Лебедев В.И. Оптика - файл n1.doc

Лебедев В.И. Оптика
скачать (4714.4 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc5272kb.14.06.2005 09:56скачать

n1.doc

  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12
В.И. Лебедев.
ОПТИКА

(конспект лекций для студентов 2 курса специальности ФиМ. МГУ им. А.А. Кулешова. Могилев, 2005)
Программа лекционного курса

1. Ведение. История оптики. Шкала электромагнитных волн. Свойства и параметры плоской электромагнитной волны в вакууме. Монохроматические колебания и волны.

2. Волновое уравнение. Принцип суперпозиции волн. Принцип спектрального разложения светового поля. Спектры испускания и поглощения излучения веществом.

3. Поляризация световой волны. Состояния поляризации плоской гармонической волны: эллиптическая, круговая, линейная. Методы измерения поляризации света. Поляризация при двулучепреломлении света. Фазовые пластинки. Дихроизм поглощения света. Пленочные поляризаторы. Поляризационные призмы. Фотоупругий эффект. Эффекты Керра, Поккельса. Электрооптический затвор. Оптическая активность. Эффект Фарадея. Оптический вентиль.

4. Элементы фотометрии. Основные фотометрические единицы: поток энергии, интенсивность, освещенность, сила света, светимость, яркость, спектральная плотность излучения. Энергия, импульс, момент импульса, переносимые световой волной. Световое давление. Эффект Садовского. Фотон.

5. Скорость света. Фазовая и групповая скорость. Астрономические наблюдения. Измерения скорости света. Лазерный эталон времени и длины. Эффект Доплера: продольный, поперечный, двойной.

6. Интерференция света.

Сложение гармонических колебаний. Интерференция волн. Классические эксперименты по наблюдению интерференции в оптике. Кольца Ньютона. Интерференция в тонких пленках. Опыт Юнга. Интерферометр Майкельсона. Временная когерентность света. Время и длина когерентности. Пространственная когерентность. Измерения когерентности. Принцип Фурье-спектроскопии. Звездный интерферометр Майкельсона. Многолучевая интерференция в плоскопараллельной пластинке. Интерферометр Фабри-Перо. Просветление оптики. Многослойные диэлектрические зеркала и светофильтры.

7. Дифракция света

Принцип Гюйгенса-Френеля. Зоны Френеля. Дифракция Френеля на одномерных структурах. Камера-обскура. Дифракция Фраунгофера на щели и отверстии. Дифракция на периодических структурах. Спектральная решетка. Фазовая решетка. Разрешающая способность дифракционной решетки. Спектральные приборы: спектрограф, монохроматор, спектрофотометр. Дифракция рентгеновских лучей в кристаллах. Зонная пластинка Френеля.

8. Отражение и преломление света на границе раздела. Полное внутреннее отражение. Формулы Френеля. Изменение фазы волны при отражении и преломлении. Закон Брюстера. Принципы эллипсометрии. Волоконные световоды.

9. Основные понятия геометрической оптики: светящаяся точка, луч, гомоцентрический пучок лучей. Основные законы геометрической оптики: закон прямолинейного распространения света; закон независимости световых лучей (принцип суперпозиции); закон отражения света; закон преломления света; принцип Ферма. Правила знаков при расчете оптической системы.

10. Основные положения теории оптических приборов. Плоские зеркала. Призмы. Спектральные призмы. Преломление света на сферической границе раздела двух сред. Тонкие линзы. Формула линзы. Построение изображения, создаваемого линзами. Построение изображения, создаваемого сферическим зеркалом. Угловое, линейное, продольное увеличение оптической системы. Инвариант Лагранжа-Гельмгольца. Освещенность изображения. Сложение тонких линз в оптическую систему. Аберрации оптических систем. Принципы расчета оптических систем.

