Способы наблюдения

Опыт Юнга

Прошедший через узкую длинную щель S свет, вследствие дифракции образует расходящийся пучок, который падает на второй экран B с двумя, параллельными между собой узкими щелямиS₁ и S₂, расположенными близко друг к другу на равных расстояниях от S. Эти щели действуют как вторичные синфазные источники, и исходящие от них волны, перекрываясь, создают интерференционную картину, наблюдаемую на удаленном экране C. Расстояние между соседними полосами равно:

.

Измеряя ширину интерференционных полос, Юнг в 1802 г. впервые определил длины световых волн для разных цветов, хотя эти измерения и не были точными.

Зеркала Френеля

Другой интерференционный опыт, аналогичный опыту Юнга, но в меньшей степени осложненный явлениями дифракции и более светосильный, был осуществлен О. Френелем в 1816 г. Две когерентные световые волны получаются в результате отражения от двух зеркал М иN, плоскости которых наклонены под небольшим углом φ друг к другу (рис. 8.4).

Источником служит узкая ярко освещенная щель S, параллельная ребру между зеркалами. Отраженные от зеркал пучки падают на экран, и в той области, где они перекрываются (поле интерференции), возникает интерференционная картина. От прямого попадания лучей от источника S экран защищен ширмой . Для расчета освещенности J экрана можно считать, что интерферирующие волны испускаются вторичными источниками и , представляющими собой мнимые изображения щели S в зеркалах. Поэтому J будет определяться формулой двулучевой интерференции, в которой расстояние l от источников до экрана следует заменить на , где - расстояние от S до ребра зеркал, b - расстояние от ребра до экрана (см. рис 8.4.). Расстояние d между вторичными источниками равно: . Поэтому ширина интерференционной полосы на экране равна:

.

Бипризма Френеля

В данном интерференционном опыте, также предложенном Френелем, для разделения исходной световой волны на две используют призму с углом при вершине, близким к 180°.

Источником света служит ярко освещенная узкая щель S, параллельная преломляющему ребру бипризмы.

Можно считать, что здесь образуются два близких мнимых изображения S₁ и S₂ источника S, так как каждая половина бипризмы отклоняет лучи на небольшой угол .

Билинза Бийе

Аналогичное бипризме Френеля устройство, в котором роль когерентных источников играют действительные изображения ярко освещенной щели, получается, если собирающую линзу разрезать по диаметру и половинки немного раздвинуть

Прорезь закрывается непрозрачным экраном А, а падающие на линзу лучи проходят через действительные изображения щели и и дальше перекрываются, образуя интерференционное поле.

Дифракцией света называется явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий. Как показывает опыт, свет при определенных условиях может заходить в область геометрической тени. Если на пути параллельного светового пучка расположено круглое препятствие (круглый диск, шарик или круглое отверстие в непрозрачном экране), то на экране, расположенном на достаточно большом расстоянии от препятствия, появляется дифракционная картина – система чередующихся светлых и темных колец. Если препятствие имеет линейный характер (щель, нить, край экрана), то на экране возникает система параллельных дифракционных полос.

Принцип Гюйгенса — Френеля является развитием принципа, который ввёл Христиан Гюйгенс в 1678 году: каждая точка поверхности, достигнутая световой волной, является вторичным источником световых волн. Огибающая вторичных волн становится фронтом волны в следующий момент времени. Принцип Гюйгенса объясняет распространение волн, согласующееся с законами геометрической оптики, но не может объяснить явлений дифракции. Огюстен Жан Френель в1815 году дополнил принцип Гюйгенса, введя представления о когерентности и интерференции элементарных волн, что позволило рассматривать на основе принципа Гюйгенса — Френеля и дифракционные явления.

Принцип Гюйгенса — Френеля формулируется следующим образом:

Каждый элемент волнового фронта можно рассматривать, как центр вторичного возмущения, порождающего вторичные сферические волны, а результирующее световое поле в каждой точке пространства будет определяться интерференцией этих волн.

Принцип Гюйгенса-Френеля следует рассматривать как рецепт приближенного решения дифракционных задач. В основе его лежит допущение о том, что каждый элемент поверхности волнового фронта можно рассматривать как источник вторичных волн, распространяющихся во всех направлениях. Эти волны когерентны, так как они возбуждены одной и той же первичной волной. Результирующее поле в точке наблюдения P может быть найдено как результат интерференции вторичных волн. В качестве поверхности вторичных источников может быть выбрана не только поверхность волнового фронта, но и любая другая замкнутая поверхность. При этом фазы и амплитуды вторичных волн определяются значениями фазы и амплитуды первичной волны.

