Учебно-методический комплекс по дисциплине Физика Часть III оптика. Атомная и ядерная физика Москва 2007г



Скачать 153.94 Kb.
Дата05.01.2013
Размер153.94 Kb.
ТипУчебно-методический комплекс




Кафедра Физики
Учебно-методический комплекс по дисциплине
Физика


Часть III
Оптика. Атомная и ядерная физика

Москва 2007г.

ЧАСТЬ  III.  Оптика. Атомная и ядерная физика
1. Цель обучения

Научить фундаментальным концепциям и законам классической и современной квантовой оптики, атомной и ядерной физики. Обучить грамотному и обоснованному применению накопленных в процессе развития фундаментальной физики экспериментальных и теоретических методик при решении прикладных практических и системных проблем, связанных с профессиональной деятельностью . Выработать элементы концептуального ,проблемного и творческого подхода к решению задач инженерного и исследовательского характера.



Содержание лекционного курса «Оптика. Атомная и ядерная физика»

(34 часа)
Раздел 1. Интерференция / 4а , 4 б /

(4 часа)
1.1. Интерференция сферических волн.

          Оптический диапазон шкалы электромагнитных волн. Явление интерференции. Классическая теория когерентности. Принцип суперпозиции для волн. Интерференция плоских и сферических волн. Видность  интерференционной картины. Закон сохранения энергии в явлениях интерференции. Способы получения когерентных волн. Бипризма и бизеркало Френеля.  Одномерная решетка из когерентных источников сферических  или цилиндрических волн.
1.2. Интерференция волновых цугов. Интерференция на плоскопараллельных пластинках.

            Интерференция квазимонохроматических  волн. Влияние источника на интерференцию волн. Пространственная и временная когерентности. Интерференция на плоскопараллельных пластинках. Цвета тонких пленок. Кольца Ньютона. Полосы равной толщины и равного наклона. Эталон Фабри - Перо. Интерферометры как спектральные измерительные приборы.
Раздел 2. Дифракция/ 4 а  , 4 б /

(6 часов)
2.1. Дифракция Френеля.

            Явление дифракции как фундаментальное свойство волновых процессов. Принцип Гюйгенса-Френеля. Дифракция Френеля. Графическое вычисление амплитуды. Метод зон Френеля. Дифракция на круглом отверстии и поглощающем диске. Зонная пластинка.  Дифракция на крае полуплоскости. Число Френеля.  Приближение коротких  длин волн. Геометрическая оптика.
2.2. Дифракция Фраунгофера.

            Дифракция Фраунгофера. Дифракция Фраунгофера на одной и двух узких щелях.

Дифракционная картина вблизи фокуса линзы. Дифракционная решетка. Спектральное разложение. Характеристики решетки как спектрального прибора: дисперсия, разрешающая сила, дисперсионная область. Закон сохранения энергии в явлениях дифракции.
2.3. Дифракция на плоских и пространственных решетках.
            Дифракционная решетка с синусоидальной пропускаемостью. Оптическая фильтрация  пространственных частот. Принцип голографии. Дифракция Фраунгофера на плоских  и пространственных решетках. Условия Брэгга-Вульфа. Уравнения Лауэ. Спектрография  рентгеновских лучей.
Раздел 3. Оптические свойства веществ/ 4 а , 4 б  /

(8часов)
3.1. Классическая теория дисперсии. Рассеяние света.

            Модель среды с дисперсией. Классическая теория. Комплексный показатель преломления. Нормальная и аномальная  дисперсии. Волновой пакет. Групповая скорость.  Поглощение волн. Закон Бугера. Рассеяние света. Прохождение света через оптически неоднородную среду. Рэлеевское рассеяние. Рассеяние Ми. Рассеяние Мандельштама - Бриллюэна.
3.2. Электромагнитные волны на границе раздела сред. Виды поляризации света.

Поведение волн на границе раздела двух сред. Граничные условия. Закон Снеллиуса. Полное внутреннее отражение.   Формулы Френеля. Угол Брюстера.

Естественный и поляризованный свет. Линейная, эллиптическая и круговая виды поляризации. Частично поляризованный свет. Поляризаторы. Закон Малюса.
3.3. Оптические свойства  анизотропных сред. Двойное лучепреломление.

