По мере увеличения угла падения увеличивается и угол преломления. При некотором значении угла падения aпр(назовем его предельным) преломленный луч распространяется вдоль границы раздела (b= p/2). Если световой луч пустить на границу под углом a > aпр, то он вообще не проникает во вторую среду. Вся световая энергия отражается, что и является полным внутренним отражением. Условия наблюдения явления полного внутреннего отражения:
- n1 < n2, т.е. свет идет из среды более плотной в среду менее плотную;
- угол падения больше предельного угла a> aпр. При этом выполняется соотношение: sin(aпр) = n2/n1.
87. Неоднородные электромагнитные волны при полном внутреннем отраженииДанное соотношение по математической форме крайне походит на выражение для комплексной амплитуды плоской волны, распространяющейся в среде с потерями, тем не менее, между ними имеется принципиальная разница, так как в выражении вдоль координаты z происходит экспоненциальное уменьшение амплитуды волны, в тот момент как волна распространяется вдоль координаты y. Эти волны имеют название неоднородных плоских волн. Неоднородная плоская волна с физической точки зрения распространяется вдоль границы раздела, как бы немного «прилипая» к ней. Выявленная особенность предоставляет основание назвать такие волны поверхностными волнами.
88. Интегральная и волоконная оптикаИнтегральная оптика – это новая область прикладной физики, возникшая на границе волновой оптики, радиотехники и квантовой электроники. Она занимается исследованием особенностей распространения электромагнитных волн оптического диапазона в тонких плоских диэлектрических слоях, так называемых пленочных волноводах, проблемами ввода-вывода излучения в такие волноводы, с также вопросами генерирования и управления светом в тонких пленках (модуляция, детектирование и т.д.) с целью создания интегрально-оптических схем, аналогичных по своему функциональному назначению полупроводниковым ИС. В отличие от интегральной электроники ИО использует в качестве переносчика информации не поток электронов, а поток фотонов. Это обеспечивает основное ее преимущество: более высокое быстродействие и широкополосность устройств и их нечувствительность к электромагнитным помехам.
Волоконная оптика – это совокупность методов и средств передачи оптического излучения с помощью тонких цилиндрических диэлектрических волноводов. Передача сигналов происходит с предельно низкими потерями энергии. На основе волоконной оптики строятся волоконно-оптические системы передачи (ВОСП), осуществляющие передачу и обработку оптических сигналов. В состав ВОСП кроме волоконного кабеля входит большое число таких оптических устройств, как устройства ввода излучения; соединители; изоляторы (вентили); мультиплексоры и демультиплексоры; разветвители и др. Кроме того, обязательными элементами являются источник излучения (лазер или светодиод) и фотоприемник.
89. Световоды
СВЕТОВОД (волновод оптический) - закрытое устройство для направленной передачи света. В открытом пространстве передача света возможна только в пределах прямой видимости и ограничивается нач. расходимостью излучения, поглощением и рассеянием в атмосфере. Переход к С. позволяет значительно уменьшить потери световой энергии при её передаче на большие расстояния, а также передавать световую энергию по криволинейным трассам. Разработаны разнообразные типы С., среди них - линзовые (зеркальные) С., представляющие собой систему заключённых в трубу и расположенных на определённых расстояниях линз (зеркал), полые металлич. трубы и др., однако они не нашли широкого применения.
Наиб. перспективный и широко применяемый в настоящее время (1990-е гг.) тип С.- гибкий диэлектрич. волоконный С. с низкими оптич. потерями, позволяющий передавать свет на большие расстояния. В простейшем варианте он представляет собой тонкую нить из оптически прозрачного материала, сердцевина к-рой радиуса a 1 имеет показатель преломления n1, а оболочка с радиусом а2 имеет показатель преломления п2 <п1. В приближении геом. оптики лучи, входящие в сердцевину под достаточно малыми углами к оси С., испытывают полное внутреннее отражение на поверхности раздела сердцевины и оболочки и распространяются только по сердцевине.
90. Волоконно-оптическая связь — вид проводной электросвязи, использующий в качестве носителя информационного сигнала электромагнитное излучение оптического (ближнего инфракрасного) диапазона, а в качестве направляющих систем — волоконно-оптические кабели. Благодаря высокой несущей частоте и широким возможностям мультиплексирования, пропускная способность волоконно-оптических линий многократно превышает пропускную способность всех других систем связи и может измеряться терабитами в секунду. Малое затухание света в оптическом волокне обуславливает возможность применения волоконно-оптической связи на значительных расстояниях без использования усилителей. Волоконно-оптическая связь свободна от электромагнитных помех и весьма труднодоступна для несанкционированного использования — незаметно перехватить сигнал, передаваемый по оптическому кабелю технически крайне сложно. В основе волоконно-оптической связи лежит явление полного внутреннего отражения электромагнитных волн на границе раздела диэлектриков с разными показателями преломления. Оптическое волокно состоит из двух элементов — сердцевины, являющейся непосредственным световодом, и оболочки. Показатель преломления сердцевины несколько больше показателя преломления оболочки, благодаря чему луч света, испытывая многократные переотражения на границе сердцевина-оболочка, распространяется в сердцевине, не покидая её.
91. Волоконно-оптические гироскопы(ВОГ) — это оптико-электронный прибор, измеряющий абсолютную (относительно инерциального пространства) угловую скорость. В оптическом гироскопе широкое применение находят частотные и фазовые модуляторы. Первого типа модуляторы переводят фазу Саньяка в переменные изменения разности частот противоположно бегущих лучей; при компенсации фазы Саньяка разностная частота пропорциональна угловой скорости вращения Ω. Достоинством частотных модуляторов при использовании в ВОГ является представление выходного сигнала в цифровом виде.
Второго типа модуляторы переводят фазу Саньяка в изменение амплитуды переменного сигнала, что исключает низкочастотные шумы и облегчает измерение информационного параметра.
Частотные модуляторы основаны на акустооптическом эффекте, который состоит в том, что при прохождении в среде ультразвуковых колебании в ней появляются области с механическими напряжениями(области сжатия и разряжения), это приводит к изменению коэффициента преломления среды. Вызванные ультразвуковой волной изменения коэффициента преломления среды образуют центры дифракции для падающего света. Частотный сдвиг света определяется частотой ультразвуковых колебаний.
92. Прикладные вопросы атомной физики и физической оптики.
=(
93. Свет и цвет в природеСвет — это видимое излучение, т. е. электромагнитные волны в интервале частот, воспринимаемых человеческим глазом (7,5- 10м...4,3- 10м Гц) Цвет — одно из свойств материального мира, воспринимаемое как осознанное зрительное ощущение. Тот или иной цвет «присваивается» человеком объектам в процессе их зрительного восприятия. В подавляющем большинстве случаев цветовое ощущение возникает в результате воздействия на глаз потоков электромагнитного излучения из диапазона длин волн, в котором по излучение воспринимается глазом (видимый диапазон — длины волн от 380 до 760 нм).
94. Восприятие светаСпособность глаза воспринимать свет и распознавать разл. степени его яркости называется светоощущением, а способность приспосабливаться к разной яркости освещения — адаптацией глаза; световая чувствительность оценивается величиной порога светового раздражителя. Человек с хорошим зрением способен разглядеть ночью свет от свечи на расстоянии нескольких километров. Однако световая чувствительность зрения многих ночных животных (совы, грызуны) гораздо выше. Максимальная световая чувствительность достигается после достаточно длительной темновой адаптации. Её определяют под действием светового потока в телесном угле 50° при длине волны 500 нм (максимум чувствительности глаза). В этих условиях пороговая энергия света около 10−9 эрг/с, что эквивалентно потоку нескольких квантов оптического диапазона в секунду через зрачок. Максимальные изменения зрачка для здорового человека — от 1,8 мм до 7,5 мм, что соответствует изменению площади зрачка в 17 раз[11]. Однако, реальный диапазон изменения освещённости сетчатки ограничивается соотношением 10:1, а не 17:1, как следовало бы ожидать исходя из изменений площади зрачка. На самом деле освещённость сетчатки пропорциональна произведению площади зрачка, яркости объекта и коэффициенту пропускания глазных сред[12].Вклад зрачка в регулировку чувствительности глаза крайне незначителен. Весь диапазон яркостей, которые наш зрительный механизм способен воспринять, огромен: от 10−6 кд·м² для глаза, полностью адаптированного к темноте, до 106 кд·м² для глаза, полностью адаптированного к свету[13][14] Механизм такого широкого диапазона чувствительности кроется в разложении и восстановлении фоточувствительных пигментов в фоторецепторах сетчатки — колбочках и палочках. Чувствительность глаза зависит от полноты адаптации, от интенсивности источника света, длины волны и угловых размеров источника, а также от времени действия раздражителя. Чувствительность глаза понижается с возрастом из-за ухудшения оптических свойств склеры и зрачка, а также рецепторного звена восприятия.