11. Оптические приборы. Оптическое стекло. Методы шлифовки и полировки стекла. Глаз человека, как оптическая система. Аметропия глаза. Телескопы. Лупа. Микроскоп. Фотоаппарат. Проекционные аппараты. Дифракционная природа оптического изображения. Современные телескопы. Современная микроскопия. Принципы электронных методов регистрации и обработки изображения с помощью матриц фотоприемников. Цветная телевизионная камера.

12. Дисперсия, поглощение и рассеяние света. Нормальная и аномальная дисперсия света. Классическая теория дисперсии света в поглощающей среде. Закон Бугера. Коэффициент поглощения света. Цвета тел. Принципы колориметрии. Радуга. Рассеяние света. Закон Релея. Цвет неба и зорь.

13. Люминесценция. Спектры излучения нагретых тел. Законы излучения черного тела. Основные законы классической люминесценции. Эффект Черенкова.
РЕКОМЕНУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

  1. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.4.Оптика. М.: Наука. 1980 г. 752 с.

  2. Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Наука, 1976, 928 с.

  3. Иродов И.Е. Волновые процессы. Основные законы. М.: 1999 – 256 с.

Дополнительная литература

  1. Гершензон Е.М., Малов Н.Н., Эткин В.С. Курс общей физики. Оптика и атомная физика. М.: Просвещение. 1982.

  2. Калитеевский Н.И. Волновая оптика. Учебн. пособие для университетов. Изд.2. М., «Высшая школа», 1978, 383 с.

  3. Ахманов С.А., Никитин С.Ю. Физическая оптика. М.:1998. – 656 с.

  4. Берклеевский курс физики. т.3. Ф. Крауфорд. Волны. М., Изд. Наука, 1976, 528 с.

  5. Н.П. Гвоздева, К.И. Коркина. Прикладная оптика и оптические измерения. М., Машиностроение, 1976, 383 с.

  6. Р. Дитчберн. Физическая оптика. М.: «Наука»,1965 г. 632 с.

Лекция 1. Введение



Оптика - древнейшая из наук. Законы отражения и преломления света были известны еще в древней Греции и Египте. Об исключительной роли, которую придавали свету в мироздании в древности, свидетельствует запись в Ветхом Завете. В первой книге "Бытие" так говорится о сотворении мира: "... И сказал Бог: да будет свет. И стал свет. И увидел Бог, что он хорош и отделил Бог свет от тьмы... И был ... день один".

Удивительно, но и современные представления об образовании нашего мира согласуются с этой древней легендой. В соответствии с общепринятой концепцией, предложенной русским физиком Г. А. Гамовым, Вселенная образовалась в результате "Большого Взрыва". В первые моменты существования Вселенной ее температура была бесконечно большой. В этих условиях могло существовать только излучение, то есть свет. После остывания Вселенной из излучения образовались весомые материальные частицы и античастицы, существовавшие в виде непрозрачной плазмы. Затем антивещество аннигилировало, а свет "отделился" от весомой материи, так как остывшая и расширяющаяся Вселенная, состоящая уже из нейтральных атомов, стала прозрачной для света. Этот свет, идущий от самых удаленных от нас областей Вселенной, находящихся на расстоянии ~13,7 миллиардов световых лет, регистрируется как реликтовое излучение.

В узком понимании свет - это электромагнитное излучение, воспринимаемое глазом. В физике светом называют видимое, ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, а иногда - электромагнитное излучение с любой длиной волны. Оптика – раздел физики, наука, изучающая свет и его взаимодействие с веществом.

Несмотря на свою древность, последние десятилетия оптика развивается быстрее других разделов физики. Свидетельство этому - появление в оптике новых научных направлений: физики лазеров, нелинейной оптики, физики волоконных световодов, оптической электроники (оптических методов передачи и хранения информации), современных методов обработки изображения. Причем дело здесь не только в важных технических приложениях оптики, которые для фундаментальной науки играют второстепенную роль.