            Оптические свойства  анизотропной среды. Тензор диэлектрической проницаемости.  Структура плоской монохроматической волны  в анизотропной среде. 

Зависимость фазовой скорости от направлений распространения волны и колебаний  вектора поляризации. Уравнение Френеля. Обыкновенный и необыкновенный лучи. Двойное лучепреломление. Построение Гюйгенса. Поляризационные приспособления. Обнаружение и анализ  эллиптически и циркулярно - поляризованного света.
3.4. Интерференция поляризованных волн. Искусственная анизотропия.

Интерференция поляризованных волн. Искусственная анизотропия, возникающая при деформациях. Явление Керра. Явление Коттон - Мутона. Вращение плоскости поляризации в  оптически активных средах. Явление Фарадея. Эффект Зеемана. Элементарная теория нормального эффекта Зеемана. Обратный эффект Зеемана и его связь с явлением Фарадея. Эффект Штарка.
Раздел 4. . Квантовые свойства света/ 5 а , 4 б, 5 б  /

(2часа)
4.1. Корпускулярно-волновая двойственность свойств света.

Противоречия классической физики. Тепловое излучение. Основные  законы теплового излучения. Законы Кирхгофа, Стефана-Больцмана, Вина.  Формула Рэлея-Джинса. Ультрафиолетовая катастрофа. Теория Планка. Элементарная  квантовая теория Эйнштейна теплового излучения.

            Спонтанное и  индуцированное излучение. Корпускулярно-волновая двойственность свойств света. Энергия и импульс световых квантов. Давление света. Физические принципы работы оптических квантовых генераторов. Формула Эйнштейна для фотоэлектрического эффекта. Эффект Комптона. Аннигиляция электронно-позитронной пары.
Раздел 5.  Элементы квантовой механики и

физики атомов, молекул, твердых тел /5 а, 5 б/

(10 часов)
5.1. Атом Резерфорда – Бора и гипотеза де Бройля.

            Опыты Резерфорда и ядерная модель атома. Постулаты Бора. Экспериментальное подтверждение постулатов Бора. Теория Бора для водородоподобных систем и её принципиальные недостатки. Гипотеза де Бройля и её экспериментальные подтверждения.
5.2. Элементы квантовой механики.

            Корпускулярно-волновая двойственность свойств частиц вещества. Соотношение неопределённостей. Уравнение Шредингера. Волновая функция и её статистический смысл. Квантование энергии и момента импульса. Принцип суперпозиции. Прохождение частицы через потенциальный барьер. Гармонический осциллятор.
5.3. Элементы квантовой физики атомов и молекул.

            Водородоподобные системы. Мультиплетность спектров и спин электрона. Результирующий механический и магнитный моменты многоэлектронного атома. Принцип Паули. Периодическая система элементов Д.И. Менделеева. Рентгеновские и молекулярные спектры.

5.4. Элементы квантовой статистики и зонной теории твердого тела.

            Понятие о квантовых статистиках  Ферми–Дирака и Бозе-Эйнштейна. Вырождение системы частиц. Энергетические зоны в кристаллах. Металлы, диэлектрики и полупроводники. Вырожденный электронный газ в металлах. Уровень Ферми. Фононы. Понятие о квантовой теории теплоемкости.
5.5. Электроны в кристаллах.

         Электропроводность металлов и полупроводников. Собственная и примесная проводимость полупроводников. Контакт электронного и дырочного полупроводников. Сверхпроводимость. Эффект Джозефсона. Высокотемпературные сверхпроводники и их применение в науке и технике.
Раздел 6.  Физика атомного  ядра и элементарных частиц  /4 а, 6 б/

(4 часа)
6.1. Атомное ядро.

            Основные свойства и строение ядра. Масса и энергия связи ядер. Ядерные силы. Радиоактивность. Ядерные реакции. Деление ядер. Проблема источников энергии и ядерная энергетика. Термоядерный синтез. Проблема управляемых термоядерных реакций.
6.2. Элементарные частицы и современная физическая картина мира.

