ( оптически менее плотную
( n1 n2 )), то выполняется условие:
sin 2
n1
1
sin 1
n2

11.

и преломленный луч будет удаляться от нормали, а угол преломления 2 будет больше чем угол падения .
1
С увеличением угла падения увеличивается и угол преломления до тех пор, пока при некотором значении угла падения ( 1 пр ),(предельном угле), не будет равен
пр
. При углах весь падающий свет
1
пр
n₁
2
полностью отражается.
n₂
По мере приближения 1 к пр интенсивность отраженного
угла растёт, а преломленного уменьшается, при 1 пр интенсивность преломленного луча равна 0, а интенсивность отраженного равна интенсивности падающего.
Явление полного отражения – при углах падения от пр до
. 2 луч не преломляется, а полностью отражается в первую среду, причем, интенсивности падающего и отраженного лучей одинаковы.

12. ОСНОВНЫЕ ФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ ЕДИНИЦЫ И ИХ ВЕЛИЧИНЫ

13.

ФОТОМЕРИЯ – раздел оптики занимающийся вопросами
измерения интенсивности света и его источников. В
ней используются следующие величины:
Энергетические – характеризуют энергетические параметры оптического излучения, безотносительно к его
воздействию на приемник излучения.
Световые – характеризуют физиологические свойства
света и оцениваются по их воздействию на глаз, или
другие приемники света.

14. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ

• Поток излучения e – величина равная отношению
энергии излучения W ко времени t , за которое излучение произошло. Единица измерения ватт (Вт).
W
e
t
• Энергетическая светимость (излучательность) Re –
величина, равная отношению потока излучения e испускаемого поверхностью, к площади сечения S ,
сквозь которое этот поток происходит (поверхностная
плотность потока излучения). Единица измерения:
ватт/метр² (Вт/м²).
e
Re
S

15.

• Энергетическая сила света (сила излучения) I e –
величина равная отношению потока излучения e источника к телесному углу w , в пределах которого излучение распространяется. Единица излучения:
ватт/стерадиан (Вт/ср).
e
Ie
w
• Энергетическая яркость (лучистость) Be– величина
равная отношению энергетической силы света I e элемента излучающей поверхности, к площади S проекции этого элемента, на плоскость перпендикулярную направления наблюдения. Единица измерения:
ватт/стерадиан·метр² (Вт/ср·м²)
I e
Be
S

16.

• Энергетическая освещенность (облученность) E e –
величина потока излучения , падающего на единицу
освещаемой поверхности. Единица измерения:
ватт/метр² (Вт/м²).
e
Ee
dS

17. СВЕТОВЫЕ ВЕЛИЧИНЫ (определение световых единиц аналогично энергетическим)

• Световой поток – определяется как мощность оптического излучения (по действию на селективный приемник света с заданной спектральной чувствительностью). Единица измерения: люмен (лм). 1 лм – световой
поток испускаемый точечным источником света, силой
света в 1 кд (кд – кандела : сила света в заданном нап0равлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·10¹² Гц, энергетическая сила которого в этом направлении 1/683 Вт/ср) внутри телесного угла в 1 ср. 1 лм=1 кд·ср.

18.

• Светимость R – Единица измерения: лм/м² , определяется соотношением:
R
S
• Яркость B – величина светящейся поверхности в некотором направлении , равная отношению силы
света I в этом направлении к площади проекции S
светящейся на плоскость перпендикулярную данному
направлению. Единица измерения кд/м².
I
Be
S cos
• Освещенность E – величина равная отношению светового потока падающего на поверхность к площади S этой поверхности. Единица измерения: люкс (лк)
E
S

19. ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА ЛИНЗЫ

20.

• ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА – раздел оптики в котором
законы распространения света рассматриваются на основе представления о световых лучах.
• Световые лучи – нормальные к волновым поверхностям линии, вдоль которых распространяется поток световой энергии.
• Линза – прозрачное тело ограниченное двумя поверхностями (одна сферическая, другая сферическая или
плоская), преломляющее световые лучи, способные
формировать оптические изображения предметов. По
оптическим свойствам делятся на РАССЕИВАЮЩИЕ и
СОБИРАЮЩИЕ.
• Тонкая линза – толщина линзы значительно меньше ра
диусов поверхностей ограничивающих линзу.

21.

• Главная оптическая ось линзы –
прямая проходящая через центR
R
ры кривизны поверхностей
линзы.
О
В
А
a
b
• Оптический центр линзы О –
точка лежащая на главной
оптической оси линзы.
Световые лучи проходят через оптический центр линзы
не преломляясь. Для линз с одинаковыми радиусами
кривизны поверхности, оптический центр можно считать совпадающим с геометрическим центром линзы,
для плосковыпуклых и плосковогнутых линз оптический центр лежит на пересечении главной оптической
оси со сферической поверхностью.
2
1

22.

Для тонкой линзы, где R1и R2 радиусы кривизны поверхностей, а – расстояние от предмета до линзы, b – расстояние от линзы до изображения и N n n1 относительный показатель преломления ( n и n1 – абсолютные показатели преломлениям линзы и окружающей
среды) можно вывести формулу тонкой линзы:
( N 1)(
1
1
1 1
)
R1 R2
a b
Параксиальные (приосевые) лучи – лучи образующие с
оптической осью малые углы. Только для них получается стигматическое изображение, то есть все лучи параксиального пучка исходящего из точки А пересекают
оптическую ось в одной и той же точке В.
Радиус кривизны выпуклой линзы считается положительным, вогнутой отрицательным.

23. ФОКУС ЛИНЗЫ

Приняв для формулы тонкой линзы ( N 1)(
1 1
1 1
)
R1 R2
a b
значение а , то есть положив что лучи падают на
линзу параллельным пучком получим:
( N 1)(
F
1 1
1
)
R1 R2
b
О
f
Соответствующее этому случаю расстояние b OF f
называют ФОКУСНЫМ РАССТОЯНИЕМ ЛИНЗЫ.
f
1
1 1
( N 1)( )
R1 R2
F
О
f
Если b , то изображение находится в бесконечности, а
значит лучи выходят из линзы параллельным пучком и

24.

a OF f . Значит фокусные расстояния линзы окру-
женной одной средой равны.
Точки F лежащие по обе стороны линзы на расстоянии
равном фокусному – ФОКУСЫ ЛИНЗЫ.
ФОКУС – точка в которой после преломления собираются все лучи, падающие на линзу параллельно главной
оптической оси.
1
1 1
( N 1)( )
f
R1 R2
Оптическая сила линзы – . Единица измерения: диоптрия (дптр) (оптическая сила линзы с фокусным расстоянием 1 м.).

25. СОБИРАЮЩИЕ И РАССЕИВАЮЩИЕ ЛИНЗЫ

Линзы с положительной оптической силой – собирающие, с отрицательной – рассеивающие. Плоскости проходящие через фокусы линзы называются фокальными
плоскостями.
В отличие от собирающей, рассеивающая
линза имеет мнимые фокусы. В них схо- F
F
дятся после преломления воображаемые
продолжения лучей, падаюших на рассеивающую линзу параллельно главной оптической оси.
Формулу любой линзы можно записать в виде:
1 1 1
a b f
Для рассеивающей линзы расстояния f и b необходимо
брать отрицательными.

26. ПОСТРОЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ ПРЕДМЕТА В ЛИНЗАХ

Построение изображения предмета в линзах осуществляется с помощью лучей:
• Луча, проходящего через оптический центр линзы и не
меняющего своего направления.
• Луча, идущего параллельно главной оптической оси,
после преломления этот луч (или его продолжение)
проходит через второй фокус линзы.
• Луча, (или его продолжения), проходящегл черз
первый фокус линзы, после преломления в линзе он
выходит из линзы параллельно её главной оптической
оси.

27. ПРИМЕР ПОСТРОЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ ПРЕДМЕТА В СОБИРАЮЩЕЙ ЛИНЗЕ

В´
А
F
F
О
В
А´

28. ВОЛНОВАЯ И КОРПУСКУЛЯРНАЯ ТЕОРИИ ПРИРОДЫ СВЕТА

29.

В конце XVII века на основе многочисленных исследований возникли две теории света: волновая ( Х. Гюйгенс,
Р. Гук) и корпускулярная (И. Ньютон).
• ПО ВОЛНОВОЙ ТЕОРИИ – свет представляет собой упругую волну, распространяющуюся в упругой среде
(эфире). Считалось, эфир пронизывает всё мировое
пространство, все тела, обладает упругостью и плотностью. Большая скорость распространения света
объяснялась особыми свойствами эфира. Волновая
теория основывалась на принципе Гюйгенса: каждая
точка до которой докатывалась волна служила центром вторичных волн, а огибающая этих волн давала
положение волнового фронта в следующий момент
времени.

30.

• ПО КОРПУСКУЛЯРНОЙ ТЕОРИИ – свет представляет собой поток частиц (корпускул), испускаемых светящимися телами и летящих по прямолинейной траектории.
Движение световых корпускул Ньютон подчинял законам механики.
Обе рассмотренные теории объясняли прямолинейное
распространение света, законы отражения и преломления. Экспериментально доказательство волновой
теории было получено в 1851 г., когда Э. Фуко измерил,
совпавшее с теоретически рассчитанным, значение
скорости распространения света в воде .
Корпускулярная теория была в целом отвергнута и восторжествовала волновая теория. Однако, она обладала
рядом недостатков, например, не могла объяснить физической природы наличия разных цветов.

31. ГИПОТЕЗА ПЛАНКА

Многочисленные затруднения и противоречия были преодолены благодаря гипотезе немецкого физика М.
Планка, согласно которой:
Излучение и поглощение света происходит не непрерывно а дискретно, то есть определенными порциями
– КВАНТАМИ.
Энергия квантов определяется их частотой : 0 h
( h – постоянная Планка).
Эйнштейн в 1905 г. разработал квантовую теорию света,
согласно которой, не только излучение света, но и его
распространение происходит в виде потока световых
квантов – ФОТОНОВ. Квантовые представления о свете
хорошо согласуются с законами излучения и поглоще-

32.

ния света, законами взаимодействия света с веществом. Однако, такие явления как интерференция,
дифракция и поляризация лучше объясняются на
основе волновых представлений.
Свет имеет сложную природу. Он представляет собой
единство противоположных видов движения: волнового ( электромагнитного) и корпускулярного
(квантового) .
У СВЕТА ДВОЙСТВЕННАЯ КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВАЯ
ПРИРОДА, И, ТАКИМ ОБРАЗОМ, СВЕТ ПРЕДСТАВЛЯЕТ
СОБОЙ ЕДИНСТВО ДИСКРЕТНОСТИ И НЕПРЕРЫВНОСТИ.