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

видимой области  спектра:

= 3, 4, …) где  - постоянная

Ридберга. Так  как  , то ф-ла может быть

переписана для  частот: , (n = 3,

4, …), где  - так же

постоянная Ридберга. Из полученных выражений вытекает, что спектральные линии отличающиеся различными значениями n, образуют группу или серию линий, называемую серией Бальмера. С увеличением n линии серии сближаются; значение n = ∞ определяет границу серии, к которой со стороны больших частот примыкает сплошной спектр. В дальнейшем в спектре атома водорода было обнаружено еще несколько серий. В ультрафиолетовой области спектра находится серия Лаймана: , (n =2, 3, 4, …). В инфракрасной области были обнаружены: серия Пашена: (n= 4, 5, 6, …), серия Прэкета: (n= 5, 6, 7, …), серия Пфунда: , (n= 6, 7, 8, …), серия Хэмфи:,  (n 7, 8, 9, …).

Все приведенные  выше серии в спектре атома  водорода могут быть описаны одной  ф-лой, называемой обобщенной ф-лой Бальмера:

 , где m – имеет в каждой данной серии постоянное значение, m = 1, 2, 3, 4, 5, 6 (определяет серию), n – принимает целочисленные значения, начиная с m+1 (определяет отдельные линии этой серии).

. Опыт Резерфорда. В развитии представлений о  строении атома велико значение  опытов Резерфорда по рассеянию  α-частиц в в-ве. Альфа частицы возникают при радиоактивных превращениях; они являются положительными заряженными частицами с зарядом 2е и массой, примерно в 7300 раз большей массы эл-трона. Пучки α-частиц обладают высокой монохроматичностью (для данного превращения имеют практически одну и ту же скорость

(порядка 107 м/с)). Резерфорд, исследуя прохождение  α-частиц в в-ве (через золотую фольгу толщиной примерно 1 мкм), показал, что основная их часть испытывает незначительные отклонения, но некоторые α-частицы (примерно одна из 20000) резко отклоняются от первоначального направления (углы отклонения

достигали даже1800 ). Т.к. электроны не могут существенно изменить движение столь тяжелых и быстрых частиц, как α-частицы, то Резерфордом был сделан вывод, что значительное отклонение α-частиц обусловлено их взаимодействием с положительным зарядом большой массы. Однако значительное отклонение испытывают лишь немногие α-частицы; следовательно, лишь некоторые из них проходят вблизи данного положительного заряда. Это, в свою очередь означает, что положительный заряд атома сосредоточен в объеме, очень малом по сравнению с объемом атома. На основании своих опытов Резерфорд предложил ядерную модель атома. Согласно этой модели, вокруг положи тельного ядра, имеющего заряд Ze (Z – порядковый номер эл-та в системе Менделеева, е

-- элементарный  заряд), размер 10-15 -10-14 м и массу , практически равную массе атома, в

области с линейными  размерами порядка 10-10 м по замкнутым  орбитам движутся электроны, образую  электронную оболочку атома. Так  атомы нейтральны, то заряд ядра равен суммарному заряду электронов, т.е. вокруг ядра должно вращаться Z электронов.  

3) Атомные спектры.  Сериальные формулы.  Опыты по рассеянию  альфа-частиц (опыты  Резерфорда).

Атомные спектры, спектры оптические, получающиеся при испускании или поглощении света (электромагнитных волн) свободными или слабо связанными атомами; такими спектрами обладают, в частности, одноатомные газы и пары. А. с. являются линейчатыми — они состоят из отдельных спектральных линий. А. с. наблюдаются в виде ярких цветных линий при свечении газов или паров в электрической дуге или разряде (спектры испускания) и в виде тёмных линий (спектров поглощения). Каждая спектральная линия характеризуется определённой частотой колебаний v испускаемого или поглощаемого света и соответствует определённому квантовому переходу между уровнями энергии  E_i и E_k атома согласно соотношению: hv = E_i - E_k, где h — Планка постоянная). Наряду с частотой спектральную линию можно характеризовать длиной волны l = c/v, волновым числом 1/l = v/c (c — скорость света) и энергией фотона hv. 

 А. с. возникают при переходах между уровнями энергии внешних электронов атома и наблюдаются в видимой, ультрафиолетовой и близкой инфракрасной областях. Такими спектрами обладают как нейтральные, так и ионизованные атомы; их часто называют соответственно дуговыми и искровыми спектрами (нейтральные атомы легко возбуждаются и дают спектры испускания в электрических дугах, а положительные ионы возбуждаются труднее и дают спектры испускания преимущественно в искровых электрических разрядах). Спектры ионизованных атомов смещены по отношению к спектрам нейтральных атомов в область больших частот, т. е. в ультрафиолетовую область. Это смещение тем больше, чем выше кратность ионизации атома — чем больше электронов он потерял. Спектры нейтрального атома и его последовательных ионов обозначают в спектроскопии цифрами I, II, III, ... В реально наблюдаемых спектрах часто присутствуют одновременно линии нейтрального и ионизованных атомов; так говорят, например, о линиях FeI, FeII, FeIII в спектре железа, соответствующих Fe, Fe⁺, Fe²⁺. 