95. Фотохимия зренияПри оптимальных условиях одиночный фотон света (самая малая квантовая единица световой энергии) может вызвать в палочке доступный для измерения рецепторный потенциал, равный примерно 1 мВ. Достаточно всего 30 фотонов света, чтобы вызвать половинное насыщение палочки (рецепторный потенциал, равный половине максимально возможного). Как такое небольшое количество света вызывает такой мощный эффект? Ответ в том, что фоторецепторы имеют чрезвычайно чувствительный каскад, усиливающий эффект стимуляции примерно в миллион раз, а именно:
1. Фотон активирует электрон в 1 цис-ретинале родопсина, что ведет к образованию метародопсина II, т.е. активной формы родопсина.
2. Активированный родопсин функционирует как фермент, активирующий много молекул трансдуцина (белка, присутствующего в неактивной форме в мембранах дисков и клеточной мембране палочек). 3. Активированный трансдуцин активирует гораздо больше молекул фосфодиэстеразы. 4. Активированная фосфодиэстераза сразу гидролизует много молекул циклического гуанозинмонофосфата, таким образом разрушая его. До этого цГМФ был связан с белком натриевого канала наружной мембраны палочки, в известном смысле «фиксируя» этот белок в открытом состоянии. Но на свету, когда фосфодиэстераза гидролизует цГМФ, эта фиксация прекращается, и каналы для натрия закрываются. Несколько сотен каналов закрывается в ответ на каждую изначально активированную молекулу родопсина. Поскольку поток ионов Na+ через каждый из этих каналов в темноте был чрезвычайно быстрым, закрытие каждого канала блокирует вход более миллиона ионов Na+ на все время, пока канал не откроется снова. Именно это уменьшение тока ионов Na+ через мембрану и вызывает возбуждение палочки. 5. В течение примерно секунды другой фермент, всегда присутствующий в палочке, — родопсинкиназа — инактивирует активированный родопсин (метародопсин II), и весь каскад возвращается к нормальному состоянию с открытыми натриевыми каналами. Таким образом, в палочках функционирует важный химический каскад, который усиливает действие одиночного фотона света, вызывая движение миллионов ионов Na. Это объясняет чрезвычайную чувствительность палочек в условиях полной темноты.
Колбочки в 30-300 раз менее чувствительны, чем палочки, но даже в этом случае возможно цветовое зрение при любой интенсивности света (если она больше, чем очень густые сумерки).
96. Смешение света и смешение красок Человеческий глаз не способен реагировать по-разному на все сочетания световых лучей, которые попадают на его поверхность, поскольку в сетчатке глаза есть только три вида колбочек-клеток, воспринимающих цвет. Например, при относительно слабом освещении человек видит желтый цвет, если в глаз попадает небольшая часть лучей из желтой области спектра. Но точно так же глаз реагирует и на определенные смеси красных и зеленых лучей. Белый солнечный свет состоит из всех лучей спектра, однако хороший белый свет можно получить также при смешении лучей только двух длин волн — из красной и сине-зеленой частей спектра. Каждый воспринятый глазом цвет может соответствовать огромному количеству сочетаний длин волн, более того, ограниченное число цветных световых лучей с данной длиной волны может дать при смешении в различных пропорциях почти любой цвет. Это факт первостепенной важности для полиграфистов и дизайнеров, так как на нем основаны практически все современные методы воспроизведения цвета на мониторе и бумаге.
97. Получение цветного изображения в электронно-лучевых трубках
Для получения цветных изображений с высокой разрешающей способностью кинескоп разрабатывается таким образом, что центральный луч возбуждает зеленый люминофор, а синий и красный люминофоры возбуждаются соответственно боковыми лучами. Таким образом, сочетание трехлучевой оптической системы с одним прожектором со щелевой маской дает существенный выигрыш по яркости по сравнению с масочным кинескопом.
98. Оптика жидких кристаллов
Жи́дкие криста́ллы (сокращённо ЖК) — это фазовое состояние, в которое переходят некоторые вещества при определенных условиях (температура, давление, концентрация в растворе). Жидкие кристаллы обладают одновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия). По структуре ЖК представляют собой вязкие жидкости, состоящие из молекул вытянутой или дискообразной формы, определённым образом упорядоченных во всем объёме этой жидкости. Наиболее характерным свойством ЖК является их способность изменять ориентацию молекул под воздействием электрических полей, что открывает широкие возможности для применения их в промышленности. По типу ЖК обычно разделяют на две большие группы: нематики и смектики. В свою очередь нематики подразделяются на собственно нематические и холестерические жидкие кристаллы.
99. Жидкокристаллические индикаторы, матрицы и дисплеи
В настоящее время жидкокристаллические индикаторы являются наиболее распространённым видом индикаторов. Хотя сами жидкие кристаллы (ЖК) были известны химикам еще с 1888 г., но только 1960-х годов началось их практическое использование. В 1990 г. Де Жен получил Нобелевскую премию за теорию жидких молекулярных кристаллов.Принципы работы жидкокристаллических индикаторов
Термином жидкий кристалл обозначается мезофаза между твердым состоянием и изотропным жидким состоянием, при этом мезофаза сохраняет фундаментальные свойства присущие двум состояниям материи. Жидкие кристаллы, с одной стороны, обладает текучестью как изотропная жидкость, с другой стороны, сохраняет определенный порядок в расположении молекул (как кристалл).
Жидкокристаллический дисплей (ЖК-дисплей, ЖКД, англ. Liquid crystal display, LCD), также жидкокристаллический монитор (ЖК-монитор) — плоский дисплей на основе жидких кристаллов, а также монитор на основе такого дисплея.
100. Оптические запоминающие устройства.
Запоминающие устройства, в которых, по крайней мере, один из видов обращения к информации (запись, считывание или стирание), осуществляется с использованием оптического излучения. В состав Оптических запоминающих устройств входят: источник и приёмник излучения, оптическая запоминающая среда (носитель данных), модулятор света, дефлектор, объективы, зеркала и другие устройства управления световым лучом. Оптические запоминающие устройства различают: по способу представления информации на носителе (побитный или голографический); по типу используемого носителя данных (диск, лента, фиш); по способу доступа к информации (последовательный или прямой); по типу источника излучения (когерентный или некогерентный).
Простейшим является Оптические запоминающие устройства с побитным представлением информации и последовательным способом доступа к ней. В качестве носителя данных используют оптические диски или ленты. В дисковом устройстве световой луч от источника излучения (лазера) фокусируют на поверхность носителя данных с помощью микрообъектива. Считывание информации с кольцевой дорожки диска осуществляют последовательно (бит за битом) с помощью фотоприёмника. В устройствах на ленте с построчной записью информации увеличенное изображение строки проецируется с ленты на линейку фотоприёмников с количеством элементов, равным количеству бит в строке, что позволяет осуществлять параллельное считывание нескольких разрядов.
101. Магнитооптическая память
Магнитооптическая память (англ. magnetooptics storage) — вид памяти, использующий магнитный материал, запись данных на который возможна только при нагреве до температуры Кюри (порядка 1450 °C), осуществляемом в точке записи лучом лазера (объём записи на стандартные 3.5 и 5.25 дюймовые гибкие диски составляет при этом соответственно до 600 Мб и 1.3 Гб, существовали и MO диски меньшего объёма).
