2. Микроскоп.

Микроско́п (греч. μικρός — маленький и σκοπέω — смотрю) — прибор, предназначенный для получения увеличенных изображений, а такжеизмерения объектов или деталей структуры, невидимых или плохо видимых невооружённым глазом.

Совокупность технологий изготовления и практического использования микроскопов называют микроскопией.

3. Телескоп-рефрактор.

Телескоп-рефрактор— оптический телескоп, в котором для собирания света используется система линз, называемая объективом. Работа таких телескопов обусловлена явлением рефракции (преломления).

Петрикова

Волновые свойства света.

1. С вет – электромагнитные волны длиной от 380 до 780 нм. Следовательно, свет обладает такими свойствами, как интерференция и дифракция.

2. Интерференция волн – явление наложения волн, вследствие которого наблюдается устойчивое во времени усиление или ослабление результирующих колебаний в различных точках пространства. Интерференция наблюдается лишь при наложения когерентных волн – волн с одинаковой частотой, поляризацией и постоянной разностью фаз. Геометрическая разность хода интерферирующих волн и условия максимума и минимума: Δ_max=mλ, Δ_min=(2m+1)λ /2 , где m=0, ±1, ±2…

3. Дифракция волн – огибание волнами препятствия. Условие дифракции: размеры препятствия должны быть соизмеримы с длиной волны.

4. В первые интерференцию света наблюдал Томас Юнг. Когерентные источники света он получил от одного источника, используя ширмы с одним и двумя отверстиями. Щели, в следствии дифракции, давали расходящиеся пучки. При наложении расходящихся пучков от двух щелей во второй ширме образовалась интерференционная картина – чередование максимумов и минимумов интенсивности. Интенсивность света в области наложения волн имеет характер чередующихся светлых и темных полос, причем в максимумах интенсивность больше, а в минимумах меньше суммы интенсивностей волн: I_max=I₁+I₂+2√ I₁*I₂, I_min=I₁+I₂–2√ I₁*I₂. При использовании белого света интерференционные полосы оказываются окрашенными в различные цвета спектра.

5. С интерференционными явлениями мы сталкиваемся довольно часто: цвета масляных пятен на асфальте, окраска замерзающих оконных стекол, причудливые цветные рисунки на крыльях некоторых бабочек и жуков – все это проявление интерференции света. Интерференция света от мыльной или масляной плёнки толщиной h наблюдается при наложении световых пучков отражённых от верхней и нижней границы плёнки. 2h = kλ – условие максимума данного цвета. В зависимости от толщины плёнки наблюдается максимум интенсивности одного цвета и минимум другого. А так как толщина мыльного пузыря всё время меняется, то и цвета мыльной плёнки меняются. Интерференция света от плёнки используется для просветления оптики – линзу покрывают тонкой плёнкой с показателем преломления меньше чем у стекла. Толщину плёнки рассчитывают для гашения жёлто-зелёной части спектра. Таким образом, эта часть спектра, наиболее чувствительная для глаз, не отражается. Отражаются лишь фиолетовые лучи, поэтому «просветлённая» оптика имеет фиолетовый цвет.

6. И нтерференцию света от тонкой линзы наблюдал Ньютон. Если линза была правильной, то вокруг точки её касания с плоскостью наблюдались цветные и тёмные кольца, которые называют кольцам Ньютона. Радиус колец определяется по формуле где m – номер кольца, а R – радиус кривизны линзы. Это явление используют для определения длины световой волны

7. Д ифракция света – нарушение целостности волнового фронта, вызванное резкими неоднородностями среды В результате дифракции происходит огибание волной препятствия, если размеры препятствия соизмеримы с длиной волны. Дифракцию можно наблюдать от щели и от тени. 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. Внешне дифракционная картина напоминает интерференционную. Главный дифракционный максимум – центральный (между двумя первыми минимумами). Объяснить явление дифракции поможет принцип Гюйгенса-Френеля «Возмущение в любой точке пространства является результатом интерференции когерентных вторичных волн, излучаемых каждой точкой фронта волны». Дифракция света объясняет тот факт, что оптические приборы (микроскопы, телескопы) имеет предел увеличения, т. к. чёткого изображение малых объектов (соизмеримых с длиной световой волны) из-за дифракции получить невозможно.

