1- дәріс. Кіріспе жарықтың табиғаты жайындағы ілімнің дамуы. ХVІІ ғасырдың аяқ кезінде жарықтың табиғаты жайында екі түрлі ғылыми түсінік болды: жарықтың корпускулалық теориясы мен-жарықтың толқындық теориясы



жүктеу/скачать 5,21 Mb.
бет9/39
Дата07.02.2022
өлшемі5,21 Mb.
#83727
1   ...   5   6   7   8   9   10   11   12   ...   39
Байланысты:
лекция оптика

лм

м 2



















болады.




























1-кесте







Жарықталыну түрлері




Люкс




























1.

Күн жарығы тік түскендегі жарықталыну




105










2.

Күндіз бӛлмеде жарықталыну




102










3.

Оқуға қажет жарықталыну




30-50










4.

Нәзік жұмысқа қажет жарықталыну




102-2.102










5.

Ай толғандағы жарықталыну




0.2































  1. Жарықтылық бірлігі ретінде 1квадрат метр ауданы нормаль бағыт бойынша күші 1кд-ға тең жарық беретін беттің жарықтылығы алынады;ол (11)

формула бойынша мынаған тең:


1кд .

1м 2


Жарықтылық стильб (қысқаша сб) деп аталатын бірлікпен де ӛлшенеді.

Әр түрлі жарқырауық денелердің жарықтылықтары түрліше болады. Оны 2-кестеде келтірілген мысалдардан байқауға болады.



2-кесте




Жарық кӛздері

Жарықтылығы кд/м2
















1.

Күннің беті (атмосфераны кӛктей қарағанда)

1,5*109




2.

Кӛмір электр доға кратері

1,5*109




3.

Газ толтырулы лампаның вольфрам сымы

5*106




4.

Айдың беті (атмосфераны кӛктей қарағанда)

2,5*103




5.

Күн қашықтығы күндізгі аспан

1,5*104




6.

Жарықталынуы 30 лк ақ бет

10-1




Жарық ағынының орнына сәулелік энергия ағыны деген ұғымды пайдаланып, осы айтылған жарық шамаларына сәйкес энергетикалық жарық күші (Iэ), энергетикалық жарықталыну (Еэ), энергетикалық жарқырау (Rэ), энергетикалық жарықтылық (Вэ) деп аталатын шамалар да қалданылады. Бұлар механикалық бірліктермен ӛлшенеді. Мысалы, сәулелік энергия ағыны Вт-пен, энергетикалық



жарық күші

Вт

пен, энергетикалық жарықталыну

Вт

-пен ӛлшенеді.

стер

м 2










Жарық шамаларын өлшеу. Жарық энергиясын, оған байланысты шамаларды ӛлшеу әдістері мен тәсілдері қарастырылатын оптика тарауы фотометрия деп аталады. Жарық шамаларын тікелей кӛзбен бақылап (визуальдық әдістер қолданып) немесе басқа жарық қабылдағыштарды пайдаланып (объективті әдістер қолданып) ӛлшеуге болады. Жарық шамаларын ӛлшеуге арналған аспаптар фотометрлер деп аталады. Олар қолданылатын әдістерге сәйкес визуальдық және объективтік фотометрлер деп екі түрге бӛлінеді.

Визуальдық әдістер жапсарлас екі беттің жарықтылығын, демек олардың жарықталынуын кӛзбен бақылап салыстыруға негізделеді, адамның кӛзі бір түсті жарық түскен ондай екі беттің жарықтылығы тең екендігін дәл айыра алады. Бірқатар фотометрлердің қызмет істеуі осы принципке негізделген.




Үш жақты призмалы фотометр (5-сурет) осындай фотометрдің қарапайым түрі. Іші қарайтылған трубаның ішіне орнатылған үш жақты АВС призмасының екі жағына (бір түзу бойына) жарық күштері салыстырылатын S1 және S2 жарық кӛздері қойылады. Бұлар АВС призмадан едәуір алыс және ӛздері кішкене болса, онда (7) формула бойынша АВ және АС жақтарының жарықталынуы мынаған тең болады:






Е1=

I1

cosi,

Е2=

I

2

cosi

(14)

r 2

r

2



















1







2







мұндағы I1мен I2- алынған жарық кӛздерінің күштері; r1 мен r2 –олардың призмадан арақашықтықтары; i -жарықтың түсу бұрышы.