102. Голограммы ГОЛОГРАФИЯ(от греч. холос – полный играфо – пишу) – способ получения объемных изображений предметов на фотопластинке (голограмме) при помощи когерентного излучения лазера. Голограмма фиксирует не само изображение предмета, а структуру отраженной от него световой волны (ее амплитуду и фазу). Для получения голограммы необходимо, чтобы на фотографическую пластинку одновременно попали два когерентных световых пучка: предметный, отраженный от снимаемого объекта, и опорный – приходящий непосредственно от лазера. Свет обоих пучков интерферирует, создавая на пластинке чередование очень узких темных и светлых полос – картину интерференции.
На экспонированной таким образом и проявленной пластинке отсутствует какое-либо изображение, однако его в зашифрованном виде содержит система интерференционных полос, и если голограмму просветить, как диапозитив, лазерным светом той же частоты, что была использована при записи, возникнет «восстановленная голограмма» – объемное изображение снятого предмета, словно висящего в пространстве. Меняя точку наблюдения, можно заглянуть за предметы на первом плане и увидеть детали, ранее скрытые от взгляда, Свет, проходя сквозь систему черно-белых полос голограммы, испытывает дифракцию и воспроизводит волновой фронт, исходивший от снятого предмета. Аналогичным образом лазерный луч, пропущенный сквозь отверстие очень малого диаметра, даст на фотопластинке, поставленной за отверстием, систему колец (так называемые «кольца Френеля»). А световой пучок, проходящий сквозь их изображение («зонную пластинку»), сойдется в точку. Кольца Френеля представляют собой простейшую голограмму – голограмму точки.
103. ВидеодискиDVD (ди-ви-ди́, англ. Digital Versatile Disc — цифровой многоцелевой диск; также англ. Digital Video Disc — цифровой видеодиск) — носитель информации, выполненный в форме диска, имеющего такой же размер, как и компакт-диск, но более плотную структуру рабочей поверхности, что позволяет хранить и считывать больший объём информации за счёт использования лазера с меньшей длиной волны и линзы с большей числовой апертурой.
Для считывания и записи DVD используется красный лазер с длиной волны 650 нм. Шаг дорожки — 0,74 мкм, это более чем в два раза меньше, чем у компакт-диска. Записанный DVD, как и компакт-диск — пример дифракционной решётки с периодом, равным шагу дорожки.
104. Атомы, молекулы, фотоны. А́том — наименьшая химически неделимая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств[1]. Атом состоит из атомного ядра и электронов. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов. Если число протонов в ядре совпадает с числом электронов, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называется ионом. Атомы классифицируются по количеству протонов и нейтронов в ядре: количество протонов определяет принадлежность атома некоторому химическому элементу, а число нейтронов — изотопу этого элемента. Атомы различного вида в разных количествах, связанные межатомными связями, образуют молекулы. Моле́кула— электрически нейтральная частица, состоящая из двух или более связанных ковалентными связями атомов[1], наименьшая частица химического вещества, обладающая всеми его химическими свойствами[2]. Фото́н (от др.-греч. φῶς, род. пад. φωτός, «свет») — элементарная частица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле — света). Это безмассовая частица, способная существовать только двигаясь со скоростью света. Электрический заряд фотона также равен нулю. Фотон может находиться только в двух спиновых состояниях с проекцией спина на направление движения (спиральностью) ±1. Этому свойству в клас-кой электродинамике соответствует круговая правая и левая поляризация электромагнитной волны.
105. Ядерная модель атомаПервая попытка создания модели атома на основе накопленных экспериментальных данных (1903 г.) принадлежит Дж. Томсону. Он считал, что атом представляет собой электронейтральную систему шарообразной формы радиусом, примерно равным 10–10 м. Положительный заряд атома равномерно распределен по всему объему шара, а отрицательно заряженные электроны находятся внутри него (рис. 6.1.1). Для объяснения линейчатых спектров испускания атомов Томсон пытался определить расположение электронов в атоме и рассчитать частоты их колебаний около положений равновесия. Однако эти попытки не увенчались успехом. Через несколько лет в опытах великого английского физика Э. Резерфорда было доказано, что модель Томсона неверна.
Первые прямые эксперименты по исследованию внутренней структуры атомов были выполнены Э. Резерфордом и его сотрудниками Э. Марсденом и Х. Гейгером в 1909–1911 годах. Резерфорд предложил применить зондирование атома с помощью α-частиц, которые возникают при радиоактивном распаде радия и некоторых других элементов. Масса α-частиц приблизительно в 7300 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен удвоенному элементарному заряду. В своих опытах Резерфорд использовал α-частицы с кинетической энергией около 5 МэВ (скорость таких частиц очень велика – порядка 107 м/с, но все же значительно меньше скорости света). α-частицы – это полностью ионизированные атомы гелия. Они были открыты Резерфордом в 1899 году при изучении явления радиоактивности. 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 α-частицы. Рассеяние, то есть изменение направления движения α-частиц, может вызвать только тяжелая положительно заряженная часть атома.
106. Опыт РезерфордаОт радиоактивного источника, заключенного в свинцовый контейнер, α-частицы направлялись на тонкую металлическую фольгу. Рассеянные частицы попадали на экран, покрытый слоем кристаллов сульфида цинка, способных светиться под ударами быстрых заряженных частиц. Сцинтилляции (вспышки) на экране наблюдались глазом с помощью микроскопа. Наблюдения рассеянных α-частиц в опыте Резерфорда можно было проводить под различными углами φ к первоначальному направлению пучка. Было обнаружено, что большинство α-частиц проходит через тонкий слой металла, практически не испытывая отклонения. Однако небольшая часть частиц отклоняется на значительные углы, превышающие 30°. Очень редкие α-частицы (приблизительно одна на десять тысяч) испытывали отклонение на углы, близкие к 180°. При таком распределении положительный заряд не может создать сильное электрическое поле, способное отбросить α-частицы назад. Электрическое поле однородного заряженного шара максимально на его поверхности и убывает до нуля по мере приближения к центру шара. Если бы радиус шара, в котором сосредоточен весь положительный заряд атома, уменьшился в n раз, то максимальная сила отталкивания, действующая на α-частицу, по закону Кулона возросла бы в n2 раз. Следовательно, при достаточно большом значении n α-частицы могли бы испытать рассеяние на большие углы вплоть до 180°. Эти соображения привели Резерфорда к выводу, 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. Таким образом, опыты Резерфорда и его сотрудников привели к выводу, что в центре атома находится плотное положительно заряженное ядро, диаметр которого не превышает 10–14–10–15 м. Это ядро занимает только 10–12 часть полного объема атома, но содержит весь положительный заряд и не менее 99,95 % его массы. Веществу, составляющему ядро атома, следовало приписать колоссальную плотность порядка ρ ≈ 1015 г/см3. Заряд ядра должен быть равен суммарному заряду всех электронов, входящих в состав атома. Впоследствии удалось установить, что если заряд электрона принять за единицу, то заряд ядра в точности равен номеру данного элемента в таблице Менделеева.
107. Квантовые постулаты БораПервый постулат Бора (постулат стационарных состояний) гласит: атомная система может находится только в особых стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия En. В стационарных состояниях атом не излучает. Второй постулат Бора (правило частот) формулируется следующим образом: при переходе атома из одного стационарного состояния с энергией En в другое стационарное состояние с энергией Em излучается или поглощается квант, энергия которого равна разности энергий стационарных состояний:hνnm = En – Em, где h – постоянная Планка. Отсюда можно выразить частоту излучения:
108. Опыты Франка и ГерцаОпыт Франка — Герца — опыт, явившийся экспериментальным доказательством дискретности внутренней энергии атома. Поставлен в 1913 Дж. Франком и Г. Герцем.
К катоду К и сетке C1 электровакуумной трубки, наполненной парами Hg (ртути), прикладывается разность потенциалов V, ускоряющая электроны, и снимается зависимость силы тока I от V. К сетке C2 и аноду А прикладывается замедляющая разность потенциалов. Ускоренные в области I электроны испытывают соударения с атомами Hg в области II. Если энергия электронов после соударения достаточна для преодоления замедляющего потенциала в области III, то они попадут на анод. Следовательно, показания гальванометра Г зависят от потери электронами энергии при ударе. В опыте наблюдался монотонный рост I при увеличении ускоряющего потенциала вплоть до 4,9 В, то есть электроны с энергией Е < 4,9 эВ испытывали упругие соударения с атомами Hg и внутренняя энергия атомов не менялась. При значении V = 4,9 В (и кратных ему значениях 9,8 В, 14,7 В) появлялись резкие спады тока. Это определённым образом указывало на то, что при этих значениях V соударения электронов с атомами носят неупругий характер, то есть энергия электронов достаточна для возбуждения атомов Hg. При кратных 4,9 эв значениях энергии электроны могут испытывать неупругие столкновения несколько раз.
Таким образом, опыт Франка — Герца показал, что спектр поглощаемой атомом энергии не непрерывен, а дискретен, минимальная порция (квант электро-магнитного поля), которую может поглотить атом Hg, равна 4,9 эВ. Значение длины волны λ = 253,7 нм свечения паров Hg, возникавшее при V > 4,9 В, оказалось в соответствии со вторым постулатом Бора
,где E0 и E1 — энергии основного и возбужденного уровней энергии. В опыте Франка — Герца, E0 — E1 = 4,9 эв.
Артур Комптон, повторив (1922—1923) опыт Франка — Герца, обнаружил, что при V > 4,9 В пары Hg начинают испускать свет с частотой n = DE/h, где DE = 4,9 эВ (h — постоянная Планка). Таким образом, возбуждённые электронным ударом атомы Hg испускают фотон с энергией 4,9 эВ и возвращаются в основное состояние.
109. Электронные оболочки атомов и молекулПротон — тороидальный винтовой вихрь эфира — образует вокруг себя тороидальную винтовую оболочку слабосжатого эфира, которая воспринимается как электрическое поле положительного заряда. Такая система устойчива и может существовать достаточно долго. Если вокруг протона образовался устойчивый пограничный слой, то такая система — нейтрон — тоже устойчива, хотя и менее, чем протон. Однако нейтрон совершенно устойчив в составе атомного ядра, в котором соседние протоны поддерживают устойчивость пограничного слоя нейтрона. Предоставленный сам себе вне ядра нейтрон распадается с периодом полураспада, равным 11,7 ± 0,3 мин [31, 32], создавая протон и электрон Последний образуется из эфира, входящего в состав пограничного слоя нейтрона. Три устойчивых состояния тороидального винтового вихря в газовой среде: протон; нейтрон; атом водорода. Существует еще третье устойчивое состояние протона, при котором вокруг протона организуется вторичный вихрь, в котором полностью замыкается кольцевое вращение среды. Такой вихрь получается, если внешние потоки эфира, ранее замыкавшиеся через центральное отверстие протона, будут замыкаться во вне и образуют винтовую тороидальную оболочку, в которой кольцевое вращение будет иметь то же направление, что и ранее, а тороидальное вращение — противоположное. Взаимная противоположная ориентация кольцевого и тороидального движений создает эффект отрицательной полярности, а поскольку кольцевое движение целиком замыкается внутри этой внешней оболочки и не проникает во внешнюю область, вся система в электрическом отношении оказывается нейтральной. Так образовался атом водорода.
110. Гипотеза де-Бройля
111. Интерференция волн де-Бройля и корпускулярно-волновой дуализмИнтерференция волн де Бройля и корпускулярно-волновой дуализм. Опыт показывает, что при прохождении пучка электронов через одно малое отверстие в экране (А или В) пучок испытывает дифракцию, т. е. ведет себя как поток волн де Бройля. Какой будет картина на экране фотопластинки, если на пути пучка электронов в экране будут открыты оба близко расположенных отверстия А я В? Так как почернение фотопластинки вызывается ударами электронов, то можно ожидать, что потемнение усилится в тех местах, где дифракционные пятна от двух отверстий налагаются друг на друг. В действительности наблюдается иная картина с чередованием темных и светлых полос. Результат получается таким же, как в опыте Юнга по наблюдению интерференции света от двух отверстий.
Электрический заряд каждого электрона неделим, каждый электрон проходит только через одно из двух отверстий и попадает только в одну точку на фотопластинке. Другой электрон, попав на близко расположенную точку, может вызвать только дальнейшее потемнение фотопластинки, но не посветление, так как процесс взаимодействия электронов с фотопластинкой необратим. Одно из возможных объяснений интерференции пучка электронов — взаимодействие электронов после их прохождения через два отверстия. Однако В. А. Фабрикант, Л. Г. Биберман, Н. Б. Сушкин в 1949 г. выполнили опыт с пучками электронов такой малой интенсивности, при которой во время полета между отверстиями в экране и фотопластинкой находится лишь один электрон. Поэтому интерференционная картина не является следствием взаимодействия электронов между собой после их прохождения через разные отверстия.
112. Соотношения неопределенностей Гейзенберга
Принцип неопределённости Гейзенбе́рга (или Га́йзенберга) в квантовой механике — фундаментальное неравенство (соотношение неопределённостей), устанавливающее предел точности одновременного определения пары характеризующих квантовую систему физических наблюдаемых, описываемых некоммутирующими операторами (например, координаты и импульса, тока и напряжения, электрического и магнитного поля). Соотношение неопределенностей задаёт нижний предел для произведения среднеквадратичных отклонений пары квантовых наблюдаемых. Принцип неопределённости, открытый Вернером Гейзенбергом в 1927 г., является одним из краеугольных камней квантовой механики.
113. Элементы квантовой механикиСлово «квант» происходит от латинского quantum («сколько, как много») и английского quantum («количество, порция, квант»). «Механикой» издавна принято называть науку о движении материи. Соответственно, термин «квантовая механика» означает науку о движении материи порциями (или, выражаясь современным научным языком науку о движении квантующейся материи). Термин «квант» ввел в обиход немецкий физик Макс Планк (см. Постоянная Планка) для описания взаимодействия света с атомами. Квантовая механика часто противоречит нашим понятиям о здравом смысле. А всё потому, что здравый смысл подсказывает нам вещи, которые берутся из повседневного опыта, а в своем повседневном опыте нам приходится иметь дело только с крупными объектами и явлениями макромира, а на атомарном и субатомном уровне материальные частицы ведут себя совсем иначе. Принцип неопределенности Гейзенберга как раз и очерчивает смысл этих различий. В макромире мы можем достоверно и однозначно определить местонахождение (пространственные координаты) любого объекта (например, этой книги). Не важно, используем ли мы линейку, радар, сонар, фотометрию или любой другой метод измерения, результаты замеров будут объективными и не зависящими от положения книги (конечно, при условии вашей аккуратности в процессе замера). То есть некоторая неопределенность и неточность возможны — но лишь в силу ограниченных возможностей измерительных приборов и погрешностей наблюдения. Чтобы получить более точные и достоверные результаты, нам достаточно взять более точный измерительный прибор и постараться воспользоваться им без ошибок.
114. Волновые функции
115. Уравнение ШредингераУравне́ние Шрёдингера — уравнение, описывающее изменение в пространстве и во времени чистого состояния, задаваемого волновой функцией, в гамильтоновых квантовых системах. Играет в квантовой механике такую же важную роль, как уравнение второго закона Ньютона в классической механике. Его можно назвать уравнением движения квантовой частицы. Установлено Эрвином Шрёдингером в 1926 году.
116. Уровни энергии.Представить себе поведение электронов и их взаимодействие с ядром атома и атомом в целом оказывается значительно легче, если перейти от образных понятий оболочек, орбит, траекторий вращения, скоростей и т. п. к понятию уровней энергии. Каждому месту в пространстве, занимаемому вращающимся вокруг собственной оси и вокруг ядра атома электроном, соответствует строго определенный уровень энергии И аахо-диться на том или ином уровне электрон м^жет только в том случае, если количество энергии, отделяющее его от уровня энергии другого электрона, строго равно кванту излучения или целому числу квантов, но ни в коем случае не половине, четверти или любой дробной доле кванта. Расположение электронных оболочек и расстояния от ядра атома определяются не каким-то строгим геометрическим построени
вдоль координаты z происходит экспоненциальное уменьшение амплитуды волны, в тот момент как волна распространяется вдоль координаты y. Эти волны имеют название неоднородных плоских волн. Неоднородная плоская волна с физической точки зрения распространяется вдоль границы раздела, как бы немного «прилипая» к ней. Выявленная особенность предоставляет основание назвать такие волны поверхностными волнами.
88. Интегральная и волоконная оптикаИнтегральная оптика – это новая область прикладной физики, возникшая на границе волновой оптики, радиотехники и квантовой электроники. Она занимается исследованием особенностей распространения электромагнитных волн оптического диапазона в тонких плоских диэлектрических слоях, так называемых пленочных волноводах, проблемами ввода-вывода излучения в такие волноводы, с также вопросами генерирования и управления светом в тонких пленках (модуляция, детектирование и т.д.) с целью создания интегрально-оптических схем, аналогичных по своему функциональному назначению полупроводниковым ИС. В отличие от интегральной электроники ИО использует в качестве переносчика информации не поток электронов, а поток фотонов. Это обеспечивает основное ее преимущество: более высокое быстродействие и широкополосность устройств и их нечувствительность к электромагнитным помехам.
Волоконная оптика – это совокупность методов и средств передачи оптического излучения с помощью тонких цилиндрических диэлектрических волноводов. Передача сигналов происходит с предельно низкими потерями энергии. На основе волоконной оптики строятся волоконно-оптические системы передачи (ВОСП), осуществляющие передачу и обработку оптических сигналов. В состав ВОСП кроме волоконного кабеля входит большое число таких оптических устройств, как устройства ввода излучения; соединители; изоляторы (вентили); мультиплексоры и демультиплексоры; разветвители и др. Кроме того, обязательными элементами являются источник излучения (лазер или светодиод) и фотоприемник.
89. Световоды
СВЕТОВОД (волновод оптический) - закрытое устройство для направленной передачи света. В открытом пространстве передача света возможна только в пределах прямой видимости и ограничивается нач. расходимостью излучения, поглощением и рассеянием в атмосфере. Переход к С. позволяет значительно уменьшить потери световой энергии при её передаче на большие расстояния, а также передавать световую энергию по криволинейным трассам. Разработаны разнообразные типы С., среди них - линзовые (зеркальные) С., представляющие собой систему заключённых в трубу и расположенных на определённых расстояниях линз (зеркал), полые металлич. трубы и др., однако они не нашли широкого применения.
Наиб. перспективный и широко применяемый в настоящее время (1990-е гг.) тип С.- гибкий диэлектрич. волоконный С. с низкими оптич. потерями, позволяющий передавать свет на большие расстояния. В простейшем варианте он представляет собой тонкую нить из оптически прозрачного материала, сердцевина к-рой радиуса a 1 имеет показатель преломления n1, а оболочка с радиусом а2 имеет показатель преломления п2 <п1. В приближении геом. оптики лучи, входящие в сердцевину под достаточно малыми углами к оси С., испытывают полное внутреннее отражение на поверхности раздела сердцевины и оболочки и распространяются только по сердцевине.
90. Волоконно-оптическая связь — вид проводной электросвязи, использующий в качестве носителя информационного сигнала электромагнитное излучение оптического (ближнего инфракрасного) диапазона, а в качестве направляющих систем — волоконно-оптические кабели. Благодаря высокой несущей частоте и широким возможностям мультиплексирования, пропускная способность волоконно-оптических линий многократно превышает пропускную способность всех других систем связи и может измеряться терабитами в секунду. Малое затухание света в оптическом волокне обуславливает возможность применения волоконно-оптической связи на значительных расстояниях без использования усилителей. Волоконно-оптическая связь свободна от электромагнитных помех и весьма труднодоступна для несанкционированного использования — незаметно перехватить сигнал, передаваемый по оптическому кабелю технически крайне сложно. В основе волоконно-оптической связи лежит явление полного внутреннего отражения электромагнитных волн на границе раздела диэлектриков с разными показателями преломления. Оптическое волокно состоит из двух элементов — сердцевины, являющейся непосредственным световодом, и оболочки. Показатель преломления сердцевины несколько больше показателя преломления оболочки, благодаря чему луч света, испытывая многократные переотражения на границе сердцевина-оболочка, распространяется в сердцевине, не покидая её.
91. Волоконно-оптические гироскопы(ВОГ) — это оптико-электронный прибор, измеряющий абсолютную (относительно инерциального пространства) угловую скорость. В оптическом гироскопе широкое применение находят частотные и фазовые модуляторы. Первого типа модуляторы переводят фазу Саньяка в переменные изменения разности частот противоположно бегущих лучей; при компенсации фазы Саньяка разностная частота пропорциональна угловой скорости вращения Ω. Достоинством частотных модуляторов при использовании в ВОГ является представление выходного сигнала в цифровом виде.
Второго типа модуляторы переводят фазу Саньяка в изменение амплитуды переменного сигнала, что исключает низкочастотные шумы и облегчает измерение информационного параметра.
Частотные модуляторы основаны на акустооптическом эффекте, который состоит в том, что при прохождении в среде ультразвуковых колебании в ней появляются области с механическими напряжениями(области сжатия и разряжения), это приводит к изменению коэффициента преломления среды. Вызванные ультразвуковой волной изменения коэффициента преломления среды образуют центры дифракции для падающего света. Частотный сдвиг света определяется частотой ультразвуковых колебаний.
92. Прикладные вопросы атомной физики и физической оптики.
=(
93. Свет и цвет в природеСвет — это видимое излучение, т. е. электромагнитные волны в интервале частот, воспринимаемых человеческим глазом (7,5- 10м...4,3- 10м Гц) Цвет — одно из свойств материального мира, воспринимаемое как осознанное зрительное ощущение. Тот или иной цвет «присваивается» человеком объектам в процессе их зрительного восприятия. В подавляющем большинстве случаев цветовое ощущение возникает в результате воздействия на глаз потоков электромагнитного излучения из диапазона длин волн, в котором по излучение воспринимается глазом (видимый диапазон — длины волн от 380 до 760 нм).
94. Восприятие светаСпособность глаза воспринимать свет и распознавать разл. степени его яркости называется светоощущением, а способность приспосабливаться к разной яркости освещения — адаптацией глаза; световая чувствительность оценивается величиной порога светового раздражителя. Человек с хорошим зрением способен разглядеть ночью свет от свечи на расстоянии нескольких километров. Однако световая чувствительность зрения многих ночных животных (совы, грызуны) гораздо выше. Максимальная световая чувствительность достигается после достаточно длительной темновой адаптации. Её определяют под действием светового потока в телесном угле 50° при длине волны 500 нм (максимум чувствительности глаза). В этих условиях пороговая энергия света около 10−9 эрг/с, что эквивалентно потоку нескольких квантов оптического диапазона в секунду через зрачок. Максимальные изменения зрачка для здорового человека — от 1,8 мм до 7,5 мм, что соответствует изменению площади зрачка в 17 раз[11]. Однако, реальный диапазон изменения освещённости сетчатки ограничивается соотношением 10:1, а не 17:1, как следовало бы ожидать исходя из изменений площади зрачка. На самом деле освещённость сетчатки пропорциональна произведению площади зрачка, яркости объекта и коэффициенту пропускания глазных сред[12].Вклад зрачка в регулировку чувствительности глаза крайне незначителен. Весь диапазон яркостей, которые наш зрительный механизм способен воспринять, огромен: от 10−6 кд·м² для глаза, полностью адаптированного к темноте, до 106 кд·м² для глаза, полностью адаптированного к свету[13][14] Механизм такого широкого диапазона чувствительности кроется в разложении и восстановлении фоточувствительных пигментов в фоторецепторах сетчатки — колбочках и палочках. Чувствительность глаза зависит от полноты адаптации, от интенсивности источника света, длины волны и угловых размеров источника, а также от времени действия раздражителя. Чувствительность глаза понижается с возрастом из-за ухудшения оптических свойств склеры и зрачка, а также рецепторного звена восприятия.
95. Фотохимия зренияПри оптимальных условиях одиночный фотон света (самая малая квантовая единица световой энергии) может вызвать в палочке доступный для измерения рецепторный потенциал, равный примерно 1 мВ. Достаточно всего 30 фотонов света, чтобы вызвать половинное насыщение палочки (рецепторный потенциал, равный половине максимально возможного). Как такое небольшое количество света вызывает такой мощный эффект? Ответ в том, что фоторецепторы имеют чрезвычайно чувствительный каскад, усиливающий эффект стимуляции примерно в миллион раз, а именно:
1. Фотон активирует электрон в 1 цис-ретинале родопсина, что ведет к образованию метародопсина II, т.е. активной формы родопсина.
2. Активированный родопсин функционирует как фермент, активирующий много молекул трансдуцина (белка, присутствующего в неактивной форме в мембранах дисков и клеточной мембране палочек). 3. Активированный трансдуцин активирует гораздо больше молекул фосфодиэстеразы. 4. Активированная фосфодиэстераза сразу гидролизует много молекул циклического гуанозинмонофосфата, таким образом разрушая его. До этого цГМФ был связан с белком натриевого канала наружной мембраны палочки, в известном смысле «фиксируя» этот белок в открытом состоянии. Но на свету, когда фосфодиэстераза гидролизует цГМФ, эта фиксация прекращается, и каналы для натрия закрываются. Несколько сотен каналов закрывается в ответ на каждую изначально активированную молекулу родопсина. Поскольку поток ионов Na+ через каждый из этих каналов в темноте был чрезвычайно быстрым, закрытие каждого канала блокирует вход более миллиона ионов Na+ на все время, пока канал не откроется снова. Именно это уменьшение тока ионов Na+ через мембрану и вызывает возбуждение палочки. 5. В течение примерно секунды другой фермент, всегда присутствующий в палочке, — родопсинкиназа — инактивирует активированный родопсин (метародопсин II), и весь каскад возвращается к нормальному состоянию с открытыми натриевыми каналами. Таким образом, в палочках функционирует важный химический каскад, который усиливает действие одиночного фотона света, вызывая движение миллионов ионов Na. Это объясняет чрезвычайную чувствительность палочек в условиях полной темноты.
Колбочки в 30-300 раз менее чувствительны, чем палочки, но даже в этом случае возможно цветовое зрение при любой интенсивности света (если она больше, чем очень густые сумерки).
96. Смешение света и смешение красок Человеческий глаз не способен реагировать по-разному на все сочетания световых лучей, которые попадают на его поверхность, поскольку в сетчатке глаза есть только три вида колбочек-клеток, воспринимающих цвет. Например, при относительно слабом освещении человек видит желтый цвет, если в глаз попадает небольшая часть лучей из желтой области спектра. Но точно так же глаз реагирует и на определенные смеси красных и зеленых лучей. Белый солнечный свет состоит из всех лучей спектра, однако хороший белый свет можно получить также при смешении лучей только двух длин волн — из красной и сине-зеленой частей спектра. Каждый воспринятый глазом цвет может соответствовать огромному количеству сочетаний длин волн, более того, ограниченное число цветных световых лучей с данной длиной волны может дать при смешении в различных пропорциях почти любой цвет. Это факт первостепенной важности для полиграфистов и дизайнеров, так как на нем основаны практически все современные методы воспроизведения цвета на мониторе и бумаге.
97. Получение цветного изображения в электронно-лучевых трубках
Для получения цветных изображений с высокой разрешающей способностью кинескоп разрабатывается таким образом, что центральный луч возбуждает зеленый люминофор, а синий и красный люминофоры возбуждаются соответственно боковыми лучами. Таким образом, сочетание трехлучевой оптической системы с одним прожектором со щелевой маской дает существенный выигрыш по яркости по сравнению с масочным кинескопом.
98. Оптика жидких кристаллов
Жи́дкие криста́ллы (сокращённо ЖК) — это фазовое состояние, в которое переходят некоторые вещества при определенных условиях (температура, давление, концентрация в растворе). Жидкие кристаллы обладают одновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия). По структуре ЖК представляют собой вязкие жидкости, состоящие из молекул вытянутой или дискообразной формы, определённым образом упорядоченных во всем объёме этой жидкости. Наиболее характерным свойством ЖК является их способность изменять ориентацию молекул под воздействием электрических полей, что открывает широкие возможности для применения их в промышленности. По типу ЖК обычно разделяют на две большие группы: нематики и смектики. В свою очередь нематики подразделяются на собственно нематические и холестерические жидкие кристаллы.
99. Жидкокристаллические индикаторы, матрицы и дисплеи
В настоящее время жидкокристаллические индикаторы являются наиболее распространённым видом индикаторов. Хотя сами жидкие кристаллы (ЖК) были известны химикам еще с 1888 г., но только 1960-х годов началось их практическое использование. В 1990 г. Де Жен получил Нобелевскую премию за теорию жидких молекулярных кристаллов.Принципы работы жидкокристаллических индикаторов
Термином жидкий кристалл обозначается мезофаза между твердым состоянием и изотропным жидким состоянием, при этом мезофаза сохраняет фундаментальные свойства присущие двум состояниям материи. Жидкие кристаллы, с одной стороны, обладает текучестью как изотропная жидкость, с другой стороны, сохраняет определенный порядок в расположении молекул (как кристалл).
Жидкокристаллический дисплей (ЖК-дисплей, ЖКД, англ. Liquid crystal display, LCD), также жидкокристаллический монитор (ЖК-монитор) — плоский дисплей на основе жидких кристаллов, а также монитор на основе такого дисплея.
100. Оптические запоминающие устройства.
Запоминающие устройства, в которых, по крайней мере, один из видов обращения к информации (запись, считывание или стирание), осуществляется с использованием оптического излучения. В состав Оптических запоминающих устройств входят: источник и приёмник излучения, оптическая запоминающая среда (носитель данных), модулятор света, дефлектор, объективы, зеркала и другие устройства управления световым лучом. Оптические запоминающие устройства различают: по способу представления информации на носителе (побитный или голографический); по типу используемого носителя данных (диск, лента, фиш); по способу доступа к информации (последовательный или прямой); по типу источника излучения (когерентный или некогерентный).
Простейшим является Оптические запоминающие устройства с побитным представлением информации и последовательным способом доступа к ней. В качестве носителя данных используют оптические диски или ленты. В дисковом устройстве световой луч от источника излучения (лазера) фокусируют на поверхность носителя данных с помощью микрообъектива. Считывание информации с кольцевой дорожки диска осуществляют последовательно (бит за битом) с помощью фотоприёмника. В устройствах на ленте с построчной записью информации увеличенное изображение строки проецируется с ленты на линейку фотоприёмников с количеством элементов, равным количеству бит в строке, что позволяет осуществлять параллельное считывание нескольких разрядов.
101. Магнитооптическая память
Магнитооптическая память (англ. magnetooptics storage) — вид памяти, использующий магнитный материал, запись данных на который возможна только при нагреве до температуры Кюри (порядка 1450 °C), осуществляемом в точке записи лучом лазера (объём записи на стандартные 3.5 и 5.25 дюймовые гибкие диски составляет при этом соответственно до 600 Мб и 1.3 Гб, существовали и MO диски меньшего объёма).
