optyka falowa i kwantowa
advertisement
ŚWIATŁO I JEGO ROLA W PRZYRODZIE 1. OPTYKA FALOWA DYFRAKCJA Christiaan Huygens (ur. 14 kwietnia 1629 w Hadze, zm. 8 lipca 1695 w Hadze)- Holenderski fizyk, astronom i matematyk; twórca falowej teorii światła. 'Każdy punkt ośrodka, do którego dociera fala, staje się źródłem nowej fali. W przypadku fal rozchodzących się na powierzchni wody nowa fala jest falą kulistą.' Dyfrakcja to zjawisko zmiany kształtu powierzchni falowych oraz kierunku rozchodzenia się na jej drodze. Dyfrakcja używana jest do badania fal oraz obiektów o niewielkich rozmiarach, w tym i kryształów, ogranicza jednak zdolność rozdzielczą układów optycznych.Zjawisko dyfrakcji występuje dla wszystkich rodzajów fal. Mechanizm zjawiska dyfrakcji światła na pojedynczej szczelinie można przedstawić następująco: na szczeline pada światło; zgodnie z zasadą Huygensa każdy punkt szczeliny staje się źródłem fali świetlnej. Na ekranie zachodzi nakładanie się światła, czyli interferencja, w wyniku czego powstają obszary oświetlone i nieoświetlone. Obraz powstały po przejściu światła przez pojedynczą szczelinę nazywamy dyfrakcyjnym, a wytworzony w wyniku nakładania się światła z dwóch lub więcej źródeł-interferencyjnym. Efekty dyfrakcyjne powodują, że nie można zobaczyć np.wnętrza jądra komórek za pomocą mikroskopów optycznych, są również przyczyną ograniczonej pojemności płyt CD-ROM. Dla promieniowania rentgenowskiego zjawisko dyfrakcji pozwala na obserwacje kolejnych warstw kryształu. INTERFERENCJA Interferencja. Poraz pierwszy zjawisko interferencji światła z dwóch źródeł zostało zaobserwowane w 1810 roku przez Thomasa Younga. Interferencja polega na nakładaniu się(dodawaniu) fal spójnych pochodzących z dwóch źródeł. Dwie fale są spójne, gdy w każdym punkcie, w którym się spotykają, różnice faz tych fal są niezależne od czasu. W wyniku nakładania się fal spójnych powstają obszary wzmocnienia i wygaszenia drgań cząsteczek ośrodka. Wygaszenie drgań następuje w punktach na powierzchni wody, do których dociera grzbiet jednej fali oraz dolina drugiej fali. Wzmocnienei drgań zachodzi na przykład w punktach, do których dociera grzbiet jednej fali oraz grzbiet drugiej fali. INTERFERENCJA ŚWIATŁA W punktach ekranu, do których dociera grzbiet fali świetlnej ze źródła 1 oraz grzbiet fali świetlnej ze źródła2. powstaje jasny prążek, czyli maksimum interferencyjne inaczej wzmocnienie fali. Maksimum powstaje również, gdy zbiega się dolina fali wychodząca ze źródła 1 z doliną fali wychodzącej ze źródła2. Wzór jest prawdziwy, jeśli można założyć, że odległość ekranu od szczeliny jest znacznie większa od szerokości otrzymanego obrazu interferencyjnego. W punktach, do których dociera grzbiet fali świetlnej ze źródła 1 oraz dolina fali ze źródła 2. obserwujemy ciemny prążek interferencyjny-fale docierające do tych punktów wzajemnie się wygaszają (minimum interferencyjne) Zastosowanie Interferencji: *Interferencja pozwala na bardzo precyzyjny pomiar długości drogi od źródła do detektora fali. *Najnowsze prace nad telefonią komórkową trzeciej generacji (UMTS) doprowadziły do powstania idei nowej anteny opierającej swoją zasadę działania na interferencji fal. W wyniku nakładania się obrazów dytrakcyjnych pochodzących ze szczelin otrzymamy obraz składający się z położonych na przemian obrazów oświetlonych i nieoświetlonych. Zjawisko interferencji powstaje rónież w wyniku nakładania się światła odbitego od powierzchni znajdujących się blisko siebie. W wyniku interferencji światła białego, odbitego od cienkich warstw benzyny rozlanej na wodzie, można obserwować róznokolorowe plamy. SIATKA DYFRAKCYJNA Siatka dyfrakcyjna to układ równoległych i równo odległych od siebie szczelin przepuszczających światło oraz układ niewielkich, równoległych płaskich powierzchni odbijających światło, np. powierzchnia płyty CD. Za pomocą siatki dyfrakcyjnej można wyznaczyć długość