Зонная пластинка — плоскопараллельная стеклянная пластинка с выгравированными концентрическими окружностями, радиус которых совпадает с радиусами зон Френеля. Зонная пластинка «выключает» чётные либо нечётные зоны Френеля, чем исключает взаимную интерференцию (погашение) от соседних зон, что приводит к увеличению освещённости точки наблюдения. Таким образом зонная пластинка действует как собирающая линза.

Также зонная пластинка представляет собой простейшую голограмму — голограмму точки.

Примером зонной пластинки может служить голограмма точечного источника; особенностью голограммы как зонной пластинки явл. то, что переход от тёмного поля к светлому осуществляется не скачком, а плавно, прибл. по синусоидальному закону.

Для оптич. излучения с длиной волны l З. п. действует как положительная линза, но хроматическая аберрация такой системы приблизительно в 20 раз больше, чем у линз из стекла типа «крон». Аналогичные устройства могут быть созданы и в диапазоне радиоволн, где благодаря значительно большим длинам волн реализация описанного принципа упрощается и оказывается возможным создание направленных излучателей типа зонных антенн.

Дифракция на круглом отверстии Сферическая волна, распространяющаяся из точечного источника S, встречает на своем пути экран с круглым отверстием. Дифракционную картину наблюдаем на экране Э в точке В, лежащей на линии, соединяющей S с центром отверстия (рис. 5.4). Экран параллелен плоскости отверстия и находится от него на расстоянии b. Разобьем открытую часть волновой поверхности на зоны Френеля. Вид дифракционной картины зависит от числа зон Френеля, открываемых отверстием. Амплитуда результирующего колебания, возбуждаемого в точке В всеми зонами (см. (5.1) и (5.6)),

,

где знак плюс соответствует нечетным m и минус - четным m.

Когда отверстие открывает нечетное число зон Френеля, то амплитуда (интенсивность) в точке В будет больше, чем при свободном распространении волны; если четное, то амплитуда (интенсивность) будет равна нулю. Бели отверстие открывает одну зону Френеля, то в точке В амплитуда А=А1, т. е. вдвое больше, чем в отсутствие непрозрачного экрана с отверстием Интенсивность света больше соответственно в четыре раза. Если отверстие открывает две зоны Френеля, то их действия в точке В практически уничтожат друг друга из-за интерференции. Таким образом, дифракционная картина от круглого отверстия вблизи точки В будет иметь вид чередующихся темных и светлых колец с центрами в точке В (если т четное, то в центре будет темное кольцо, если т нечетное - то светлое кольцо), причем интенсивность в максимумах убывает с расстоянием от центра картины.

Расчет амплитуды результирующего колебания на внеосевых участках экрана более сложен, так как соответствующие им зоны Френеля частично перекрываются непрозрачным экраном. Бели отверстие освещается не монохроматическим, а белым светом, то кольца окрашены.

Число зон Френеля, открываемых отверстием, зависят от его диаметра. Если он большой, то и результирующая амплитуда , т. е. такая же, как и при полностью открытом волновом фронте. Никакой дифракционной картины не наблюдается, свет распространяется, как и в отсутствие круглого отверстия, прямолинейно.

Непрозрачная преграда - перегородка (зрачки, щели, эл-нные линзы), ограничив, поперечное сечение световых или звуковых пучков (волн), ч-ц, в т.ч. заряженных. Обеспечивает качество изображения, глубину резкости, поле зрения, изменение угла движения ч-ц, фильтрование и очистку. Эластичная пластинка из упрочненной резины, из гофрированного металла или др. мат-лов, обратимо деформируемая при изменении давл. [1]

ДИСПЕРСИЯ ВОЛН - зависимость фазовой скорости гармонических волн в среде от частоты их колебаний. Дисперсия волн наблюдается для волн любой природы. Наличие дисперсии волн приводит к искажению формы сигнала (напр., звукового импульса) при распространении в среде. Дисперсия света наблюдается в виде разложения света в спектр, напр. при прохождении его сквозь стеклянную призму. Дисперсия света при преломлении обусловлена зависимостью показателя преломления n среды от частоты w света; в прозрачном веществе наблюдается увеличение n с ростом w (нормальная дисперсия), возможно и уменьшение n с увеличением w (аномальная дисперсия).

65. Главное квантовое число — целое число, обозначающее номер энергетического уровня. Характеризует энергию электронов, занимающих данныйэнергетический уровень. Является первым в ряду квантовых чисел, который включает в себя главное, орбитальное и магнитное квантовые числа, а также спин. Эти четыре квантовых числа определяют уникальное состояние электрона в атоме (его волновую функцию). Главное квантовое число обозначается как n. При увеличении главного квантового числа возрастают радиус орбиты и энергия электрона.Главное квантовое число равно номеру периода элемента.