102. Голограммы ГОЛОГРАФИЯ(от греч. холос – полный играфо – пишу) – способ получения объемных изображений предметов на фотопластинке (голограмме) при помощи когерентного излучения лазера. Голограмма фиксирует не само изображение предмета, а структуру отраженной от него световой волны (ее амплитуду и фазу). Для получения голограммы необходимо, чтобы на фотографическую пластинку одновременно попали два когерентных световых пучка: предметный, отраженный от снимаемого объекта, и опорный – приходящий непосредственно от лазера. Свет обоих пучков интерферирует, создавая на пластинке чередование очень узких темных и светлых полос – картину интерференции.
На экспонированной таким образом и проявленной пластинке отсутствует какое-либо изображение, однако его в зашифрованном виде содержит система интерференционных полос, и если голограмму просветить, как диапозитив, лазерным светом той же частоты, что была использована при записи, возникнет «восстановленная голограмма» – объемное изображение снятого предмета, словно висящего в пространстве. Меняя точку наблюдения, можно заглянуть за предметы на первом плане и увидеть детали, ранее скрытые от взгляда, Свет, проходя сквозь систему черно-белых полос голограммы, испытывает дифракцию и воспроизводит волновой фронт, исходивший от снятого предмета. Аналогичным образом лазерный луч, пропущенный сквозь отверстие очень малого диаметра, даст на фотопластинке, поставленной за отверстием, систему колец (так называемые «кольца Френеля»). А световой пучок, проходящий сквозь их изображение («зонную пластинку»), сойдется в точку. Кольца Френеля представляют собой простейшую голограмму – голограмму точки.
103. ВидеодискиDVD (ди-ви-ди́, англ. Digital Versatile Disc — цифровой многоцелевой диск; также англ. Digital Video Disc — цифровой видеодиск) — носитель информации, выполненный в форме диска, имеющего такой же размер, как и компакт-диск, но более плотную структуру рабочей поверхности, что позволяет хранить и считывать больший объём информации за счёт использования лазера с меньшей длиной волны и линзы с большей числовой апертурой.
Для считывания и записи DVD используется красный лазер с длиной волны 650 нм. Шаг дорожки — 0,74 мкм, это более чем в два раза меньше, чем у компакт-диска. Записанный DVD, как и компакт-диск — пример дифракционной решётки с периодом, равным шагу дорожки.
104. Атомы, молекулы, фотоны. А́том — наименьшая химически неделимая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств[1]. Атом состоит из атомного ядра и электронов. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов. Если число протонов в ядре совпадает с числом электронов, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называется ионом. Атомы классифицируются по количеству протонов и нейтронов в ядре: количество протонов определяет принадлежность атома некоторому химическому элементу, а число нейтронов — изотопу этого элемента. Атомы различного вида в разных количествах, связанные межатомными связями, образуют молекулы. Моле́кула— электрически нейтральная частица, состоящая из двух или более связанных ковалентными связями атомов[1], наименьшая частица химического вещества, обладающая всеми его химическими свойствами[2]. Фото́н (от др.-греч. φῶς, род. пад. φωτός, «свет») — элементарная частица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле — света). Это безмассовая частица, способная существовать только двигаясь со скоростью света. Электрический заряд фотона также равен нулю. Фотон может находиться только в двух спиновых состояниях с проекцией спина на направление движения (спиральностью) ±1. Этому свойству в клас-кой электродинамике соответствует круговая правая и левая поляризация электромагнитной волны.
105. Ядерная модель атомаПервая попытка создания модели атома на основе накопленных экспериментальных данных (1903 г.) принадлежит Дж. Томсону. Он считал, что атом представляет собой электронейтральную систему шарообразной формы радиусом, примерно равным 10–10 м. Положительный заряд атома равномерно распределен по всему объему шара, а отрицательно заряженные электроны находятся внутри него (рис. 6.1.1). Для объяснения линейчатых спектров испускания атомов Томсон пытался определить расположение электронов в атоме и рассчитать частоты их колебаний около положений равновесия. Однако эти попытки не увенчались успехом. Через несколько лет в опытах великого английского физика Э. Резерфорда было доказано, что модель Томсона неверна.
Первые прямые эксперименты по исследованию внутренней структуры атомов были выполнены Э. Резерфордом и его сотрудниками Э. Марсденом и Х. Гейгером в 1909–1911 годах. Резерфорд предложил применить зондирование атома с помощью α-частиц, которые возникают при радиоактивном распаде радия и некоторых других элементов. Масса α-частиц приблизительно в 7300 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен удвоенному элементарному заряду. В своих опытах Резерфорд использовал α-частицы с кинетической энергией около 5 МэВ (скорость таких частиц очень велика – порядка 107 м/с, но все же значительно меньше скорости света). α-частицы – это полностью ионизированные атомы гелия. Они были открыты Резерфордом в 1899 году при изучении явления радиоактивности. 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 α-частицы. Рассеяние, то есть изменение направления движения α-частиц, может вызвать только тяжелая положительно заряженная часть атома.
106. Опыт РезерфордаОт радиоактивного источника, заключенного в свинцовый контейнер, α-частицы направлялись на тонкую металлическую фольгу. Рассеянные частицы попадали на экран, покрытый слоем кристаллов сульфида цинка, способных светиться под ударами быстрых заряженных частиц. Сцинтилляции (вспышки) на экране наблюдались глазом с помощью микроскопа. Наблюдения рассеянных α-частиц в опыте Резерфорда можно было проводить под различными углами φ к первоначальному направлению пучка. Было обнаружено, что большинство α-частиц проходит через тонкий слой металла, практически не испытывая отклонения. Однако небольшая часть частиц отклоняется на значительные углы, превышающие 30°. Очень редкие α-частицы (приблизительно одна на десять тысяч) испытывали отклонение на углы, близкие к 180°. При таком распределении положительный заряд не может создать сильное электрическое поле, способное отбросить α-частицы назад. Электрическое поле однородного заряженного шара максимально на его поверхности и убывает до нуля по мере приближения к центру шара. Если бы радиус шара, в котором сосредоточен весь положительный заряд атома, уменьшился в n раз, то максимальная сила отталкивания, действующая на α-частицу, по закону Кулона возросла бы в n2 раз. Следовательно, при достаточно большом значении n α-частицы могли бы испытать рассеяние на большие углы вплоть до 180°. Эти соображения привели Резерфорда к выводу, 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. Таким образом, опыты Резерфорда и его сотрудников привели к выводу, что в центре атома находится плотное положительно заряженное ядро, диаметр которого не превышает 10–14–10–15 м. Это ядро занимает только 10–12 часть полного объема атома, но содержит весь положительный заряд и не менее 99,95 % его массы. Веществу, составляющему ядро атома, следовало приписать колоссальную плотность порядка ρ ≈ 1015 г/см3. Заряд ядра должен быть равен суммарному заряду всех электронов, входящих в состав атома. Впоследствии удалось установить, что если заряд электрона принять за единицу, то заряд ядра в точности равен номеру данного элемента в таблице Менделеева.
107. Квантовые постулаты БораПервый постулат Бора (постулат стационарных состояний) гласит: атомная система может находится только в особых стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия En. В стационарных состояниях атом не излучает. Второй постулат Бора (правило частот) формулируется следующим образом: при переходе атома из одного стационарного состояния с энергией En в другое стационарное состояние с энергией Em излучается или поглощается квант, энергия которого равна разности энергий стационарных состояний:hνnm = En – Em, где h – постоянная Планка. Отсюда можно выразить частоту излучения:
108. Опыты Франка и ГерцаОпыт Франка — Герца — опыт, явившийся экспериментальным доказательством дискретности внутренней энергии атома. Поставлен в 1913 Дж. Франком и Г. Герцем.