8. Дифракционная картина от одной щели слаба и невыразительна. Яркую дифракционную картину можно получить от множества щелей. Дифракционная решётка представляет собой совокупность большого числа узких щелей, разделённых непрозрачными промежутками . Величина, равная расстоянию от щели до щели называется периодом решётки. Дифракционная решётка служит для разложения света в спектр и измерения длины волны. Решетки представляют собой периодические структуры, выгравированные специальной делительной машиной на поверхности стеклянной или металлической пластинки. У хороших решеток на каждый миллиметр приходится до 2000 штрихов. При этом общая длина решетки достигает 10–15 см. Изготовление таких решеток требует применения самых высоких технологий. На практике применяются также и более грубые решетки с 50 – 100 штрихами на миллиметр, нанесенными на поверхность прозрачной пленки. В качестве дифракционной решетки может быть использован кусочек компакт-диска или даже осколок граммофонной пластинки.

9. Н а рисунке изображена схема получения дифракционной картины на экране. Если разность хода параллельных лучей от разных щелей равна целому числу волн, то при наложении их на экране наблюдается максимум интенсивности. Главный максимум наблюдается в центре дифракционной картины в виде светлого пятна. От него идут 1, 2, и т.д. максимумы. Если разность хода равна нечётному числу полуволн, то наблюдается минимум. Максимум дифракционной решёткиnопределяется условием dSin(α) = mλ, где m – порядок максимума m =0, ±1, Sin(α)=tg (α)=a/b (при малых углах). Интенсивность света в главном дифракционном максимуме зависит от числа щелей I=N²*I₀ (N – число щелей, I₀– интенсивность от одной щели).

Дифракционный спектр от дифракционной решётки

ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЕТКА   На явлении дифракции основано устройство замечательного оптического прибора – дифракционной решетки.      Дифракционная решетка представляет собой совокупность большого числа очень узких щелей, разделенных непрозрачными промежутками (рис. 32) Хорошую решетку изготовляют с помощью специальной делительной машины, наносящей на стеклянной пластине параллельные штрихи. Число штрихов доходит до нескольких тысяч на 1 мм; общее число штрихов превышает 100000. Просты в изготовлении желатиновые отпечатки с такой решетки, зажатые между двумя стеклянными пластинами. Наилучшими качествами обладают так называемые отражательные решетки. Они представляют собой чередующиеся участки, отражающие свет и рассеивающие его. Рассеивающие свет штрихи наносятся резцом на отшлифованной металлической пластине. Рис. 32      Если ширина прозрачных щелей (или отражающих полос) равна а, а ширина непрозрачных промежутков (или рассеивающих свет полос) b, то величина d=a+b называется периодом решетки. Рассмотрим элементарную теорию дифракционной решетки. Пусть на решетку (рис. 33) падает плоская монохроматическая волка длиной . Рис. 33      Вторичные источники в щелях создают световые волны, распространяющиеся по всем направлениям. Найдем условие, при котором идущие от щелей волны усиливают друг друга. Рассмотрим для этого волны, распространяющиеся в направлении, определяемом углом . Разность хода между волнами от краев соседних щелей равна длине отрезка АС. Если на этом отрезке укладывается целое число длин волн, то волны от всех щелей, складываясь, будут усиливать друг друга. Из треугольника АВС можно найти длину катета АС: АС = АВ  sin = d  sin      Максимумы будут наблюдаться под углом , определяемым условием d  sin = k  (1.13) где k = 0, 1, 2, … .      Нужно иметь в виду, что при выполнении условия (1.13) усиливаются не только волны, идущие от нижних (по рисунку) краев щелей, но и волны, идущие от всех других точек щелей. Каждой точке в первой щели соответствует точка во второй щели, находящаяся от первой точки на расстоянии d. Поэтому разность хода испущенных этими точками вторичных волн равна k, и эти волны взаимно усиливаются.      За решеткой помещают собирающую линзу и за ней экран на фокусном расстоянии от линзы. Линза фокусирует лучи, идущие параллельно, в одной точке. В этой точке происходит сложение волн и их взаимное усиление. Углы , удовлетворяющие условию (1.13), определяют положение максимумов на экране.      Так как положение максимумов (кроме центрального, соответствующего k = 0) зависит от длины волны, то решетка разлагает белый свет в спектр (рис. IV, 1 спектры второго и третьего порядков перекрываются). Чем больше , тем дальше располагается тот или иной максимум, соответствующий данной длине волны, от центрального максимума (рис. IV, 2 и 3). Каждому значению k соответствует свой спектр.      Между максимумами расположены минимумы освещенности. Чем больше число щелей, тем более резко очерчены максимумы и тем более широкими минимумами они разделены. Световая энергия, падающая на решетку, перераспределяется ею так, что большая ее часть приходится на максимумы, а в минимумы попадает незначительная часть энергии.      С помощью дифракционной решетки можно производить очень точные измерения длины волны. Если период решетки известен, то определение длины волны сводится к измерению угла , соответствующею направлению на максимум.      Наши ресницы с промежутками между ними представляют собой грубую дифракционную решетку. Поэтому если посмотреть, прищурившись, на яркий источник света, то можно обнаружить радужные цвета. Белый свет разлагается в спектр при дифракции вокруг ресниц. Долгоиграющая пластинка с ее бороздками, проходящими близко друг от друга, подобна отражательной дифракционной решетке. Если вы посмотрите на отраженный ею свет от электрической лампочки, то обнаружите разложение света в спектр. Можно наблюдать несколько спектров, соответствующих разным значениям k.      Картина будет очень четкой, если свет от лампочки надает на пластинку под большим углом. Множество узких щелей на небольшом расстоянии друг от друга образует замечательный оптический прибор - дифракционную решетку. Решетка разлагает свет в спектр и позволяет очень точно измерять длины световых волн.