Наибольшее число электронов на энергетическом уровне с учетом спина электрона определяется по формуле

Орбитальное квантовое число — в квантовой физике квантовое число ℓ, определяющееазимутальное распределение амплитуды волновой функции электрона в атоме, то есть форму электронного облака. Определяет подуровень энергетического уровня, задаваемого главным (радиальным) квантовым числом n и может принимать значения

Магнитное квантовое число — параметр, который вводится при решении уравнения Шрёдингера для электрона в водородоподобном атоме (и вообще для любого движения заряженной частицы).

В 1896 году голландский физик Питер Зееман поместил в сильное магнитное поле устройство, аналогичное водородной лампе, но наполненное парами раскаленного натрия (Фарадей ставил аналогичный эксперимент в 1862 г. и потерпел неудачу). Обнаружилось, что в магнитном поле число линий в спектрах испускания возрастает. Спектры становятся сложными, но можно показать, что каждая p-линия распадается в магнитном поле на 3 новых линии, каждая d-линия — на 5, каждая f-линия — на 7 линий, а s-линии не изменяются. Поскольку орбитали атома становятся «видны» только в магнитном поле, очередное квантовое число, записывающее «адрес» орбитали в атоме, назвали магнитным квантовым числом m. Это квантовое число принимает целые значения от -l до +l (где l — орбитальное квантовое число), то есть имеет ровно столько значений, сколько орбиталей существует на каждом подуровне.

Магнитное квантовое число (m) характеризует ориентацию в пространстве орбитального момента количества движения электрона или пространственное расположение атомной орбитали. Каждое из 2 l +1 возможных значений магнитного квантового числа определяет проекцию вектора орбитального момента на данное направление (обычно ось z). Проекция орбитального момента импульса на ось z равна Поскольку с орбитальным моментом связан магнитный момент, магнитное квантовое число, в частности, определяет проекцию орбитального магнитного момента водородоподобного атома на направление магнитного поля и служит причиной расщепления спектральных линий атома в магнитном поле.

Спин: В 1921 году опыт Штерна — Герлаха подтвердил наличие у атомов спина и факт пространственного квантования направления их магнитных моментов.

В 1924 году, ещё до точной формулировки квантовой механики, Вольфганг Паули вводит новую, двухкомпонентную внутреннюю степень свободы для описания валентного электрона в щелочных металлах. В 1927 году он же модифицирует недавно открытое уравнение Шрёдингера для учёта спиновой переменной. Модифицированное таким образом уравнение носит сейчас название уравнение Паули. При таком описании у электрона появляется новая спиновая часть волновой функции, которая описывается спинором — «вектором» в абстрактном (то есть не связанном прямо с обычным) двумерном спиновом пространстве.

В 1928 году Поль Дирак строит релятивистскую теорию спина и вводит уже четырёхкомпонентную величину — биспинор.

Математически теория спина оказалась очень прозрачной, и в дальнейшем по аналогии с ней была построена теория изоспина: (от англ. spin — вертеть[-ся], вращение) — собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого. Спином называют также собственный момент импульса атомного ядра или атома; в этом случае спин определяется как векторная сумма (вычисленная по правилам сложения моментов в квантовой механике) спинов элементарных частиц, образующих систему, и орбитальных моментов этих частиц, обусловленных их движением внутри системы.

Спин измеряется в единицах (приведённой постоянной Планка, или постоянной Дирака) и равен где J — характерное для каждого сорта частиц целое (в том числе нулевое) или полуцелое положительное число — так называемое спиновое квантовое число, которое обычно называют просто спином (одно из квантовых чисел).

Существование спина в системе тождественных взаимодействующих частиц является причиной нового квантовомеханического явления, не имеющего аналогии в классической механике: обменного взаимодействия.

68. Эрне́ст Ре́зерфорд (1871 - 1937) — британский физик новозеландского происхождения.

Известен как «отец» ядерной физики, создал планетарную модель атома. Лауреат Нобелевской премии по химии 1908 года. Открыл альфа- и бета-излучение, короткоживущий изотоп радона (их несколько, сам радон ранее открыл немецкий химик) и множество изотопов. Объяснил на основе свойств радона радиоактивность тория, открыл и объяснил радиоактивное превращение химических элементов, создал теорию радиоактивного распада, расщепил атом азота, обнаружил протон. Доказал, что альфа-частица — ядро гелия.

Поставив опыт по рассеянию альфа-частиц на металлической фольге, вывел формулу Резерфорда. Исходя из её анализа, сделал вывод о существовании в атоме массивного ядра. Создал планетарную теорию строения атомов. По ней, атом состоит из ядра, находящегося в центре, и электронов, вращающихся по орбитам вокруг ядра.

Первым открыл образование новых химических элементов при распаде тяжелых химических радиоактивных элементов. Уточнил на 30 % отношение заряда к массе электрона. Написал и опубликовал 3 тома работ. Все работы его экспериментальные.