Именно в оптике экспериментально исследуют принципиальные и дискуссионные вопросы физики. Здесь удалось подойти к наблюдению объектов Вселенной, удаленных на миллиарды световых лет и к исследованиям, затрагивающим самые основы физики: к процессам взаимодействия единичных атомов со светом, к созданию нелинейных моделей таких взаимодействий, к новому классу явлений - когерентным взаимодействиям света с веществом.


Рис. 1. Открытие спектрального разложения света И. Ньютоном – крупнейшее событие в оптике.

Рис.2. Спектр солнечного света. Глаз уверенно различает 6 цветов. Но «для круглого счета» посчитали, что таких цветов 7, так как 7 в ньютоновские времена считали более совершенным числом.



Рис.2 Электромагнитные волны, существующие в природе. Е – энергия кванта (Дж), V – энергия кванта света, измеренная в электрон-вольтах. Черта над показателями степени, указанными в правой части таблицы, означает знак минус перед знаком. Ангстрём – внесистемная единица, используемая в спектроскопии для измерения длин волн, 1 Е = 10-10 м. - частота электромагнитных колебаний,  = 1/ - волновое число. Длины волн света в современной оптике принято измерять в микрометрах или нанометрах.
Установление основных представлений оптики в нынешнем веке проходило долго и мучительно. В ходе этого становления многим физикам, внесшим решающий вклад в развитие оптики, приходилось неоднократно изменять свое мнение о природе света и фундаментальных процессах его поглощения и испускания.

Как верно заметил академик Л.И. Мандельштам истинное понимание (которым должен обладать каждый физик) заключается в умении разобраться в парадоксах, неизбежно возникающих при развитии физики [1].

В теории Планка предполагалось, что атом обменивается энергией с электромагнитным полем не непрерывно, а лишь порциями, квантами, величины которых пропорциональны частоте света. В 1905 г. Эйнштейн на основании теории Планка предположил, что планковские кванты существуют в виде реальных частиц, названных им световыми квантами или фотонами [2]. Таким образом ему удалось объяснить фотоэффект и фотохимические эффекты. В явлениях такого рода энергия, передаваемая светом отдельной частице, пропорциональна не интенсивности, а частоте излучения. При этом наглядно свет можно представить как мелкий град, или поток быстро летящих мелких шариков.

Гипотеза световых квантов была воспринята в то время ведущими физиками как ересь. Фотон был признан только после длительной и ожесточенной борьбы. Решающим аргументом в пользу его признания было открытие эффекта Комптона. Авторы фундаментальной монографии "Основы оптики" Борн и Вольф отмечают удивительно парадоксальный, почти иррациональный смысл уравнения Планка  = h и в своем изложении его избегают [3]. Сам Эйнштейн ясно понимал неудовлетворительность и временный характер гипотезы световых квантов. В конце жизни в 1951 г. он писал: "После 50 лет раздумий я так и не смог приблизиться к ответу на вопрос, что же такое световой квант, хотя ныне каждый школьник считает, что он это понимает" [4].

И в современных учебниках природу света обычно объясняют с помощью туманных рассуждений о корпускулярно-волновом дуализмом, а изложение строится так, что у читателя складывается впечатление о фотоне, как о реально существующей элементарной частице. "Свет обладает одновременно как волновыми, так и корпускулярными свойствами" - пишется, например [5]; "Свет имеет прерывистую структуру" [6]. Подобные устаревшие представления до сих пор встречаются в целом ряде других изданий. Парадоксальность введения понятия «фотон», заключается в том, что в природе никакого дуализма нет: в пространстве реально существуют только световые волны - электромагнитные колебания.

Неприятность, связанная с фотоном заключается в том, что он должен обладать свойствами, которыми принципиально не может обладать никакая реально существующая частица. Поэтому говорить о нем, как о реальном объекте природы неверно [7]. Фотон - лишь физическая модель, применение которой чрезвычайно облегчает рассмотрение процессов обмена энергией, импульсом и моментом импульса между светом и веществом.

