Sunteți aici: || Teoria luminii

Ușoară

Conținutul subiectului:

  1. Spectrul luminii vizibile.
  2. Reflecția și refracția luminii.
  3. Dispersia luminii.
  4. Interferență ușoară.
  5. Difracția luminii.
  6. Raze X.
  7. Radiație termala.
  8. Efect fotoelectric (efect foto). Fotoni.
  9. Valurile De Broglie.

Testarea sarcinilor din examene:

Teorie

1. Spectrul luminii vizibile

atunci când

2. Reflecția și refracția luminii

Reflectarea luminii

  • O definiție - La limita dintre două medii, lumina se abate de la direcția sa, rămânând în același mediu.
  • Legi (Fig. 2) - Unghiul de incidență α este egal cu unghiul de reflexie α ', adică:

  • Tipuri de reflecție:
    • Reflecția oglinzii - Un fascicul paralel de raze care cad pe o suprafață netedă după reflectare rămâne paralel.
    • Reflexie difuză - De la o suprafață aspră, un fascicul de raze paralel este reflectat la unghiuri diferite.

    • Refracție ușoară

    O definiție - La limita dintre două medii, lumina se abate de la direcția sa, trecând în al doilea mediu.

    Indicele de refracție al unui mediu dat

    • Oh determinare - Cantitatea n care indică cu cât viteza u a luminii într-un mediu dat este mai mică decât viteza c a luminii în vid:

    Relația dintre indicele de refracție al unui mediu dat și lungimea de undă (Fig. 1):

    (2):, unde λ0 este lungimea de undă în vid, λ este lungimea de undă într-un mediu dat.

    1. Din formula (2) sau din FIG. 1 arată că atunci când lumina intră într-un mediu cu un indice de refracție mai mare, lungimea ei de undă scade.
    2. Când lumina intră într-un mediu, viteza și lungimea de undă se schimbă, dar frecvența nu se schimbă. Frecvența undei depinde de frecvența sursei.

    Legea lui Snelius

    • Dacă α este unghiul de incidență, β este unghiul de refracție, n2 este indicele de refracție al celui de-al doilea mediu, n1 este indicele de refracție al primului mediu (Fig. 2), atunci:
      (3): .
    • Concluzii:
      • Dacă lumina se deplasează de la un mediu optic mai rar la un mediu optic mai dens, atunci: α> β, n1 n2.

    Reflecție internă completă

    Pentru a observa reflexia internă completă, corpul de iluminat trebuie să se deplaseze de la un mediu optic mai dens la un mediu optic mai rar și să cadă la un unghi mai mare decât limita.

    3. Dispersia luminii

    Definiție

    O - Descompunerea luminii în spectrul său datorită dependenței indicelui de refracție de lungimea de undă.

    Proprietăți

    Cele mai puțin refractate sunt razele roșii cu unde mai lungi, iar cele mai puternice sunt razele albastre și violete cu unde mai scurte.

    4. Interferența luminii

    Definiție

    O - Fenomenul în care două sau mai multe unde de lumină se propagă într-un mediu dat și în anumite puncte din mediu lumina este amplificată și în alte puncte - slăbită.

    Interferența maximă

    Punctele în care lumina este amplificată. Punctul este luminos atunci când diferența dintre căi este un număr întreg egal de jumătăți de lungime a undei (p. P din Fig. 5), adică.

    (5): Δr = r2 - r1 = 2k, unde r1 este calea care trece valul care vine de la o sursă de lumină S1, r2 - calea luminii care vine de la o sursă S2, Δr - diferența dintre căile celor două raze, k = 0, ± 1, ± 2, ... - un număr întreg corespunzător numărului benzii de lumină în raport cu cel central.

    Minime de interferență

    Punctele în care lumina se stinge. Punctul este întunecat atunci când diferența dintre căi este un număr impar de jumătăți de lungimi de undă (p. P din Fig. 5), adică.

    Principiul Huygens

    Fiecare punct pe care îl atinge unda devine o sursă secundară de undă.

    Surse coerente

    Surse care difuzează în concert.

    1. Sursele de lumină în două puncte, perfect monocromatice, cu aceeași frecvență ν sunt întotdeauna coerente.
    2. Se observă întotdeauna interferențe cu unde coerente.

    Condiții de interferență a luminii

    Interferența luminii apare atunci când:

    1. Ambele unde sunt create din surse punctuale și au aceeași lungime de undă sau frecvență, adică. valurile sunt monocromatice.
    2. Sursele difuzate în concert, adică. emit simultan, iar diferența de fază dintre cele două unde nu depinde de timp.

    Nu există interferențe cu sursele de lumină reale, deoarece:

    1. Nu sunt perfect monocromatice, dar emit într-un spectru larg.
    2. Sursele reale nu sunt punctuale, adică. au dimensiuni finite. O parte foarte mică a suprafeței lor poate fi considerată o sursă punctuală, dar aceste surse punctuale individuale nu emit coerente.

    Experiența lui Jung

    Fenomenul interferenței luminii a fost observat pentru prima dată în 1802 de către fizicianul englez Thomas Jung.

    În experimentul lui Jung (vezi figura), un fascicul luminos de lumină monocromatică cade pe un ecran opac cu o deschidere mică S. Conform principiului lui Huygens, această deschidere poate fi considerată ca o sursă de undă sferică. Această undă cade pe un al doilea ecran cu două deschideri mici S1 și S2, situate simetric și apropiate una de cealaltă. Aceste două deschideri sunt considerate surse coerente de unde. Cele două unde interferează între ele și dungi deschise și întunecate sunt observate pe ecranul E, situat la o anumită distanță (imagine de interferență).

    5. Difracția luminii

    Definiție

    O Deviația luminii de la propagarea sa rectilinie atunci când întâlnește o barieră în calea sa sau trece printr-o deschidere.

    Rețea de difracție

    Partiție cu deschideri multiple.

    Dacă d este constanta rețelei de difracție (această constantă este distanța dintre două deschideri adiacente din rețea), k = 0, ± 1, ± 2, ± 3 ... arată numărul liniei de lumină în raport cu cea centrală, Θ - unghiul pe care îl fac razele de lumină perpendicular pe grătar, condiția maximă a difracției este:

    6. Raze X.

    Definiție

    Razele X sunt un tip de radiație electromagnetică cu o lungime de undă cuprinsă între aproximativ 10 - 8 m (10 nm) până la 10 - 12 m (10 - 3 nm).

    Tipuri de raze X

    • Frânarea razelor X. - Când catodul este încălzit de un tub de vid, sunt emiși electroni, care sunt accelerați de câmpul electric. Când lovesc anodul și întâlnesc nucleele atomice ale substanței țintă, energia cinetică a electronilor este transformată în radiații numite raze X inhibitoare. Această radiație are un spectru continuu.
    • Radiații cu raze X caracteristice - Dacă energia electronilor este foarte mare, atunci când lovesc anodul, atomii acestuia sunt excitați și emit raze. Aceste raze formează o radiografie caracteristică. Prin urmare, spectrul acestei radiații este liniar.

    7. Radiații termice

    Corp absolut negru

    O Un corp care absoarbe complet radiația care cade pe el.

    Corpul absolut negru este, de asemenea, un emițător ideal. De exemplu: soarele, funinginea etc.

    Legea lui Ștefan

    • (8.1): P = σST 4, unde P este puterea radiației termice a corpului (energie radiată timp de 1 s), S - fața suprafeței radiante, T - temperatura absolută a corpului radiant, σ = 5, 67,10 - 8 W/(m 2 K 4) - constanta lui Stefan.
    • (8.2): E = = σT 4, unde E este energia totală emisă pe unitate de timp pe unitate de suprafață a unui corp negru absolut.

    În 1879, Joseph Stefan a derivat această lege pe baza măsurătorilor experimentale și puțin mai târziu Ludwig Boltzmann a descris-o teoretic, astfel încât legea este cunoscută și sub numele de legea Stefan-Boltzmann.

    Legea lui Vin

    (9): λmaxT = const, unde λmax este lungimea de undă corespunzătoare maximului din spectrul de emisie, T - temperatura absolută a corpului emitent, const = 2,9.10 - 3 m.K - constantă.

    Din legea lui Vin rezultă că pe măsură ce temperatura crește, energia totală radiată crește, iar intensitatea maximă se deplasează pe lungimi de undă mai scurte (de la roșu la albastru), așa cum se arată în Fig. 6.

    Ipoteza lui Planck

    Pentru a explica spectrele de emisie obținute experimental ale unui corp absolut negru, fizicianul german Max Planck face o presupunere fundamental nouă, care depășește teoria electromagnetică clasică. Conform ipotezei lui Planck energia electromagnetică este emisă de atomi și molecule nu continuu, ci în porțiuni individuale numite cuante.

    Energia fiecărei cuantice se găsește prin formula:

    (10): E = hν =, unde ν - frecvența undelor, h = 6.63,10 - 34 J.s - constanta lui Planck, c - viteza luminii în vid, λ - lungimea de undă.

    8. Efect fotoelectric (efect foto). Fotoni

    Definiție

    O Eliberarea electronilor de pe suprafața unui metal atunci când este iradiat cu lumină.

    Regularități de bază ale efectului foto

    1. Numărul de fotoelectroni emiși pe unitate de timp de la o suprafață dată depinde proporțional cu intensitatea luminii.
    2. Un efect foto este observat numai dacă frecvența luminii incidente este peste o anumită valoare. Această valoare se numește margine roșie.
    3. Energia cinetică maximă (viteza maximă) a fotoelectronilor depinde doar de frecvența luminii incidente.
    4. Efectul foto este un fenomen instantaneu, adică. fotoelectronii sunt eliberați practic simultan cu iluminarea suprafeței chiar și atunci când intensitatea luminii este foarte mică.

    Fotoni. Explicația efectului foto. Ecuația lui Einstein pentru efectul foto

    • Fotoni
      • O Definiție - Lumina nu este doar emisă, ci se propagă și este absorbită de porțiuni strict definite de energie numite fotoni.
      • Energie - Energia E a fotonului depinde proporțional doar de frecvența ν (sau de lungimea de undă corespunzătoare λ):
        (11): E = hν =, unde h = 6.63,10 - 34 J.s - Constanta lui Planck, c - viteza luminii în vid.
      • Masa - Masa fotonului în repaus este zero. În practică, însă, nu există fotoni în repaus, adică. fotonii sunt mereu în mișcare.
      • Viteză - Viteza cu care se mișcă toți fotonii nu depinde de energia lor, ci de mediul în care se mișcă. În vid este egal cu c (viteza luminii). Într-un mediu cu indice de refracție n viteza fotonilor este
        (12): .

      Formula (11) este formula noastră familiară (10) din ipoteza lui Planck, iar formula (12) este obținută din formula (1).

      9. Undele De Broglie

      Definiție

      O Toate formele de materie au atât proprietățile particulelor, cât și ale undelor. Aceste unde sunt numite unde de materie sau unde de Broglie.

      Lungimea de undă de Broglie λD

      Lungimea de undă de Broglie λD este determinat de formula:

      (14):, unde m este masa particulei, v este viteza sa, p este impulsul particulei.

      Dovadă experimentală

      Prima dovadă experimentală a ipotezei lui de Broglie a fost dată fizicienilor americani Clinton Davison și Leicester Jermer. În 1927, au studiat împrăștierea electronilor de către o țintă de nichel plasată în vid. Cei doi oameni de știință au înregistrat electronii reflectați de țintă pe fotoplacă și au descoperit că pe fotoplacă a fost observat un model de difracție similar cu modelul de difracție cu raze X (Fig. 7). Prin localizarea maximelor de difracție, ele determină lungimea de undă pe care trebuie să o aibă undele de materie (de electroni) pentru a obține un astfel de model de difracție. Valorile obținute corespund exact lungimii de undă a undelor electronice prezise de de Broglie.

      Prin natură, undele de Broglie nu sunt unde mecanice și nici electromagnetice.

      Proprietățile valurilor se manifestă nu numai prin particule elementare, ci și prin toate corpurile, inclusiv obiectele din jurul nostru. Cu toate acestea, masele lor sunt atât de mari încât lungimea de undă obținută prin formula lui de Broglie se dovedește a fi extrem de mică și de niciun interes practic.