Макс Карл Эрнст Людвиг Планк ^[1] (1858 - 1947) — выдающийся немецкий физик. Как основатель квантовой теории предопределил основное направление развития физики с началаXX века. Свои исследования Планк посвящал в основном вопросам термодинамики. Известность он приобрёл после объяснения в 1900 году спектра так называемого «абсолютно чёрного тела»^[3], заложив основу развития квантовой физики. Абсолютно чёрным телом называют некий предмет, чьё излучение зависит только от температуры и видимой площади поверхности. В противоположность физическим представлениям о непрерывности всех процессов, что являлось основой физической картины мира, построеннойНьютоном и Лейбницем, Планк ввёл представление о квантовой природе излучения. А именно, согласно его теории излучение испускается и поглощается квантами с энергией каждого кванта, равной

где ν — частота излучения в Гц, а h — постоянная Планка,

Дж·c.

Альбе́рт Эйнште́йн (1879— 1955) — физик-теоретик, один из основателей современной теоретической физики, лауреатНобелевской премии по физике 1921 года, общественный деятель-гуманист. Он разработал несколько значительных физических теорий:Специальная теория относительности (1905)., В её рамках — закон взаимосвязи массы и энергии: E = mc ².,Общая теория относительности (1907—1916).,Квантовая теория фотоэффекта., Квантовая теория теплоёмкости.,Квантовая статистика Бозе — Эйнштейна.,Статистическая теория броуновского движения, заложившая основы теории флуктуаций.,Теория индуцированного излучения.,Теория рассеяния света на термодинамических флуктуациях в среде^[2]

Луи де Бройль (1892 - 1987) — французский физик-теоретик, один из основоположников квантовой механики, лауреат Нобелевской премии по физике за 1929 год, член Французской академии наук (с 1933 года) и её непременный секретарь (с 1942 года), член Французской академии (с 1944 года).

Нильс Хе́нрик Дави́д Бор (1885-1962) — датский физик-теоретик и общественный деятель, один из создателей современной физики. ЛауреатНобелевской премии по физике (1922). Член Датского королевского общества (1917) и его президент с 1939. Был членом более чем 20 академий наук мира, в том числе иностранным почётным членом АН СССР (1929; членом-корреспондентом — с 1924).

Бор известен как создатель первой квантовой теории атома и активный участник разработки основ квантовой механики. Также он внёс значительный вклад в развитие теории атомного ядра и ядерных реакций, процессов взаимодействияэлементарных частиц со средой.

Арнольд Иоганнес Вильгельм Зоммерфельд (1868 - 1951, Мюнхен) — немецкий физик-теоретик и математик. Вместе с Максом Планком, Альбертом Эйнштейном и Нильсом Бором Арнольд Зоммерфельд принадлежит к кругу исследователей, которые в начале XX-го века создали новый фундамент физики в виде современной теоретической физики с главными её направлениями — квантовой механикой и теорией относительности. Его вклад в науку состоял не столько в формулировке новых революционных физических теорий, сколько в применении новейших математических методов в решении физических и технических задач. Заметным вкладом в раннюю квантовую теорию было получение формулы, уточнившей боровскую модель атома, при помощи чего удалось объяснить тонкую структуру спектральных линий атома водорода. Кроме того, он разработал теориюрентгеновского излучения, улучшил теорию электронов в металлах Друде, применив квантово-механическое рассмотрение (теория Зомерфельда-Друде) и создал полную теорию волчка. Зоммерфельд был одним из первых физиков, принявших и применявших специальную теорию относительности Эйнштейна и, таким образом, способствовавших её признанию.

Во́льфганг Эрнст Па́ули (1900 - 1958) — лауреат Нобелевской премии по физике за 1945 год. 1924 год: Паули вводит в квантовую механику новую степень свободы, чтобы устранить имевшуюся несостоятельность в интерпретации наблюдаемых молекулярных спектров. Эта степень свободы была в 1925 г. идентифицирована Г. Уленбеком иС. Гаудсмитом как спин электрона. При этом Паули формулирует свой принцип запрета, который, по-видимому, стал его главным вкладом в квантовую механику.1926 год: Вскоре после опубликования Гейзенбергом матричного представления квантовой механики, Паули применяет эту теорию для описания наблюдаемого спектраводорода. Это служит значительным доводом для признания теории Гейзенберга.1927 год: Паули вводит спиноры для описания спина электрона.1930 год: Паули постулирует нейтрино. Он осознал, что при бета-распаде нейтрона на протон и электрон законы сохранения энергии и импульса могут выполняться, только если при этом испускается ещё одна, до тех пор неизвестная частица. Так как в тот момент времени доказать существование этой частицы было невозможно, Паули постулировал существование неизвестной частицы. Итальянский физик Энрико Ферми назвал позже эту частицу «нейтрончик»: нейтрино. Экспериментальное доказательство существования нейтрино появилось только в 1954 г.

Поиск по сайту: