Многолучевая интерференция света. Практическое применение явления интерференции. Интерферометры. Интерферометр Майкельсона

3) Строение атомного  ядра. Энергия связи,  ядерные силы. Основные  характеристики атомного  ядра.

Атом состоит  из положительно заряженного ядра и  окружающих его электронов. Атомные  ядра имеют размеры примерно 10^(-14) – 10^(-15) м. Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Протон имеет положительный заряд, равный заряду электрона. Нейтрон – нейтральная частица. Протоны и нейтроны называются нуклонами. Общее число нуклонов называется массовым числом А. Z – зарядовое число ядра, равное числу протонов в ядре и совпадающее с порядковым номером элемента. Т.к. атом нейтрален, то заряд ядра определяет и число электронов в атоме.

В ядре между  нуклонами существует связь. Энергия, которую нужно затратить чтобы расщепить ядро называется энергией связи.

Между нуклонами  действуют особые ядерные силы, которые значительно превышают силы отталкивания между протонами. Они относятся к классу сильных взаимодействий. Свойства: 1) они являются силами притяжения; 2) они короткодействующие (на расстояниях 10^(-15) м); 3) зарядовая независимость: силы, действующие между двумя протонами, или двумя нейтронами, или между протоном и нейтроном одинаковы по величине; 4) им свойственно насыщение: каждый нуклон взаимодействует с ограниченным числом нуклонов; 5) зависят от ориентации спинов взаимодействующих нуклонов; 6) не являются центральными (действующими по линии, соединяющей центры нуклонов) 
 
 
 

Билет №7

2) Поляризация света.  Искусственная анизотропия.  Эффекты Керра  и Фарадея. 

Поляризованным  называется свет, у которого колебания  вектора напряженности электрического поля Е - светового вектора упорядочены. Для поляризованного света различные направления в плоскости, перпендикулярной световому лучу, неэквивалентны. Такая неэквивалентность существует только для поперечных волн. Продольные волны не имеют поляризации.

Существуют три  типа поляризации света: линейная, циркулярная (круговая) и эллиптическая. Кроме  того, свет может быть неполяризованным и частично поляризованным

Линейно (плоско) поляризованной называется волна, вектор E которой в процессе распространения  колеблется в одной плоскости, проходящей через луч. Естественным называется свет с быстро и беспорядочно изменяющимся направлением вектора напряженности  электрического поля, причем все направления  колебаний, будучи перпендикулярными световому лучу, равновероятны. Рис.4.3

Волна называется эллиптически поляризованной, если при  фиксированном значении координаты z (координаты, вдоль которой волна распространяется) конец вектора E в плоскости с течением времени описывает эллипс.

Искусственная анизотропия проявляется в возникновении  двулучепреломления в первоначально изотропных средах при внешних воздействиях. Оптически изотропное тело при деформациях сжатия и растяжения приобретает свойство кристалла, оптическая ось которого коллинеарна с направлением деформирующих сил При распространении перпендикулярно оптической оси линейно поляризованная волна разбивается на две - обыкновенную и необыкновенную, разность показателей преломления для которых равна   где F -деформирующая сила, S – площадь боковой поверхности, b - упруго-оптическая постоянная. На выходе из такого вещества свет в общем случае становится эллиптически поляризованным. Эффект Керра. Оптически изотропное вещество в электрическом поле напряженностью Е  приобретает свойство одноосного кристалла с оптической осью, коллинеарной вектору напряженности электрического поля. Разность показателей преломления для обыкновенной и необыкновенной волн равна:  где k- постоянная Керра, λ- длина волны. На выходе из вещества свет в общем случае становится эллиптически поляриз.

Эффект  Фарадея заключается в том, что в магнитном поле первоначально неактивное вещество становится оптически активным. При распространении света в веществе вдоль вектора напряженности магнитного поля плоскость поляризации световой волны вращается.

Угол поворота плоскости поляризации равен где V постоянная Верде.   

3) Элементарные частицы  и античастицы.  Виды взаимодействия  частиц и их  объединения в  рамках единой  теории. Кварки. Систематика  элементарных частиц.

Элементарными частицами именуют большую группу мельчайших микрообъектов, не являющихся атомами или атомными ядрами (за исключением протона − ядра атома  водорода). Пример античастиц: позитрон(античастица электрона). У частицы и античастицы массы, спины, времена жизни одинаковые, а прочие характеристики одинаковы по абсолютной величине, но противоположны по знаку.

Кварки −  это частицы, из которых, по современным  представлениям, построены крупные  частицы (адроны). К настоящему времени  достоверно установлено существование  пяти разновидностей кварков u, c, d, s и b. Все кварки имеют спин 1/2, барионный заряд 1/3 и обладают дробным электрическим зарядом +2/3 или -1/3. Частицы, расположенные в верхней части таблицы имеют заряд +2/3, а в нижней − -1/3  . Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка (р→uud), нейтрон состоит из одного u-кварка и двух d-кварков (n→ddu).

а). Электромагнитное взаимодействие.

Оно сводится к  взаимодействию электрических зарядов (и магнитных моментов) частиц с  электромагнитным полем 

б). Гравитационное взаимодействие.

Оно доминирует в случае макроскопических масс. Но в мире элементарных частиц, ввиду  малости их масс, это взаимодействие ничтожно.

