Волновые свойства света

Иначе обстоит дело при  поляризации света в кристалле  исландского шпата (бесцветная прозрачная разновидность кальцита СaCOз, добывается преимущественно в Исландии). Он одинаково прозрачен для обыкновенного и необыкновенного лучей и потому обладает ярко выраженным двойным лучепреломлением, в чем легко убедиться по кажущемуся раздвоению какого-либо предмета (например, надписи), рассматриваемого через кристалл исландского шпата (рис. 20).

Рис.20

Кристаллы, полученные из исландского шпата, имеют обычно форму ромбоэдра — шестигранника, все грани которого являются ромбами  с тупым углом 102° (рис. 21). Короткая диагональ ОО' ромбоэдра является направлением оптических осей исландского шпата. Все плоскости, параллельные граням ромбоэдра, являются плоскостями спайности, по которым шпат легко раскалывается.

Поэтому природный кристалл исландского шпата можно расколоть не только на ромбоэдры, но и на четырехгранные призмы с гранями в форме параллелограммов.

Рис. 21

Исландский шпат широко используют в качестве поляризотора и анализатора во многих оптических приборах. Для этого из шпата изготовляют  поляризационную призму, пропускающую только один сорт поляризованных лучей (например, необыкновенные лучи).

Глава 3. Практическое применение волновых свойств света

Применение  интерференции света

Явление интерференции  волн находит разнообразное применение. Рассмотрим лишь некоторые примеры применения интерференции.

         Тот факт, что расположение интерференционных  полос зависит от длины волны  и разности хода лучей, позволяет  по виду интерференционной картины  (или их смещению) проводить точные  измерения расстояний при известной длине волны или, наоборот, определять спектр интерферирующих волн (интерференционная спектроскопия). Для осуществления таких измерений разработаны различные схемы высокоточных измерительных приборов, называемых интерферометрами (двух- и многолучевые). Незначительное перемещение одного из зеркал интерферометра приводит к смещению интерференционной картины, что можно использовать для измерения длин с точностью до . Измерения с помощью интерферометра Майкельсона привели к фундаментальным изменениям представлений о пространстве и времени. Доказали отсутствие эфира. Послужили основой специальной теории относительности.

По интерференционной  картине можно выявлять и измерять неоднородности среды (в т.ч. фазовые), в которой распространяются волны, или отклонения формы поверхности от заданной.

Явление интерференции волн, рассеянных от некоторого объекта (или прошедших  через него) с «опорной» волной, лежит в основе голографии (в т.ч. оптической, акустической или СВЧ-голографии).

Интерференционные волны от отдельных  «элементарных» излучателей используются при создании сложных излучающих систем (антенн) для электромагнитных и акустических волн.

Просветление оптики и  получение высокопрозрачных покрытий и селективных оптических фильтров. Одной из важных задач, возникающих при построении различных оптических и антенных устройств СВЧ-диапазона, является уменьшение потерь ( ) интенсивности света, мощности потока электромагнитной энергии при отражении от поверхностей линз, обтекателей антенн и пр. приборов, используемых для преобразований световых и радиоволн в разнообразных приборах фотоники, оптоэлектроники и радиоэлектроники. Для уменьшения потерь на отражение используется покрытие оптических деталей (линз) 3 пленкой 2 со специальным образом подобранными толщиной δ и показателем преломления n (рис. 22).

Рис.22

 

Идея уменьшения интенсивности  отраженного света от поверхности  оптических деталей состоит в  интерференционном гашении волны, отраженной от внешней поверхности  детали 1, волной отражённой от внутренней 2. Для осуществления этого амплитуды обеих волн должны быть равны, а фазы отличаться на 180°. В этом случае обеспечивается гашение отражённой волны. Необходимоесоотношение между фазами отражённых волн обеспечивается выбором толщины плёнки δ, кратной нечётному числу четвертей длины волны проходящего через рассматриваемую деталь света:              

  .                        

Таким образом, если выполняется  условие, то в результате интерференции  наблюдается гашение отраженных лучей.       