 Линии А.  с. образуют закономерные группы, называются спектральными сериями.  Промежутки между линиями в  серии убывают в сторону коротких  длин волн, и линии сходятся  к границе серии. Наиболее прост  спектр атома водорода. Волновые  числа линий его спектра с  огромной точностью определяются  формулой Бальмера:

1/l = R(1/n²₁ - 1/n²₂), где n₁ и n₂ значения главного квантового числа для уровней энергии, между которыми происходит квантовый переход

Резерфорд предложил  применить зондирование атома с  помощью ?-частиц, которые возникают при радиоактивном распаде радия и некоторых других элементов. Масса ?-частиц приблизительно в 7300 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен удвоенному элементарному заряду. В своих опытах Резерфорд использовал ?-частицы с кинетической энергией около 5 МэВ (скорость таких частиц очень велика – порядка 107 м/с, но она все же значительно меньше скорости света). ?-частицы – это полностью ионизированные атомы гелия. Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых элементов (золото, серебро, медь и др.). Электроны, входящие в состав атомов, вследствие малой массы не могут заметно изменить траекторию ?-частицы. Рассеяние, то есть изменение направления движения ?-частиц, может вызвать только тяжелая положительно заряженная часть атома.  
От радиоактивного источника, заключенного в свинцовый контейнер, ?-частицы направлялись на тонкую металлическую фольгу. Рассеянные частицы попадали на экран, покрытый слоем кристаллов сульфида цинка, способных светиться под ударами быстрых заряженных частиц. Вспышки на экране наблюдались глазом с помощью микроскопа. Было обнаружено, что большинство ?-частиц проходит через тонкий слой металла, практически не испытывая отклонения. Однако небольшая часть частиц отклоняется на значительные углы, превышающие 30°. Очень редкие ?-частицы (приблизительно одна на десять тысяч) испытывали отклонение на углы, близкие к 180°. 
Этот результат был совершенно неожиданным даже для Резерфорда. Он находился в резком противоречии с моделью атома Томсона, согласно которой положительный заряд распределен по всему объему атома. При таком распределении положительный заряд не может создать сильное электрическое поле, способное отбросить ?-частицы назад. Резерфорд сделал вывод, что атом почти пустой, и весь его положительный заряд сосредоточен в малом объеме. Эту часть атома Резерфорд назвал атомным ядром. Так возникла ядерная модель атома. Вскоре опираясь на классические представления о движении микрочастиц, Резерфорд предложил планетарную модель атома. Согласно этой модели, в центре атома располагается положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Атом в целом нейтрален. Вокруг ядра, подобно планетам, вращаются под действием кулоновских сил со стороны ядра электроны Находиться в состоянии покоя электроны не могут, так как они упали бы на ядро.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Билет №19

2) Поляризация света.  Искусственная анизотропия.  Эффект Керра,  эффект 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) Квантовое усиление  и генерация света.  Инверсное состояние  вещества (методы  осуществления инверсии  населенностей). Лазеры. Рубиновый и гелий-неоновый.

При прохождении  света через среду осуществляется обмен квантами между пучком света  и атомами среды посредством  поглощения и испускания фотонов Пусть свет частоты ν распространяется вдоль оси Z через среду, в которой концентрации атомов на верхнем и нижнем уровнях равны соответственно N₁ и NТогда интенсивность пучка определяется законом Бугера: I(z)= I0 eα z ^z, где - коэффициент Эйнштейна, V - скорость света в среде, I₀=I(0). В состоянии термодинамического равновесия концентрации атомов, обладающих энергией E_i, описываются распределением Больцмана. Поэтому населенность уровня с более высокой энергией должна быть меньше, чем с низкой. Поскольку E₁>E₀, , то в этом случае N₁<N₀, т.е. α<0 и плотность по тока по мере прохождения света уменьшается. Случай α<0 соответствует поглощению света средой.

     Если  привести систему атомов в неравновесное  состояние, когда N₁>N₀, то выполнится условие α>0, и среда будет не поглощать, а усиливать излучение. Состояние среды, при котором N₁>N₀, называется состоянием с инверсной населенностью. Привести систему в неравновесное состояние можно при помощи внешних воздействий, например светового пучка, вызывающего вынужденные переходы(для систем с колличеством уровней большим 2х).

     Лазеры  имеют целый ряд преимуществ  по сравнению с не-лазерными источниками света. Излучение лазера когерентно, то есть фотоны, излучаемые лазером, идентичны по фазе, амплиту-де, направлению распространения. Поэтому оно монохроматич-но, может иметь очень высокую интенсивность и узкую направ-ленность.

     Рубиновый лазер. Рубиновый лазер работает в импульсном режиме, в качестве источника накачки используется мощная лампа-вспышка с широким спектром излучения

Гелий-неоновый лазер. Инверсия населенности в гелий-неоновом лазере достигается при помощи газового разряда. В газовом разряде электроны ускоряются электрическим полем, сталкиваются с атомами и ионизуют их, вызывая появление вторичных электронов, которые в свою очередь также ускоряются, и т. д. Часть атомов при столкновениях не ионизуется, а возбуждается. При определенных условиях доля возбужденных атомов может оказаться столь вели-ка, что возникнет инверсия населенности.