fali światła. Siatka ta rozszczepia światło białe na poszczególne barwy. Im większa długość fali padającego światła tym kąt, pod którym rozchodzi się światło po przejściu przez siatkę jest większy, dlatego światło czerwone doznaje większego odchylenia niż światło fioletowe. PODZIAŁ SIATEK DYFRAKCYJNYCH *odbiciowe – odbijające światło (siatką taką jest np. powierzchnia płyty CD) *transmisyjne – przepuszczające światło (tworzone przez nacinanie rys lub ich wypalanie w metalu oraz metody holograficzne i fotograficzne): *amplitudowe – z liniami kolejno nieprzezroczystymi (ciemnymi) i szczelinami (przezroczystymi, przepuszczalnymi). *prostokątne – ich profil zmiany stopnia zaczernienia prostopadle do wiązki jest skokowy (prążki są wyraźne i powstaje wiele maksimów interferencyjnych); *sinusoidalne – ich profil zmiany stopnia zaczernienia prostopadle do wiązki jest łagodny (prążki są mniej wyraźne i powstają jedynie trzy maksima interferencyjne: n = 0 i n = ±1) *fazowe – w całym swoim obszarze przezroczyste dla światła, a odpowiednikami na przemian przezroczystych i nieprzezroczystych linii siatki amplitudowej są tu linie o okresowo zmieniającym się współczynniku załamania realizowany przez np. zmienną grubość ośrodka, zmienną gęstość ośrodka; *prostokątne *sinusoidalne ZJAWISKO POLARYZACJI Światło oraz fala mechaniczna jest poprzeczną falą elektromagnetyczną. Jeśli na drodze takiej fali postawiona zostanie pionowa szczelina to przez tę szczelinę mogą przejść tylko drgania w kierunku pionowym. Polaryzacją nazywamy zatem uporządkowanie kierunku drgań. Gdy zmiany natężenia pola elektrycznego odbywają się tylko w jednej płaszcyźnie, mówimy, że światło jest spolaryzowane liniowo. Jeśli w skład fali świetlnej wchodzą pola elektryczne o bardzo wielu różnych kierunkach zmian, to mówimy o świetle spolaryzowanym częściowo i świetle niespolaryzowanym. Jeżeli źródłem fali spolaryzowanej liniowo będzie pojedynczy elektron wykonujący drgania odbywające się w jednej płaszczyżnie to kierunek drgań tego elektronu będzie jednoznacznie wskazywał kierunek polaryzacji liniowej powstającej fali. Światło niespolaryzowane można spolaryzować. Będzie to polegało na tym, że spośród wielu kierunków drgań pola elektrycznego w fali świetlnej wybierane będą tylko ściśle określone. Światło można spolaryzować, przepuszczając je na przykłąd przez polaryzator (np. specjalny kryształ, folia polimerowa). Światło może również ulegać polaryzacji w wyniku odbicia od powierzchni niemetalicznych, na przykłąd od powierzchni wody lub szkła. Promień odbity jest spolaryzowany liniowom gdy tworzy z promieniem załamanym kąt 90°. Stwierdzenie to nosi nazwę prawa Brewstera. OPTYCZNE WŁAŚCIWOŚCI MATERII Wspólczynnik załamania powietrza względem próżni w przybliżeniu wynosi 1. Im gęstość powietrza jest mniejsza, tym bardziej wartość jego współczynnika załamania zbliża się do 1. Gęstośc powietrza maleje wraz z wysokością, zatem współczynnik załamania również maleje wraz z wysokością. Jest to przyczyną faktu, że promienei świetlne przechodzące przez atmosferę się zakrzywiają. W wyniku tego zakrzywienia ciała niebieskie widzimy na niebie nieco wyżej. Wartości odczylenia zależą od temperatury i ciśnienia powietrza oraz wysokości obiektu na niebie.Gęstość powietrze i współczynnik załamania, może się zmieniać w wyniku silnego nagrzania się powietrza, w wyniku ogrzewania może się zdarzyć, że współczynnik załamania tuż nad powierzchnią Ziemi staje się mniejszy niż na pewnej wysokości. Wówczas promienie padające od przedmiotów pod znacznymi kątami mogą ulec zakrzywieniu na tyle, że trafiają do oczu obserwatora, wywołując złudzenie zwane mirażem. Oddziaływanie światła z cząsteczkami atmosfery odpowiada za odbieraną przez nas barwę nieba. Stopień rozproszonego światła zależy od długości fali. Im długość fali mniejsza, tym światło jest silniej rozpraszane. Światło ultrafioletowe jest rozpraszane jest