К катоду К и сетке C1 электровакуумной трубки, наполненной парами Hg (ртути), прикладывается разность потенциалов V, ускоряющая электроны, и снимается зависимость силы тока I от V. К сетке C2 и аноду А прикладывается замедляющая разность потенциалов. Ускоренные в области I электроны испытывают соударения с атомами Hg в области II. Если энергия электронов после соударения достаточна для преодоления замедляющего потенциала в области III, то они попадут на анод. Следовательно, показания гальванометра Г зависят от потери электронами энергии при ударе. В опыте наблюдался монотонный рост I при увеличении ускоряющего потенциала вплоть до 4,9 В, то есть электроны с энергией Е < 4,9 эВ испытывали упругие соударения с атомами Hg и внутренняя энергия атомов не менялась. При значении V = 4,9 В (и кратных ему значениях 9,8 В, 14,7 В) появлялись резкие спады тока. Это определённым образом указывало на то, что при этих значениях V соударения электронов с атомами носят неупругий характер, то есть энергия электронов достаточна для возбуждения атомов Hg. При кратных 4,9 эв значениях энергии электроны могут испытывать неупругие столкновения несколько раз.
Таким образом, опыт Франка — Герца показал, что спектр поглощаемой атомом энергии не непрерывен, а дискретен, минимальная порция (квант электро-магнитного поля), которую может поглотить атом Hg, равна 4,9 эВ. Значение длины волны λ = 253,7 нм свечения паров Hg, возникавшее при V > 4,9 В, оказалось в соответствии со вторым постулатом Бора
,где E0 и E1 — энергии основного и возбужденного уровней энергии. В опыте Франка — Герца, E0 — E1 = 4,9 эв.
Артур Комптон, повторив (1922—1923) опыт Франка — Герца, обнаружил, что при V > 4,9 В пары Hg начинают испускать свет с частотой n = DE/h, где DE = 4,9 эВ (h — постоянная Планка). Таким образом, возбуждённые электронным ударом атомы Hg испускают фотон с энергией 4,9 эВ и возвращаются в основное состояние.
109. Электронные оболочки атомов и молекулПротон — тороидальный винтовой вихрь эфира — образует вокруг себя тороидальную винтовую оболочку слабосжатого эфира, которая воспринимается как электрическое поле положительного заряда. Такая система устойчива и может существовать достаточно долго. Если вокруг протона образовался устойчивый пограничный слой, то такая система — нейтрон — тоже устойчива, хотя и менее, чем протон. Однако нейтрон совершенно устойчив в составе атомного ядра, в котором соседние протоны поддерживают устойчивость пограничного слоя нейтрона. Предоставленный сам себе вне ядра нейтрон распадается с периодом полураспада, равным 11,7 ± 0,3 мин [31, 32], создавая протон и электрон Последний образуется из эфира, входящего в состав пограничного слоя нейтрона. Три устойчивых состояния тороидального винтового вихря в газовой среде: протон; нейтрон; атом водорода. Существует еще третье устойчивое состояние протона, при котором вокруг протона организуется вторичный вихрь, в котором полностью замыкается кольцевое вращение среды. Такой вихрь получается, если внешние потоки эфира, ранее замыкавшиеся через центральное отверстие протона, будут замыкаться во вне и образуют винтовую тороидальную оболочку, в которой кольцевое вращение будет иметь то же направление, что и ранее, а тороидальное вращение — противоположное. Взаимная противоположная ориентация кольцевого и тороидального движений создает эффект отрицательной полярности, а поскольку кольцевое движение целиком замыкается внутри этой внешней оболочки и не проникает во внешнюю область, вся система в электрическом отношении оказывается нейтральной. Так образовался атом водорода.
110. Гипотеза де-Бройля
111. Интерференция волн де-Бройля и корпускулярно-волновой дуализмИнтерференция волн де Бройля и корпускулярно-волновой дуализм. Опыт показывает, что при прохождении пучка электронов через одно малое отверстие в экране (А или В) пучок испытывает дифракцию, т. е. ведет себя как поток волн де Бройля. Какой будет картина на экране фотопластинки, если на пути пучка электронов в экране будут открыты оба близко расположенных отверстия А я В? Так как почернение фотопластинки вызывается ударами электронов, то можно ожидать, что потемнение усилится в тех местах, где дифракционные пятна от двух отверстий налагаются друг на друг. В действительности наблюдается иная картина с чередованием темных и светлых полос. Результат получается таким же, как в опыте Юнга по наблюдению интерференции света от двух отверстий.
Электрический заряд каждого электрона неделим, каждый электрон проходит только через одно из двух отверстий и попадает только в одну точку на фотопластинке. Другой электрон, попав на близко расположенную точку, может вызвать только дальнейшее потемнение фотопластинки, но не посветление, так как процесс взаимодействия электронов с фотопластинкой необратим. Одно из возможных объяснений интерференции пучка электронов — взаимодействие электронов после их прохождения через два отверстия. Однако В. А. Фабрикант, Л. Г. Биберман, Н. Б. Сушкин в 1949 г. выполнили опыт с пучками электронов такой малой интенсивности, при которой во время полета между отверстиями в экране и фотопластинкой находится лишь один электрон. Поэтому интерференционная картина не является следствием взаимодействия электронов между собой после их прохождения через разные отверстия.
112. Соотношения неопределенностей Гейзенберга
Принцип неопределённости Гейзенбе́рга (или Га́йзенберга) в квантовой механике — фундаментальное неравенство (соотношение неопределённостей), устанавливающее предел точности одновременного определения пары характеризующих квантовую систему физических наблюдаемых, описываемых некоммутирующими операторами (например, координаты и импульса, тока и напряжения, электрического и магнитного поля). Соотношение неопределенностей задаёт нижний предел для произведения среднеквадратичных отклонений пары квантовых наблюдаемых. Принцип неопределённости, открытый Вернером Гейзенбергом в 1927 г., является одним из краеугольных камней квантовой механики.
113. Элементы квантовой механикиСлово «квант» происходит от латинского quantum («сколько, как много») и английского quantum («количество, порция, квант»). «Механикой» издавна принято называть науку о движении материи. Соответственно, термин «квантовая механика» означает науку о движении материи порциями (или, выражаясь современным научным языком науку о движении квантующейся материи). Термин «квант» ввел в обиход немецкий физик Макс Планк (см. Постоянная Планка) для описания взаимодействия света с атомами. Квантовая механика часто противоречит нашим понятиям о здравом смысле. А всё потому, что здравый смысл подсказывает нам вещи, которые берутся из повседневного опыта, а в своем повседневном опыте нам приходится иметь дело только с крупными объектами и явлениями макромира, а на атомарном и субатомном уровне материальные частицы ведут себя совсем иначе. Принцип неопределенности Гейзенберга как раз и очерчивает смысл этих различий. В макромире мы можем достоверно и однозначно определить местонахождение (пространственные координаты) любого объекта (например, этой книги). Не важно, используем ли мы линейку, радар, сонар, фотометрию или любой другой метод измерения, результаты замеров будут объективными и не зависящими от положения книги (конечно, при условии вашей аккуратности в процессе замера). То есть некоторая неопределенность и неточность возможны — но лишь в силу ограниченных возможностей измерительных приборов и погрешностей наблюдения. Чтобы получить более точные и достоверные результаты, нам достаточно взять более точный измерительный прибор и постараться воспользоваться им без ошибок.
114. Волновые функции
115. Уравнение ШредингераУравне́ние Шрёдингера — уравнение, описывающее изменение в пространстве и во времени чистого состояния, задаваемого волновой функцией, в гамильтоновых квантовых системах. Играет в квантовой механике такую же важную роль, как уравнение второго закона Ньютона в классической механике. Его можно назвать уравнением движения квантовой частицы. Установлено Эрвином Шрёдингером в 1926 году.
116. Уровни энергии.Представить себе поведение электронов и их взаимодействие с ядром атома и атомом в целом оказывается значительно легче, если перейти от образных понятий оболочек, орбит, траекторий вращения, скоростей и т. п. к понятию уровней энергии. Каждому месту в пространстве, занимаемому вращающимся вокруг собственной оси и вокруг ядра атома электроном, соответствует строго определенный уровень энергии И аахо-диться на том или ином уровне электрон м^жет только в том случае, если количество энергии, отделяющее его от уровня энергии другого электрона, строго равно кванту излучения или целому числу квантов, но ни в коем случае не половине, четверти или любой дробной доле кванта. Расположение электронных оболочек и расстояния от ядра атома определяются не каким-то строгим геометрическим построени