Жарық кӛздерінің біреуін қозғап, призмадан алыстата, не жақындата отырып, оның кӛршілес екі жағының жарықталынуын теңгеруге болады, сонда Е1= Е2 болады да (14) ӛрнектерден мынаны табамыз:


5-сурет. Үш жақты призмалы

фотометр





I

1



r 2













1

,

(15)




I

2

r 2






















2







Сӛйтіп, r1 мен

r2

аралықтарын ӛлшеп тауып, екі жарық кӛзі күштерінің

қатынасын ( I1 ) табуға болады. Егер олардың біреуінің жарық күші мәлім болса, онда I 2
екіншісінің жарық күшін есептеп таба аламыз.


Люммер-Бродхун фотометрі. Бұл фотометрдің негізгі бӛлімі Люммер күбшесі (6, а-сурет) болады. Ол күбше тік бұрышты Р1 және Р2 деп белгіленген екі шыны примадан жасалады. Олардың біреуінің (Р1-призманың) гипотенузасына сәйкес жағының шеті жұмырланып жонылған, орта жері жазық болады. Призмалар гипотенузалары бойымен бір-біріне жабыстырылып қойылған, сол жақтағы S1 жарық кӛзінен (6, б-сурет) келген жарық шоғы Е және Е1 ақ экрандардан шағылған соң күбшеге түседі, оның екі призманың тиісіп тұрған орнына түскен үлесі сынбай ӛтеді (суретте «1» деп белгіленген), Р1 призманың жонылған жердеріне түскен үлесі басқа жаққа шашырап кетеді. S2 жарық кӛзінен келген жарық шоғы да Е және Е2 экрандардан шағылған соң күбшеге түседі; оның екі призманың тиісіп тұрған орнына түскен үлесі

сынбай ӛтіп кетеді. Р2 призма бетінің тиіспей тұрған жерлеріне түскен жарық шоғы іштен толық шағылады да бірінші жарық шоғы таралған жаққа қарай таралады (суретте «2» деп белгіленген). Сӛйтіп кубшенің бір жағына қарай екі жарық кӛзінен келген жарық шоқтары таралады. Бұлардың екеуі де кӛру трубасына енеді де 1- шоқ түскен жарық дӛңгелек дақ, оны қоршаған сақина тәрізді 2- шоқ түскен белдеуше дақ кӛрінеді.





6-сурет. а) Люммер-Бродхун кубшесі


б) Люммер-Бродхун кубшесі бар фотометр

Егер бұлардың жарықталынуы тең болмаса, олардың шекаралары айқын кӛрініп тұрады, тең болса жапсары білінбейді. Ӛлшеу жүргізілгенде S1 және S2 жарық кӛздерін жылжыта отырып осы дақтардың жарықталынуы теңгеріледі, r1 мен r2 ара қашықтықтары ӛлшенеді. (7) формула бойынша алынған жарық кӛздерінің жарық күштерінің қатынасы (I1/I2) табылады. Егер бұлардың біреуінің жарық күші мәлім болса, екіншісінің жарық күшін анықтауға да болады.


Бұл айтылған визуальдық әдістер бір түсті жарықтың күштерін ӛлшеуге ғана қолданылады, бұлар түсі екі түрлі жарықтың күштерін салыстыруға жарамайды, ӛйткені түсті жарық сәулелері түскен жапсарлас екі беттің жарықтылығы бірдей екндігін тікелей кӛзбен кӛріп дәл анықтау мүмкін емес.


Объективтік әдістер қолданып жарық шамаларын ӛлшегенде кӛмекші жарық қабылдағыш, мысалы, фотоэлемент орнатылған фотометрлер пайдалынылады. Осындай фотоэлектрлік фотометрлердің қызмет істеу принципі фотоэлектрлік токтың фотоэлементке түскен жарық ағынына пропорционал болатындығына негізделген. Фотоэлементпен жалғастырылған гальванометрдің шкаласы жарық бірліктерін, мысалы, люкс санын, кӛрсетерлік етіп градуирленеді. Осындай аспап люксметр деп аталады. Люксметрдің фотографияға түсірілетін нәрсенің жарықталынуын білу үшін, демек экспозиция уақытын анықтау үшін пайдалынылатын бір түрі фотоэлектрлік экспонометр деп аталады.




4- дәріс
Жарық интерференциясы.


Moнохроматты жарықтың интерференциясы. Уақыттық және кеңістіктік когеренттілік.


Жарық интерференциясы дегеніміз-толқындар интерференциясының жалпы

құбылысының дербес жағдайы. Жарық сәулесінің энергиясы электромагниттік толқындардың суперпозициясы кезінде кеңістікте таралады. Кез келген толқындар үшін интерференция болуының қажетті шарты олардың когеренттілігінде. Когеренттілік дегеніміз - уақыт аралығында кеңістікте бірнеше тербелістердің немесе толқындық процесстердің ӛзара үйлесуі.



Тек қана жиіліктері, амплитудалары және бастапқы фазалары тұрақты және уақыт аралығында кеңістікте шектелген монохромат толқындар шын когерентті бола алады. Монохроматты толқындардың осы сипаттамалары шектелген уақытта тұрақты. Кез келген нақты жарық кӛзінен шыққан жарықтың қасиеттері осындай бола бермейді.

Алайда, осындай мәселелерді шешуге қажетті шарт толқындардың монохроматтылығында болып табылады.


Мысалы: кеңістіктің белгілі бір нүктесіне екі монохромат жарық толқыны келіп


түссін. Олардың электр ӛрістерінің кернеулігі Е1 және Е2 (ал магнит ӛрісінің кернеуліктері Н1 және Н2 векторлары). Е1 және Е2 бақылау нүктеде бір тура сызық бойында тербелістер жасайды деп келісейік.
Сонда: Е1=Е01 cos ( t+ 1)


E2=E02 cos ( t+ 2)

Мұнда Е01 және Е02, 1 және 2- тербелістердің амплитудалары және бастапқы фазалары. Қарастырып отырған нүктенің қорытынды тербелістерінің амплитудасы:




E2=E012+E022+2 E01cos ( 2- 1)

Мұндағы соңғы қосынды шоқтардың әсерлесуін ескереді және оны интерференциялық мүше деп атайды.


Толқындар когеренті болған соң соs ( 2- 1) айырмасының шамасы уақыт бойынша тұрақты, cондықтан



I=I1+I2+2




I1I2 cos ( 2- 1)

(1)




(жарық біртекті ортада таралғанда оның интерференциясы амплитуданың квадратына пропорционал I~E2).


Егер тербеліс синфазалы болса, ( 2- 1 ) фазалары бірдей немесе - дің жұп санына еселі болады. Сол кезде интенсивтілік максималды:




Imax=( I1+ I2) 2
Егер тербелістер қарама-қарсы болса, (фазалары ( 1 - 2) -дің тақ санына еселі) ол кезде интенсивтілік минималды болады.


Imin=( I1 - I2) 2
Сонымен екі (немесе бірнеше) когерентті жарық толқындары қабаттасқан кезде жарық интерференциясы байқалады. Кеңістіктегі жарық ағынының таралуы нәтижесінде, бір жерде интенсивтіліктің максимумы болады, ал басқа жерде минимумы пайда болады. Егер монохромат жарық толқындары ӛзара перпендикуляр жазықтықтарда сызықты поляризацияланған болса, онда олар бір бағытта таралса да, ӛзара интерференцияға ұшырамайды.

Когерентті емес толқындардың тербеліс фаза айырмалары хаосты ӛзгереді, сондықтан уақыт бойынша cos( 21 )-дің орташа мәні нольге тең болады. Бірінші қортынды


толқынның интенсивтілігі барлық жерде бірдей: I1 =I 2 тең болғанда интенсивтілік I=2I1

(когерентті толқындар үшін кӛрсетілген шартта максимумда I = 4I1, ал минимумдарда I=0).


Егер бір жарық кӛзінен шыққан жарықты екі шоққа, (бірнеше шоққа) бӛлсе одан кейін осы шоқтарды қайтадан бір-бірімен қосса, онда реалды жарық кӛздерінен (когерентті емес) интерференцияны бақылауға болады.


Бастапқы жарық кӛзінен алған толқындарды екі когерентті толқындарға бӛлудің екі түрі бар:


Толқындық шепті бөлу (Юнг, Френель т.б. тәжірибелер) және амплитуданы бөлу (жұқа пленкадағы интерференция т.б. ).

Бір нүктеде (тербеліс фазалары ( t)-ға тең) толқын екі когерентті толқынға бӛлінді, ал М нүктеге дейін интерференциялық бейнесі қарастырылады, бір толқын сыну



кӛрсеткіші n1

ортада s1 жол жүреді,

екінші толқын сыну кӛрсеткіші n2 ортада s2 жол

жүреді.





































01 costs1 /1 ,екінші толқын

Сонда

М нүктеде

бірінші




толқын

02 costs2 / 2  тербелістерін қоздырады; 1 = c/n2, 2 = c/n2 – бірінші және екінші

толқындардың фазалық жылдамдықтары.



















Бақылау нүктесінде толқындар қоздыратын тербелістердің фаза айырымдары:




s

2







s

1






2







2

2































s2 n2 s1 n1






L2 L1

























































0




0






2




1 










0




мұнда 0 - вакуумдағы толқын ұзындығы. / c  2 / c  2 / 0 ,

Берілген ортада жарық толқынының ұзындығы S -пен осы ортаның сыну кӛрсеткіші – n-нің кӛбейтіндісі жолдың оптикалық ұзындығы деп, ал  L2 L1 оптикалық


ұзындықтың айырымы – жолдың оптикалық айырымы деп аталады.