Элементарные частицы: классификация и общие свойства. Частицы и античастицы. Физический вакуум. Лептоны. Адроны. Взаимопревращения элементарных частиц. Кварки. Фундаментальные взаимодействия. Великое объединение. Иерархия структур материи. Незавершенность физики и будущее естествознания.


Раздел 1. Интерференция / 4а , 4 б /

(4 часа)
Лекция 1. Интерференция



  • Оптический диапазон электромагнитных волн

  • Интерференция плоских и сферических волн

  • Классическая теория когерентности

  • Способы получения когерентных волн

  • Бипризма и бизеркало Френеля

  • Одномерная решетка из когерентных источников


  • Оптический диапазон электромагнитных волн

Шкала электромагнитных волн.

Оптический диапазон


Диапазон волн



Граница диапазона

По длине волны λ

По частоте ν

По энергии Е квантов

Гамма-кванты

< 10-3 нм

> 31020 Гц

> 1 МэВ

Рентгеновское излучение

0.001-10 нм

31016 - 31020 Гц

120эВ-1МэВ

Ультрафиолетовое излучение

10 - 400 нм

7,51014 - 31016 Гц

3,2-124 эВ

Видимый свет

400 - 760 нм

3,91014 - 7,51014 Гц

1,6-3,2 эВ

Инфракрасное излучение

760 нм – 2 мм

1,51014 – 3,91014 Гц

0,62-1,6 эВ

Радиоволны

> 2 мм

< 1,51014 Гц

< 0,62 эВ



,где Т-период колебаний волны, а v - частота.

ω - круговая частота.


С – скорость света в вакууме – С=3×108м/с.



Энергия кванта излучения Е=h×v=ħ×ω, где h=6,62×10-34Дж×с,

.

Видимый диапазон:



Видимый диапазон и примыкающие к нему диапазоны инфракрасного и ультрафиолетового излучений составляют предмет изучения оптики.

Энергия квантов

излучения (фотонов) видимого диапазона.

  • Интерференция плоских и сферических волн





Уравнение сферической монохроматической волны:

(1.1)

y1=y2=0.




- геометрическая разность хода.

где λ0 – длина волны в вакууме, n – показатель преломления среды.

r = n(r2 - r1) – оптическая разность хода.

(1.7)






(СГC)



τ – промежуток времени, длительный по сравнению со временем нерегулярных изменений фазы φ.

  • Классическая теория когерентности


Классическая когерентность:

1)ω12

2)φ1 - φ2=const
(1.13)

если φ=const / 0, если φ – беспорядочно изменяется (1.14)

I=I1+I2+2 - когерентные волны (1.15)

I=I1+I2 - некогерентные волны (1.16)


Важно!



I=Imax , при φ=2πN, N, (1.19)

Imax= I1+I2+2= ( . (1.20)
I=Imin , при φ=π + 2πN, N, (1.21)

Imin= I1+I2 - 2= ( , (1.22)

Imin≤I(φ)≤ Imax . (1.23)
Интерференция – перераспределение волновой энергии в пространстве в соответствии с фазовыми соотношениями.





Видность (контрастность):





  • Способы получения когерентных волн


Основная задача двухлучевой интерференции.


Тепловые источники некогерентны друг другу. Для получения когерентных световых волн, волну, излучаемую одним источником света, разделяют на две, и затем полученные волны сводят вместе в некоторой области пространства, называемой областью перекрытия. Для того, что бы возникла устойчивая интерференционная картина, разность хода ∆ этих волн до области перекрытия не должна превышать некоторой характерной длины, называемой длиной когерентности (более подробно этот вопрос рассматривается в лекции 2).

Образовавшиеся после разделения волны в стандартных двухлучевых интерференционных установках можно рассматривать как исходящие из двух точечных когерентных источников и . Как правило, по крайней мере, один из источников мнимый. Возможна ситуация, когда источники удалены на бесконечность – интерференция плоских волн.

Схема основной задачи двухлучевой интерференции изображена на рис. 1.5.



,

(1.28 )












,

(1.29 )







.

(1.30 )




.

(1.31 )

Координаты максимумов:







.

(1.32 )




,

(1.33 )

где - угол зрения, под которым видны оба источника из центра экрана, .

Если , то






(1.34 )







где





Окончательно

.

(1.35 )

Опыт Юнга



.

Первым интерференционным опытом, получившим объяснение на основе волновой теории света, явился опыт Юнга (1802 г.). Источником света является освещенная щель S, от которой световая волна падает на две узкие щели S1 и S2, освещаемые различными участками одного и того же волнового фронта (Рис.1.5). Проходя через каждую из щелей, световой пучок уширялся вследствие дифракции, поэтому на белом экране Р световые пучки, прошедшие через щели S1 и S2, перекрывались. В области перекрытия световых пучков наблюдалась интерференционная картина в виде чередующихся светлых и темных полос.

Юнг был первым, кто понял, что нельзя наблюдать интерференцию при сложении волн от двух независимых источников. Поэтому в его опыте щели S1 и S2, которые в соответствии с принципом Гюйгенса можно рассматривать как источники вторичных волн, освещались светом одного источника S. Юнг первый наблюдал осуществленное таким способом явление интерференции и первый в математически корректной форме установил принцип суперпозиции амплитуд как суть явления интерференции. При симметричном расположении щелей вторичные волны, испускаемые источниками S1 и S2, находятся в фазе, но эти волны проходят до точки наблюдения P разные расстояния r1 и r2, следовательно, фазы колебаний, пришедших от источников S1 и S2 в точку P, вообще говоря, различны. Таким образом, задача об интерференции волн сводится к задаче о сложении колебаний одной и той же частоты, но с разными фазами. Утверждение о том, что волны от источников S1 и S2 распространяются независимо друг от друга, а в точке наблюдения они просто складываются, является опытным фактом, и получило определение как принцип суперпозиции.

Интересно, однако, что сходный, по сути, опыт был выполнен еще в 1665 г. Гримальди, в котором отсутствовала щель S, и в качестве источника света использовались прямые солнечные лучи. Расчет показывает, что в виду значительных угловых размеров ( 0,01 рад ) Солнца при расстоянии между щелями S1 и S2 превышающем 0,05 мм интерференционная картина не возникает в виду нарушения условия пространственной когерентности: При характерной длине волны света и получаем результат . Весьма сомнительно, чтобы Гримальди смог реализовать на практике столь незначительное расстояние между щелями.

Остроумие установки Юнга заключается именно в том, что, внеся, казалось бы, лишний элемент – дополнительный экран с отверстием S , он сумел уменьшить угловые размеры источника света. При апертурных размерах отверстия S равных 0,1мм на расстоянии в 1 м между дополнительным экраном S и экраном с двумя щелями и получаем угловые размеры источника света, то есть отверстия S, равные .При этих условиях расстояние между щелями в 2 мм является допустимым для получения интерференционной картины.

В современных демонстрационных установках опыта Юнга в качестве источника света используют луч лазера, при этом дополнительный экран с отверстием S оказывается излишним, экран с двумя отверстиями и облучают непосредственно лучом лазера в виду его высокой пространственной когерентности. Таким образом, опыт Гримальди через три столетия состоялся, но на совершенно другом технологическом уровне. Облучение отверстий лучом лазера дает громадный выигрыш в освещенности, что позволяет использовать опыт в демонстрационных учебных установках.



  • Бипризма и бизеркало Френеля



1.Для разделения световой волны используют двойную призму (бипризму) с малым преломляющим углом . Источником света является ярко освещенная щель S, параллельная преломляющему ребру бипризмы. В силу малости преломляющего угла бипризмы (несколько угловых минут ) все лучи отклоняются на один и тот же угол независимо от угла падения, при этом отклонение происходит в сторону основания каждой из призм, составляющих бипризму. В результате образуются две когерентные волны, виртуально исходящих из мнимых источников и, лежащих в одной плоскости с реальным источникомСмещение изображений источника Тогда расстояние между мнимыми источниками Ширина интерференционной полосы Область перекрытия когерентных пучков, исходящих из двух мнимых копий источника S, равна Теперь нетрудно вычислить количество интерференционных полос,которое наблюдается в установке:







2.В установке бизеркала Френеля две когерентные волны получают при отражении от двух зеркал, плоскости которых образуют двугранный угол ,где - очень малый угол. Источник – узкая освещенная щель , параллельная грани двугранного угла. Отраженные от зеркал пучки падают на экран Э, и в области перекрытия PQ возникает интерференционная картина в виде полос, параллельных щели . Как и в любой системе плоских зеркал, все три источника (реальный и два мнимых) находятся на одинаковом расстоянии от ребра двугранного угла, то есть на окружности с центром в ребре. При повороте зеркала на угол световой луч смещается на , поэтому Используя малость угла ,получим расстояние между мнимыми источниками и ширину интерференционной полосы где Хотя при отражении от зеркала происходит фазовый сдвиг дополнительной разности фаз не возникает, так как сдвигаются фазы обоих пучков.



  • Одномерная решетка из когерентных источников

  • Расчет многолучевой интерференции






Геометрическая прогрессия:









сдвиг фазы и амплитуда результирующего колебания.



Пример:


Согласно (1.41):

т.е. результирующая волна распространяется в одном направлении.

Похожие:

Учебно-методический комплекс по дисциплине Физика Часть III оптика. Атомная и ядерная физика Москва 2007г iconОптика. Атомная физика
В 25 Физика: Учеб пособие. Часть III. Оптика. Атомная физика. / Под общ ред. А. И. Цаплина; Перм гос техн ун-т. – Пермь, 2006. –...
Учебно-методический комплекс по дисциплине Физика Часть III оптика. Атомная и ядерная физика Москва 2007г iconУчебно-методический комплекс по дисциплине Физика Часть I механика. Молекулярная физика и термодинамика Москва 2007г
Предмет классической механики. Границы ее применимости. Механическое движение. Принцип относительности движения. Феноменологический...
Учебно-методический комплекс по дисциплине Физика Часть III оптика. Атомная и ядерная физика Москва 2007г iconУчебно-методический комплекс по дисциплине Физика Конденсированного Состояния Для специальности 010701 Физика
Требования государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования (Специальность 010701 – физика) к обязательному...
Учебно-методический комплекс по дисциплине Физика Часть III оптика. Атомная и ядерная физика Москва 2007г iconУчебно-методический комплекс по дисциплине Физика Часть I. Механика. Молекулярная физика и термодинамика Задачи для практических занятий
Точка двигалась в течение =15с со скоростью =5 м/с, в течение =10 с со скоростью =8 м/с и в течение =6 с со скоростью =20 м/с. Определить...
Учебно-методический комплекс по дисциплине Физика Часть III оптика. Атомная и ядерная физика Москва 2007г iconУчебно-методический комплекс по дисциплине информатика (название дисциплины в соответствии с учебным планом) Для специальности 010701 «Физика», направления 050400 «Физика»
Требования государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования (Специальность 010701 – физика) к обязательному...
Учебно-методический комплекс по дисциплине Физика Часть III оптика. Атомная и ядерная физика Москва 2007г iconСодержание программы. Введение
Составление алгоритма решения задач по разделам: кинематика, динамика, молекулярная физика, газовые законы, электрический ток, магнетизм,...
Учебно-методический комплекс по дисциплине Физика Часть III оптика. Атомная и ядерная физика Москва 2007г iconЧерез кого
Физика (в т ч оптика, акустика, ядерная физика, математическая физика), механика (техническая механика), астрономия, химия и химическая...
Учебно-методический комплекс по дисциплине Физика Часть III оптика. Атомная и ядерная физика Москва 2007г iconМетодические указания по выполнению и оформлению контрольной работы Примеры решения задач
Электричество и магнетизм, волновая и квантовая оптика, атомная и ядерная физика
Учебно-методический комплекс по дисциплине Физика Часть III оптика. Атомная и ядерная физика Москва 2007г iconВ. В. Самарин, Н. С. Балясникова, А. Л. Иванов, С. Н. Николаев
Применение информационных технологий в преподавании дисциплин "атомная и ядерная физика", "квантовая физика"
Учебно-методический комплекс по дисциплине Физика Часть III оптика. Атомная и ядерная физика Москва 2007г iconУчебно-методический комплекс по дисциплине Физика Часть II электричество и магнетизм Вопросы для внутрисеместрового контроля на лекциях
Лекция Предмет классической электродинамики. Электрическое поле. Напряженность электрического поля
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org