Так как добиться одновременного гашения для всех длин волн невозможно, то его делают для . Поэтому объективы с просветленной оптикой кажутся голубыми.

Явление интерференции  также применяется в очень  точных измерительных приборах, называемых интерферометрами. Все интерферометры основаны на одном и том же принципе и различаются лишь конструкционно.

Интерферометр — измерительный прибор, принцип действия которого основан на явлении интерференции. Принцип действия интерферометра заключается в следующем: пучок света с помощью того или иного устройства пространственно разделяется на два или большее количество когерентных пучков. Каждый из пучков проходит различные оптические пути и возвращается на экран, создавая интерференционную картину, по которой можно установить смещение фаз пучков.

Интерферометры применяются  как при точных измерениях длин, в частности в станкостроении и машиностроении, так и для оценки качества оптических поверхностей и проверки оптических систем в целом, измерения углов, исследования быстропротекающих процессов, происходящих в воздухе, обтекающем летательные аппараты, и т. д. Применяя интерферометр, Майкельсон впервые провел сравнение международного эталона метра с длиной стандартной световой волны. С помощью интерферометров исследовалось также распространение света в движущихся телах, что привело к фундаментальным изменениям представлений о пространстве и времени.

Применение  дифракции

Дифракция рентгеновских  лучей. Рентгеновские лучи проходят через непрозрачные для обычного света тела: дерево, металл, кость, мышечную ткань и т. д. Причем более плотные вещества поглощают рентгеновские лучи сильнее, чем менее плотные. Если рентгеновские лучи проходят через объект, характеризующийся неравномерным распределением плотности вещества, то на экране (или фотопластинке), помещенном позади объекта, появляется теневое изображение, на котором распределение освещенности соответствует распределению плотности вещества в объекте.

Благодаря таким свойствам рентгеновские лучи широко применяются в медицине и технике для исследования внутреннего строения тел, например для обнаружения изменений в организме (рентгенодиагностика) и выявления дефектов в деталях машин (рентгенодефектоскопия). Кроме того, рентгеновские лучи используются в лечебных целях.  Больные клетки и ткани организма обладают повышенной чувствительностью к рентгеновским лучам. Поэтому соответствующей дозой рентгеновского облучения можно подавлять и даже разрушать больные ткани организма (например, злокачественные опухоли), не по- поражая соседних здоровых тканей.

Рентгеновские лучи возникают  при резкой остановке электронов, быстро движущихся в рентгеновской  трубке. Современная рентгеновская  трубка состоит из металлического анода  А и катода К, подогреваемого током, проходящим по вольфрамовой спирали 1 (рис. 23). Эти электроды находятся в баллоне 2 с высоким вакуумом ( Па). Между катодом и анодом приложено напряжение U достигающее В.

Рис.23

Дифракцией света обусловлена  разрешающая способность оптических приборов, т. е. способность этих приборов давать раздельные изображения мелких, близко расположенных друг к другу деталей (точек) предмета. Объектив всякого оптического прибора обязательно имеет входное отверстие. Дифракция света на входном отверстии объектива неизбежно ведет к тому, что изображения отдельных точек наблюдаемого предмета (самосветящегося или освещаемого) оказываются уже не точками, а светлыми дисками, окаймленными темными и светлыми кольцами. Если рассматриваемые точки (детали) предмета находятся близко друг от друга, то их дифракционные изображения (в фокальной плоскости объектива) могут более или менее взаимно перекрываться.

Применение  поляризации

Поляризационные приборы предназначаются для обнаружения, анализа, получения и преобразования поляризованного оптического излучения (света), а также для различных исследований и измерений, основанных на явлении поляризации света. К 1-й из двух категорий, на которые разделяют поляризационные приборы, относятся простейшие устройства для получения и преобразования поляризованного света — линейные и циркулярные поляризаторы , фазовые пластинки, компенсаторы оптические, деполяризаторы и прочее. Вторая  категория поляризационных приборов — более сложные конструкции и установки для количественных поляризационно-оптических исследований. В качестве элементов в них входят поляризационные приборы 1-й категории, а также приёмники света, монохроматоры, вспомогательные электронные устройства и многие др.