rozpraszane między innymi przez warstwę ozonową. Wczęści widzialnej światła słonecznego najsilniej rozpraszane jest swiatło fioletowe. Niebo widzimy jako niebieskie, gdyż ludzkie oko jest bardziej czułe na światło niebieskie niż na fioletowe. Gdy Słońce jest niskio nad horyzontem, widzimy je jako czerwone, ponieważ światło czerwone jest rozpraszane przez atmosferę najsłabiej. Światło przechodzące z powietrza do wody ulega załamaniu. Kąt załamania nie jest taki sam dla wszystkich długości fal.Najmniej odchyla się światło czerwone, a najbardziej fioletowe. Światło, które po rozproszeniu pod wodą wraca nad jej powierzchnię, odgrywa rolę w odbieraniu zabarwienia wody. Wzależności od ilości i rodzaju substancji rozpuszczonych w wodzie, zbiornik może przyjmować różne odcienie. Barwa wody zależy również od zabarwienia nieba. Ciała stałe przezroczyste np.szkło podobnie do wody rozpraszają świato. Niezbyt grube warstwy szkła są przezroczyste dla wszystkich długości fal, ponieważ żadna długość nie jest przez szkło szczególnie silnie pochłaniana. 2.OPTYKA KWANTOWA ZJAWISKO FOTOELEKTRYCZNE Zjawisko fotoelektryczne, odkryte przez Heinricha Hertza w 1887 roku, polega na wybijaniu elektronów z powierzchni metali pod wpływem padającego na nie światła. Jeśli elektroskop elektryzujemy ujemnie to jego listki opadają, oznacza to, że z płytki zostały usunięte elektrony. Jeśli oświetlamy nienaładowaną płytkę to listki odchylają się, a elektroskop ładuje się dodatnio. Jeśli na elektroskopie i płytce gromadzimy ładunek ujemny, zmieniamy odległośc lampy od płytki, zmieniając jednocześnie natężenie światła padającego na płytkę, to czas potrzebny na całkowite opadnięcie listków jest dłuższy im lampa jest dalej odpłytki. Jeśli pomiędzy lampą a płytką umieści się płytkę szklaną to listki nie opadną. PRAWA ZJAWISKA FOTOELEKTRYCZNEGO: Wartość energii przenoszonej przez pojedynczy foton obliczmy wzorem: Fotony o energii E=hv padają na powierzchnię metalowej płytki, w efekcie czego przekazują one swoją energię znajdującym sie w sieci krystalicznej metalu. Energie potrzebną elektronowi na wyrwanie sie z metalowej płytki nazywamy praca W. Pozostała energia stanowi energię kinetyczną wybitego z płytki elektronu. Wyrażenie to nosi nazwęrównania Einsteina-Millikana I PRAWO: Jeżeli energia fotonu padającego na powierzchnię metalu jest mniejsza od pracy wyjścia, to elektron, który otrzymał energię od fotonu, nie może się wydostać z powierzchni metalu. II PRAWO: Im większe jest natężenie oświetlenia, tym więcej fotonów pada na płytkę,tym częściej trafiają one w elektrony i tym więcej elektronów jest wybijanych z powierzchni metalu. III PRAWO: Im większa jest energia fotonu, czyli częstotliwość promieniowania, tym większa jest energia kinetyczna elektronu wybitego z powierzchni płytki: Ek=Ef-W. KORPUSKULARNE WŁASNOŚCI ŚWIATŁA Światło ma podwójną naturę. W takich zjawiskach jak dyfrakcja, inferencja, polaryzacja, światło ukazując swoją naturę falową, w innych np. fotoelektryczne -korpuskularną. Foton uderzający w metalową płytkę i wywołujący zjawisko fotoelektryczne, zachowuje się jak cząstka. Aby wyjaśnić to zjawisko, światło dociera ze źródła do tej płytki traktujemy jako zbiór cząstek zwanych fotonami. Rozchodzenie się światła polega na rozchodzeniu się fotonów -cząstek niosących energię. W kwantowym modelu świata foton jest cząstką, której masa spoczynkowa jest równa zeru. Pomiędzy energią niesioną przez foton a jego pędem istnieje zależnośc: Aby sprawdzić własności światła, fizycy z Instytutu Optyki Kwantowej Maksa Plancka w Niemczech przeprowadzili doświadczenie; słabe źródło światła, wysyłające pojedyncze fotony, oświetla płytkę z dwiema szczelinami. Światło jest czymś więcej niż tylko strumieniem fotonów i czymś więcej niż tylko falą. Podwójna natura światła objawia się w życiu codziennym na przykład podczas tworzenia obrazów optycznych w aparatach fotograficznych.