Кванты.

Именно для света, а, точнее, для электромагнитного поля, была впервые предложена идея квантового описания. Эту идею в 1900. Выдвинул Макс Планк, предположив, что излучение света происходит порциями – квантами. Это предположение многим казалось парадоксальным, но оно стало спасительным для целого раздела оптики. Оно позволило объяснить форму спектра излучения нагретых тел, которую ранее объяснить не удавалось. Предыдущие попытки рассчитать спектр излучения приводили к тому, что в области малых длин волн, т.е. в ультрафиолетовой части спектра, возникали неограниченно большие значения – расходимости. Разумеется, в эксперименте никаких расходимостей не наблюдалось, и это несоответствие между теорией и экспериментом получило название «ультрафиолетовой катастрофы». Предположение о том, что излучение света происходит порциями, позволило убрать расходимости в теоретически рассчитанных спектрах и, тем самым, избавить физику от «ультрафиолетовой катастрофы».

Кроме спектров излучения, в физике оставалось еще одно неясное место, а именно, явление фотоэффекта Было неясно, почему кинетическая энергия электронов, выбиваемых светом из металла, зависит от частоты света. Более того, свет с достаточно малой частотой вообще не способен вызвать фотоэффект. Поскольку малая частота света соответствует красной части спектра, то это явление называют красной границей фотоэффекта. В 1905 Альберт Эйнштейн использовал для объяснения фотоэффекта гипотезу квантов. Идея Эйнштейна заключалась в том, что каждому электрону достается одна-единственная порция энергии – один квант. И если энергия этого кванта мала, ее просто нехватает для выхода электрона из металла. На основе этой идеи Эйнштейн развил теорию фотоэффекта, которая прекрасно подтвердилась экспериментальными данными.

Теперь оказалось, что свет и излучается, и поглощается порциями. Это побудило Эйнштейна предположить, что свет всегда имеет дискретную структуру. Эта замечательная идея была лишь гипотезой: ведь из того, что поглощение и излучение света происходит порциями, еще не следует, что свет и существует только в виде порций. Но именно эта идея оправдывает название «квантовая оптика», и именно с развитием квантовой оптики появились более веские аргументы в пользу квантовой природы света.