Простейшие поляризационные  устройства. В поляризаторах для получения полностью или частично поляризованного света используется одно из трёх физических явлений: 1) поляризация при отражении света или преломлении света на границе раздела двух прозрачных сред; 2) линейны и дихроизм — одна из форм плеохроизма; 3) двойное лучепреломление. Свет, отражённый от поверхности, разделяющей две среды с разными преломления показателями n, всегда частично поляризован.

Приборы для поляризационно-оптических исследований отличает чрезвычайное разнообразие сфер применения, конструктивного оформления и принципов действия. Их используют для фотометрических и пирометрических измерений, кристаллооптических исследований, изучения механических напряжений в конструкциях, в микроскопии, в поляриметрии и сахариметрии, в скоростной фото- и киносъёмке, геодезических устройствах, в системах оптической локации и оптической связи, в схемах управления лазеров, для физических исследований электронной структуры атомов, молекул и твёрдых тел и др.

Чрезвычайно существенную роль в химических и биофизических исследованиях  играет обширный класс поляризационных  приборов, служащий для измерения вращения плоскости поляризации в средах с естественной или наведённой магнитным полем оптической активностью — поляриметры — и дисперсии этого вращения — спектрополяриметры.  Относительно простыми, но практически очень важными  являются сахариметры — приборы для измерения содержания сахаров и некоторых других оптически-активных веществ в растворах, которые широко используются в пищевой промышленности и в медицине.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

       Целью  данной работы явилось исследование  волновой природы света.

Явления интерференции, дифракции, поляризации света от обычных источников света неопровержимо  свидетельствует о волновых свойствах  света.

Практическое значение оптики и её влияние на другие отрасли знания исключительно велики. Изобретение телескопа и спектроскопа открыло перед человеком удивительнейший и богатейший мир явлений, происходящих в необъятной Вселенной. Изобретение микроскопа произвело революцию в биологии. Фотография помогла и продолжает помогать чуть ли не всем отраслям науки. Одним из важнейших элементов научной аппаратуры является линза. И все эти великие открытия были совершены на основе именно волновых свойств света.

  Область явлений, изучаемая физической оптикой, весьма обширна. Оптические явления теснейшим образом связаны с явлениями, изучаемыми в других разделах физики, а оптические методы исследования относятся к наиболее тонким и точным. Поэтому неудивительно, что оптике на протяжении длительного времени принадлежала ведущая роль в очень многих фундаментальных исследованиях и развитии основных физических воззрений..

 

 

 

 

 

 

 

 

Библиографический список

1. Кудрявцев П.С. // Курс истории физики -  «Просвещение», 1982
2. Шахмаев Н.М.// Учебник для 11 класса средней школы – «Просвещение», 1993
3. Грибов Л.А., Прокофьева Н.И. // Основы физики – «Гардарика», 1998
4. Савельев И.В. // Курс общей физики для вузов – «Наука», 2008
5. Ландсберг Г. С.// Оптика, 5 изд., 1976 (Общий курс физики)
6. Демидченко В.И. // Физика: учебное пособие для вузов – «Феникс», 2008
7. Борн М., Вольф Э. // Основы оптики, пер. с англ. 2 изд., 1973
8. Гурский И.П.// Элементарная физика под ред. И.В. Савельева – «Просвещение», 1984
9. Яворский Б.М., Детлаф А.А. // Справочник по физике. – «Наука», 2002
10. Сивухин Д.В. // Общий курс физики – «Наука», 1996
11. Трофимова Т.И. // Курс физики. –  «Высшая школа», 2001
12. Гусев И. Е. // Справочное пособие по физике – «Харвест», 1998
13. Мякишев Г.Я. Буховцев Б.Б. // Физика –  «Просвещение», 1982
14. Ярославский Б.М. // Справочник по физике – «Наука», 1996
15. Грабовский Р.И. //Курс физики – «Лань», 2006