Фотон есть бесконечная, плоская монохроматическая волна с круговой поляризацией (правой или левой). В то же время при рассмотрении поглощения и испускания фотона в квантовой механике предполагается мгновенность этого процесса.

В соответствии с классическими представлениями бесконечная волна не может поглощаться или испускаться, т. к. она вечна, а интегрирование по всему пространству дает бесконечно большую энергию фотона. Атом, размеры которого на несколько порядков меньше длины световой волны, принципиально не может излучить плоскую, не расходящуюся волну. Таким образом, фотон - это математическая абстракция, идеальная физическая модель, такая же, как материальная точка в механике.

Аналогичные парадоксы существуют при описании волновых свойств материальных частиц: приходится одновременно считать их точечными объектами, масса которых сосредоточена в бесконечно малом пространстве, и в то же время бесконечными плоскими волнами - волнами деБройля.

В Берклеевском курсе физики [5] делается попытка обойти указанную трудность, в нем фотон - волновой пакет, "почти монохроматическое излучение". Такое представление не удовлетворительно и приводит к новым проблемам: элементарный волновой пакет должен обладать не только несущей частотой , но и рядом других параметров, например, конечной длительностью и спектральной шириной, зависимостью амплитуды колебаний от времени и рядом других. Опыты прямо противоречат такому представлению: интерференционная картина, получаемая от предельно ослабленных световых потоков, в которых кванты света (если бы они существовали) должны поглощаться по одному, не обнаруживает какого-либо спектрального уширения по сравнению с более интенсивным монохроматическим световым потоком. Свет даже самой малой интенсивности может быть разложен с помощью спектрального прибора на монохроматические волны.

В учебники по физике иногда включают еще одно неверное утверждение о том, что квантовые свойства электромагнитного излучения ярче проявляются при уменьшении длины волны [4]. Это заблуждение вероятно связано с тем, что гамма-кванты экспериментально зарегистрировать гораздо проще с помощью счетчика Гейгера, чем единичные кванты света. На самом деле принципиальной разницы в электромагнитном излучении атомного ядра или его электронной оболочки, то есть гамма-излучения и видимого света не существует. Наблюдение эффекта Мессбауэра (узкополосного гамма- излучения, происходящего без обмена импульсом с отдельными атомами кристаллической решетки) и многие опыты с мессбауэровским излучением - пример процессов, в которых проявляются именно волновые свойства гамма-излучения. А опыты по регистрации сильно ослабленного видимого света с помощью счетчиков фотонов однозначно свидетельствуют о прерывистом, статистическом характере поглощения света атомами фотоприемника.

В конечном итоге в теоретической физике при описании взаимодействия света и вещества пришлось отказаться от применения в качестве расчетных моделей реальных объектов. Как известно, такое описание в настоящее время строится на моделях, не существующих в природе: волнах вероятности (волновой функции) и наборе "квазичастиц": фотонов, фононов, экситонов, электронов, дырок и т.д.

Эта ситуация, привычная для физиков-теоретиков, очень не нравиться некоторым философам и служит поводом для обвинений в физическом идеализме.

Современная квантовая электродинамика, позволяет с высокой точностью рассчитывать процессы взаимодействия света и электронов. В ней монохроматическую световую волну, считают эквивалентной квантовому осциллятору. Такой осциллятор обладает бесконечным набором дискретных уровней энергии, разделенных величиной h, и «нулевой энергией» - h/2 . При взаимодействии волны с атомом электромагнитное поле переходит из одного состояния в другое, при этом его энергия изменяется на h. Слова поглощение и испускание фотона означают, таким образом, изменение энергии волны на эту величину. Фотон не есть частица в обычном понимании этого слова, так как пространственно его невозможно выделить из всей волны в целом.

Для описания таких "частиц", как фотон в современной физике используют понятие "квазичастица" - буквально почти частица, или элементарное возбуждение. Конкретная квазичастица (фотон, фонон, экситон и т.д.) - идеальная физическая модель, позволяющая правильно рассчитывать результаты некоторого узкого класса экспериментов.