Егер вакуумда оптикалық жол айырымы толқын ұзындығының бүтін санына тең болса,





m0 m 0,1,2,

(2)

онда 2m және М нүктеде қоздырылған тербеліс бір фазада болады. Сондықтан



(2)-ші ӛрнек интерференцияның максимумына сәйкес.







Егер оптикалық жол айырымы







2m 1

0

( m=0,1,2)

(3)




2







онда (2m 1) , және М нүктеде екі толқынмен қоздырылған тербеліс қарама-

қарсы фазада болады. Осыдан (3) –ші ӛрнек интерференцияның минимумына сәйкес болады.




Уақыттық және кеңістіктік когеренттілік

Әр түрлі интерференциялық сұлбаларды (схемаларды) бейнелегенде кӛбінесе жарық кӛзі нүктелі болып есептелінеді, ал оның сәулесі монохроматты болады. Онда қабаттасқан тербелістер уақыт аралығында тұрақты жиілікпен, амплитудамен және бастапқы фазамен сипатталған синусоидалық функция түрінде жазылады. Алынған интерференциялық бейненің мӛлшері ӛлшемсіз шамамен - контрастылықпен сипатталады:


К=(Imax-Imin)/(Imax+Imin)
Мұндағы Imax және Imin - интерференциялық максимум мен минимумдағы жарық интенсивтілігіне сәйкес келеді. Егер Imin = 0 болса, онда К = 1, яғни контрастылық макси-малды. Алайда мұндай контрастылық екі себеппен байқалынбайды:



  1. Нақты жарық кӛзінің ӛзінің біраз ұзындығы болады.

  2. Нақты жарық кӛзінің сәулесі монохроматты бола алмайды.

Жарық кӛзінің сәулеленуі кӛптеген атомдардан шығатын толқындардан құралады. Кез келген атом жарықты жеке қысқа импульстар - толқындық цугтар түрінде шығарады. Олардың ұзақтығы 10-8с-тан аспайды. Жеке цугтар арасында сәйкестік болмай-ды, яғни олар когерентті емес. Осы себептен макроскопиялық кӛзден шыққан жарық монохроматты болмайды.


Монохроматты емес жарықты бір-бірін ауыстыратын тәуелсіз цугтардың жиынтығы
ретінде кӛрсетуге болады. Бір цугтың орташа ұзақтығы τс - когеренттілік уақытпен
анықталады;

егер толқынды екі шоққа бӛлгеннен кейін оның біреуінің кешігу уақыты жеке цугтың ұзақтығынан үлкен болса, онда осындай екі шоқтар интерфереция бермейді, яғни олар ӛзара когерентті болмайды.


Сондықтан когеренттілік тек бір цуг шегінінің ішінде болады және когеренттілік уақыты атомның жарықтану уақытынан артық болмайды: τс<τ. Толқын вакуумда когеренттілік уақыты бойынша с ара қашықтық ӛтеді. Осы ара қашықтықты когеренттілік ұзындығы деп атайды:
с<с·τс (1)
Есептеулер бойынша когеренттік уақыт пен спектр интервалының ені келесі
қатынаспен байланысты τс=1/Δν,

ал толқын ұзындығы λ=с/ν тең болғандықтан, жарық кӛзінен шыққан спектр интервалының ені толқын ұзындығымен ӛлшегенде тӛмендегідей жазылады:





  • =с/2= 2/с




Егер қарастырылып отырған диапазонда толқынның орташа ұзындығын белгілесек, онда


 ор-мен




τ с=λ2


op/(cΔλ),


c=c/Δν


=λ2


op


/Δλ

(2)




2-ші теңдеуден келесі қорытынды шығады: спектрлік интервал неғұрлым Δλ – дан кіші болса, басқаша айтқанда жарық монохроматтылыққа жақын болса, соғұрлым когеренттік уақыт τс үлкен болады. Осыдан когеренттік ұзындық та - с үлкен болады. Күннің жарығы (үздіксіз спектрдің жиілігі 4•1014-нен 8•1014гц-ке дейін) мен жылу кӛзі үшін (спектр сызығының ені ≈108гц)τс≈10-8с, лазер үшін (спектр сызығының ені ≈102гц)


τс≈10-2с тең.



жүктеу/скачать 5,21 Mb.

Достарыңызбен бөлісу:
1   ...   5   6   7   8   9   10   11   12   ...   39



©engime.org 2024
әкімшілігінің қараңыз
    Басты бет