в). Слабое взаимодействие. Слабое взаимодействие вызывает, например, β-распад радиоактивных ядер и, наряду с электромагнитными силами, объясняет поведение лептонов. Оно является короткодействующим, радиус действия порядка 10^-16 см. Интенсивность слабого взаимодействия гораздо меньше интенсивности электромагнитного взаимодействия

г) Сильное (ядерное) взаимодействие. Сильное взаимодействие обеспечивает самую сильную связь элементарных частиц, в частности, связь между нуклонами в атомных ядрах. Оно присуще большинству элементарных частиц, так называемых адронов (протон, нейтрон, гипероны, мезоны и т.д.). Сильное взаимодействие - короткодействующее, радиус его действия порядка 10^-13 см. Сильное взаимодействие не зависит от знака электрического заряда взаимодействующих частиц, т.е. обладает зарядовой независимостью.   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Билет №8

2) Гипотеза де Бройля. Опыты по дифракции  электронов. Длина  волны де Бройля.

Волновые свойства частиц. Гипотеза де Бройля 

де Бройль выдвинул гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового  дуализма. Де Бройль утверждал, что  не только фотоны, но и электроны  и любые другие частицы материи  наряду с корпускулярными обладают также и волновыми свойствами.

Согласно де Бройлю, с каждым микрообъектом связаны, с одной стороны, корпускулярные характеристики – энергия E и импульс  p, а с другой стороны, волновые характеристики – частота n и длина волны l.

Корпускулярные  и волновые характеристики микрообъектов  связаны такими же количественными  соотношениями, как и у фотона:

Гипотеза де Бройля постулировала эти соотношения  для всех микрочастиц, в том числе  и для таких, которые обладают массой m. Любой частице, обладающей импульсом, сопоставлялся волновой процесс с длиной волны n = h / p.

На первом удачном  эксперименте было обнаружено, что  пучок электронов, рассеивающийся на кристалле никеля, дает отчетливую дифракционную картину, подобную той, которая возникает при рассеянии  на кристалле коротковолнового рентгеновского излучения.

Впоследствии  дифракционные явления были обнаружены также для нейтронов, протонов, атомных  и молекулярных пучков. своих экспериментах Томсон наблюдал дифракционную картину, возникающую при прохождении пучка электронов через тонкую поликристаллическую фольгу из золота. Упрощенная схема опытов Дж. Томсона по дифракции электронов. K – накаливаемый катод, A – анод, Ф – фольга из золота.

3) Электромагнитная  природа света.  Понятие о когерентности.  Сложение колебаний.  Временная и  пространственная когерентность.

В основе этой теории лежат уравнения Максвелла:

где rE и rH - векторы напряженности электрического и магнитного полей, rD и rH - векторы электрической и магнитной индукции, rj - вектор тока проводимости, ε и μ - относительные элек-трическая и магнитная проницаемости, ε₀ и μ₀ - электрическая и магнитная постоянные.

Электромагнитные  волны Максвелла были обнаружены Г.Герцем и исследованы на опыте. Колебания возбуждались вибратором, состоящим из двух цинковых шариков, разделенных искровым промежутком. Было показано, что возбуждаемые волны  являются поперечными и обнаруживают явления дифракции, поляризации, интерференции.

Что касается отличий, существующих между электромагнитными  волнами, обнаруженными Герцем, и  световыми, то они могут быть объяснены  только отличием длин волн. Можно было утверждать, что явления оптические представляют собой частный случай более общего класса электромагнитных явлений. Видимый свет, непосредственно  воспринимаемый человече-ским глазом, занимает узкий интервал длин электромагнитных волн от 0,40 до 0,76 мкм.

Два колебательных  процесса называются когерентными, если разность фаз складывающихся колебаний  остается постоянной в течение времени, достаточного для наблюдений.

Пусть в некоторой  точке пространства складываются две  световые волны rE1 и rE2 одинаковой частоты с амплитудами rE01 и r E02, причем векторы rE1 и rE2 колеблются в одной плоскости:

.В теории колебаний показывается, что результирующее колебание  имеет ту же частоту, а амплитуда и фаза определяются из соотношений:

, .  

где Δϕ=ϕ₁-ϕ₂ - разность фаз складывающихся колебаний.   

Вычислим усредненную  интенсивность I световых колебаний в данной точке пространства за время τ, достаточное для наблюдений (много больше периода колебаний)

Если за время  τ Е₀₁ и Е₀₂ сохраняются постоянными, то

 

1.Если разность  фаз постоянна во времени, то 

а так как  I∼<E²> и Δϕ величина постоянная  то I₀ ≠ I₁+I₂.   

2. Если Δϕ меняется во времени случайным образом, а время наблюдения τ много больше среднего периода изменения разности фаз, то   

 Тогда I₀ = I₁+I₂  Это наблюдается при сложении некогерентных колебаний.  

Временная когерентность. Продолжительность процесса излучения света атомами τ =10^-8 с. За этот промежуток времени возбужденный атом, растратив свою избыточную энергию на излучение, возвращается в основное состояние, и излучение им света прекращается. Затем вследствие столкновения с другими атомами, электронами или фотонами атом снова может возбудиться и начать излучать свет. Такое прерывистое излучение света атомами в виде отдельных кратковременных импульсов - цугов волн - характерно для любого источника света, независимо от тех физических процессов, которые происходят в источнике.

Пространственная  когерентность. Во всех практических интерференционных схемах большое значение имеет размер когерентных источников света. Если размеры когерентных источников много меньше длины волны, то всегда получается резкая интерференционная картина. Однако на практике размеры источников обычно много больше длины световой волны. В этом случае, по существу, на экране имеется наложение множества интерференционных картин, полученных от множества пространственно разделенных пар точечных когерентных источников света, на которые можно разбить исходные протяженные источники. Эти картины будут сдвинуты одна относительно другой так, что результирующая картина будет размыта, и при большом размере источников она практически исчезает.