Вопросы для подготовки к зачету по теме: "Волновая и квантовая оптика"
44. Законы отражения света и преломления света. Полное внутреннее отражение.
45. Интерференция света, её проявление и применение в технике.
46. Дифракция света. Дифракционная решётка. Уравнение дифракционной решётки.
47. Дисперсия света.
48. Давление света. Опыты П.Н. Лебедева.
49. Явление внешнего фотоэффекта. Законы А.Г. Столетова для внешнего фотоэффекта. Уравнение А. Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.
Ответы.
Часть 1. Основные физические величины, единицы их измерения, формулы для нахождения.
Часть 2. Основные понятия.
1. Законы отражения света.
1. Луч падающий и луч отраженный лежат в одной плоскости с перпендикуляром к отражающей поверхности.
2. Угол отражения луча β равен углу его падения α (α = β).
3. Световые лучи обладают обратимостью.
2. Законы преломления света.
Преломление света – изменение направления распространения света при переходе из одной среды в другую.
Законы преломления света:
1. Падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости.
2. Отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления γ есть величина, постоянная для двух данных сред:
Постоянную величину n называют относительным показателем преломления второй среды относительно первой.
3. Интерференция света, её проявление и применение в технике.
Интерференция волн – сложение в пространстве двух (или нескольких) волн, при котором в разных его точках получается усиление или ослабление результирующей волны. Для образования устойчивой интерференционной картины необходимы когерентные (согласованные) источники волн.
Когерентными называются волны, имеющие одинаковую частоту и постоянную разность фаз.
Интерференцией называется постоянное во времени явление взаимного усиления и ослабления колебаний в разных точках среды в результате наложения когерентных волн. В результате в пространстве образуется устойчивая картина чередования областей усиленных и ослабленных колебаний.
Радужная окраска крыльев бабочек, стрекоз, жуков, перьев птиц, перламутровых раковин - все это проявление интерференции в тонких пленках.
Явление интерференции света находит широкое применение в современной технике:
- для улучшения качества оптических приборов (просветление оптики);
- для получения хорошо отражающих покрытий, необходимых во многих отраслях оптики: для создания светофильтров, зеркал, просветляющих покрытий и др.;
- для изучения качества изготовления оптических деталей, измерения углов, исследования быстропротекающих процессов, происходящих в воздухе, обтекающем летательные аппараты, и т. д;
- при спектральном анализе для точного измерения расстояний и углов;
- в рефрактометрии, в задачах контроля качества поверхностей;
- на явлениях интерференции света основана голография.
Условия максимума и минимума
Если колебания вибраторов А и Б совпадают по фазе и имеют равные амплитуды, то очевидно, что результирующее смещение в точке С зависит от разности хода двух волн.
Условия максимума:
Если разность хода этих волн равна целому числу волн (т. е. четному числу полуволн)
Δd = kλ,, где k = 0, 1, 2, ..., то в точке наложения этих волн образуется интерференционный максимум.
Условие максимума: 
Амплитуда результирующего колебания А = 2x0.
Условие минимума:
Если разность хода этих волн равна нечетному числу полуволн, то это означает, что волны от вибраторов А и Б придут в точку С в противофазе и погасят друг друга: амплитуда результирующего колебания А = 0.
Условие минимума : 
Если Δd не равно целому числу полуволн, то 0 < А < 2х0.
4. Дифракция света.
Дифракция – явление отклонения волны от прямолинейного распространения при прохождении через малые отверстия и огибании волной малых препятствий.
Условие проявления дифракции: d < λ, где d – размер препятствия, λ - длина волны. Размеры препятствий (отверстий) должны быть меньше или соизмеримы с длиной волны.
5. Дифракционная решётка. Уравнение дифракционной решётки.
Дифракционная решетка – оптический прибор, представляющий собой большое число параллельных и очень близко расположенных узких щелей, которые пропускают или отражают свет.
Штрихи с определенным и постоянным для данной дифракционной решетки профилем повторяются через одинаковый промежуток d (период решетки). Способность дифракционной решетки раскладывать падающий на нее пучек света по длинам волн является ее основным свойством.
Различают отражательные и прозрачные дифракционные решетки. В современных приборах применяют в основном отражательные дифракционные решетки.
Уравнение дифракционной решетки.
d·sinφ=k·λ,
где k=0; ± 1; ± 2; ± 3;
d - период решетки,
φ - угол, под которым наблюдается максимуи
λ - длина волны.
Из условия максимума следует sinφ=(k·λ)/d .
6. Дисперсия света.
Дисперсия - зависимость показателя преломления света от частоты колебаний (или длины волны).
7. Давление света.
Давление света - давление, которое оказывает световое (и любое электромагнитное) излучение, падающее на поверхность тела, частиц.
Давление света согласно электродинамике Максвелла возникает из-за действия силы Лоренца на электроны среды, колеблющиеся под действием электрического поля электромагнитной волны. Под действием электрического поля волны, падающей на поверхность тела, например металла, свободный электрон движется в сторону, противоположную вектору Е. На движущийся электрон действует сила Лоренца , направленная в сторону распространения волны. Суммарная сила, действующая на электроны поверхности металла, и определяет силу светового давления.
Квантовая теория объясняет давление света как результат передачи фотонами своего импульса атомам или молекулам вещества при их поглощении. Фотоны, подобно частицам вещества, имеющим массу покоя, обладают импульсом. При поглощении их телом они передают ему свой импульс. Согласно закону сохранения импульса импульс тела становится равным импульсу поглощенных фотонов. Поэтому покоящееся тело приходит в движение. Изменение импульса тела означает согласно второму закону Ньютона, что на тело действует сила.
8. Опыты П.Н. Лебедева.
П.Н Лебедев в 1900 году измерил давление света на твердые тела, используя чувствительные крутильные весы. Прибор Лебедева состоял из очень легкого стерженька на тонкой стеклянной нити, по краям которого были приклеены легкие крылышки. Крылышки изготавливались из различных металлов и слюды с идентичными противоположными поверхностями. Весь прибор помещался в сосуд, откуда был выкачан воздух. Свет падал на крылышки, расположенные по одну сторону от стерженька. О значении давления можно было судить по углу закручивания нити.
9. Явление внешнего фотоэффекта.
Внешний фотоэффект - это явление вырывания электронов из вещества под действием падающего на него света.
10. Законы А.Г. Столетова для внешнего фотоэффекта.
Законы А.Г. Столетова для внешнего фотоэффекта:
- Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты света ν и не зависит от его интенсивности. Число фотоэлектронов, вырываемых светом из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности света.
- Кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а зависит от его частоты.
- Для каждого вещества существует так называемая красная граница фотоэффекта, то есть наименьшая частота νmin, при которой еще возможен внешний фотоэффект.
- Фотоэффект практически безынерционен, фототок возникает мгновенно после начала освещения катода при условии, что частота света ν > νmin.
9. Уравнение А. Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.
Энергия поглощенного кванта идет на работу выхода электрона из металла и на сообщение ему кинетической энергии.
hν - энергия кванта электромагнитного излучения
ν - частота электромагнитного излучения
Авых - работа выхода для данного вещества
- кинетическая энергия фотоэлектрона