С точки зрения квантовой теории поля фотон непрерывно взаимодействует с физическим вакуумом и поэтому должен рассматриваться как коллективное образование - система многих частиц.

Исследования сложных колебательных систем, описываемых так называемыми "странными аттракторами", последних десятилетий позволили установить причины еще одного непонятного ранее свойства излучающих и поглощающих электромагнитное излучение систем - отсутствие детерминизма, его вероятностный характер. Как известно процессы радиоактивного распада ядер атомов с излучением гамма-квантов, а также оптические спонтанные и вынужденные переходы электронов в атомах - происходят с определенной вероятностью. Невозможно точно определить, например, распадется ли данный атом радиоактивного изотопа К40 в данный момент или через миллиард лет, хотя такой распад неизбежно произойдет.

Световые волны переносит энергию, импульс и момент импульса. Их взаимодействие с атомной системой, обладающей большим числом степеней свободы, - сложный динамический процесс. Такие процессы характеризуются понятием «динамический хаос». В процессах с динамическим хаосом даже точное задание начальных условий не позволяет рассчитать момент того или иного события в системе, например, перехода атома в возбужденное состояние или обратного перехода. Такой процесс становится принципиально нерегулярным, хаотичным во времени. После включения светового возбуждения процесс возбуждения атома будет происходить, но с определенной вероятностью. Динамический хаос – истинная причина статистического характера процессов поглощения и испускания света.

Хотя причина универсального характера постоянной Планка в физике так и осталась не понятой, введение представления о фотоне стало большим достижением физики. Используя это понятие даже школьник может рассчитывать многие сложные оптические процессы взаимодействия света и вещества, пользуясь фактически простой механической моделью сталкивающихся шариков и набором простых формул:  = h; p = h/c; m = h/c2; L = .

Модель световых квантов применима далеко не всегда. При рассмотрении процессов распространения света в волноводах и световодах, излучения антенн и во многих других задачах применяют волновую теорию. Причем, если задача решается с помощью уравнений Максвелла, физики уверены, что никакой экспериментальной проверки решения не требуется - оно будет точным. Эффект Мессбауэра - пример процесса, в котором неприменимы простые представления о взаимодействии гамма-кванта и атомного ядра.

Классические геометрическая и физическая оптика (излагаемая в учебниках) превратились сегодня по большей части в разделы прикладной науки. Здесь разрабатывают в основном новые оптические технологии и оптические методы измерений и контроля самых разных технологических процессов. Таким образом, большинство физиков, работающих над проблемами оптики, не очень волнует вопрос о природе света. Они разрабатывают важнейшие технологии нового столетия.

Важнейшие открытия, изменившие облик оптики:

Прогресс в оптике связан именно с экспериментальными методами исследований, давшими в руки исследователей совершенно новые, недостижимые ранее возможности.
Дополнительная литература к введению


  1. Мандельштам Л. И. Лекции по оптике, теории относительности и квантовой механике. М. 1972. 437 с.

  2. Einstein, Ann. d. Physik. 1905, 17, 132, 1906, 20, 199.

  3. Борн М, Вольф Э. Основы оптики. М., 1970. 856 с.

  4. Пайс А. Научная деятельность и жизнь А. Эйнштейна. М. 1989.567 с.

  5. Мякишев Г.Я, Буховцев Б.Б.. Физика 11. М. 1991. С.164, 166.

  6. Шахмаев Н.М. и др. Физика 11. М. 1991. С. 172;

  7. Рымкевич Б. А. Курс физики. М. 1968. С. 361.

  8. Вихман Э. Берклеевский курс физики, т.4. Квантовая физика. М. 1977, с. 146.

  9. Кресин В.З., Тавгер Б. А. Фотон в современной физике. Природа, 1971, N 11, с.64.



  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации