Оптика билеттер жауаптарымен

Оптика

16. Жарықтың табиғаты туралы ілімнің дамуы. Жарық жылдамдығы. Энергиялық бірліктер мен олардың арасындағы қатынастар.

Жарықтың табиғаты туралы

XVII ғасырдың аяқ кезінде жарықтың табиғаты жайында екі түрлі ғылыми түсінік болды. Олардың біреуі — жарықтың корпускулалық теориясы, екіншісі — жарықтың толқындық теориясы.

Жарықтың корпускулалық теориясын тұжырымды етіп баяндаған — ағылшынның атақты ғалымы И.НьютоН (1672 ж.) Бұл теория бойынша, жарық дегеніміз — жарқырауық денелерден ұшып шыққан жарық бөлшектерінің (корпускулалардың) ағыны. Ньютонша, жарық бөлшектері инерциязаңына лайық түзу сызық бойымен қозғалады, сондықтан жарық біртекті ортада тузудің бойымен таралады. Екі мөлдір ортаның шекарасында жарықтың сыну себебі жарық бөлшектері сындырушы ортаның бөлшектеріне тартылады, соның салдарынан бірінші ортадан екінші ортаға өткенде жарық бөлшектерінің жылдамдығы өзгереді, сонда бірінші ортадан гөрі екінші орта тығыздау болса, жарық бөлшектеріңің жылдамдығы артады. Демек, бірінші ортадағы жарық жылдамдығы   екінші- ортадағы жарық жылдамдығынан (   -ден) кем болады. Корпускулалық теория бойынша жарықтың сыну көрсеткіші (n) жарықтың екінші ортадағы жылдамдығының бірінші ортадағы жылдамдығының қатынасына тең, яғни   , мұндағы   . Бірақ Ньютонның тұсында бұл қорытынды тәжірибе жүзінде тексерілген емес. Демек Ньютонның жарық сыну көрсеткіші жайындағы қорытындысы дұрыс емес. Бұл теорияның бұдан да басқа кемшіліктері бар. Сондықтан бұл теория кезінде жарықтың бірден-бір теориясы бола алмады. Сол кездің өзінде-ақ Голландия ғалымы X.Гюйгенс (1678 ж.) бірқатар дыбыс құбылыстары мен жарық құбылыстарын салыстыра отырып, жарықтың толқындық теориясын ұсынды. Бұл теория бойыиша жарық дегеніміз ерекше серпімді ортада (эфирде) таралатын толқындық процесс.

Толқындық бет жеткен әрбір нүкте элементар толқындардың дербес көзі болады; сол элементар толқындарды ораушы бет жаңа толқындық беттің орнын көрсетеді (Гюйгенс принципі). Толқындық беттерге тік жүргізілген түзулер жарық таралатын бағытты көрсетеді.

Гюйгенс осы принципке сүйеніп жарықтың шағылу және сыну заңдарын, сондай-ақ жарықтын қосарланып сынуын да дұрыс түсіндірді. Толқындык теория бойынша жарықтың сыну себебі жарық бір ортадан екінші ортаға өткенде оның жылдамдығы өзгереді. Мысалы тығыз емес ортадан (ауадан) тығыздау ортаға (суға) өткенде жарық жылдамдығы кемиді, сонда тығыздау ортаның жарық сыну көрсеткіші (п) жарықтың тығыз емес ортадағы  жылдамдығының тығыздау ортадағы жылдамдығына қатынасына тең, яғни   ,мұндағы   . Сыну көрсеткіші жайындағы бұл қорытындының дұрыс екендігі кейін тәжірибе жасалып дәлелденді. Сонымен XIX ғасырдың басында Юнг пен Френельдің зерттеулерінің нәтижесінде жарықтың толқындық теориясы жарықтың корпускулалық теориясын біржола жеңді.

XIX ғасырдың алпысыншы жылдарында ағылшынның атақты физигі Дж.Максвелл электромагниттік құбылыстардың теориясын дамыта келіп, айнымалы электромагниттік өріс кеңістікте бір орында тұрмай, барлық жаққа таралатындығын дәлелдеді. Максвелл бұдан (1865 ж.) электромагниттік толқын мен жарықтың табиғаты бір, яғни жарық деген-міз электромагниттік толқындардың дербес түрі деген қорытынды жасады.

Жарықтың электромагниттік теориясы XIX ғасырдың аяғы мен XX ғасырдың бас кезінде оптиканың көптеген мәселелерін дұрыс түсіндіргенмен, бірқатар құбылыстарды, мысалы, жарық шығару және жарық жұту құбылыстарын, фотоэлектрлік құбылысты т.т. толық түсіндіре алмады.

Энергия кванттары жайндағы идея физикаға үлкен өзгеріс енгізді, кванттық теорияға негізделіп бұрын түсініксіз құбылыстар түсіндірілді. Мысалы, 1905 жылы атақты физик. А.Эйнштейн жарық дара энергия кванттары түрінде жұтылуға тиіс деп болжап, фотоэлектрлік құбылыстың негізгі заңдарын түсіндірді. Эйнштейн кейін жарық дегеніміз кванттар ағыны, әрбір жарық квантының энергиясы έ=hv деп жорыды, Жарық кванттары қазір фотондар деп аталады да, жарықты кванттар — фотондар ағыны деп ұғынатын теория жарықтың фотондық теориясы деп аталады.

Жарық жылдамдығы, с — кез келген электрмагниттік толқынның (оның ішінде жарықтың да) бос кеңістіктегі (вакуумдағы) таралу жылдамдығы; іргелі физика тұрақтылардың бірі. Ол кез келген физика әсердің шектік таралу жылдамдығы әрі бір санақ жүйесінен екінші санақ жүйесіне көшкенде [инвариант|инвариантты болады. Жарық жылдамдығының шамасы материалдық дененің массасы мен толық энергиясын байланыстырып тұрады. Санақ жүйесі өзгерген кезде координатты, жылдамдықты және уақытты түрлендіру Жарық жылдамдығы арқылы өрнектеледі және ол көптеген қатыстардың құрамына енеді. Белгілі бір ортадағы Жарық жылдамдығы (с) сәуленің түрліше жиіліктері () үшін түрліше мән қабылдайтын ортаның сыну көрсеткішіне (n) тәуелді болады: с()=c/n(). Бұл тәуелділік белгілі бір ортадағы монохромат емес жарықтың топтық жылдамдығы сол жарықтың фазалық жылдамдығынан өзгеше болуына әкеледі (вакуумдағы Жарық жылдамдығы үшін бұл екі жылдамдықтың шамасы бірдей). Тәжірибеде белгілі бір ортадағы Жарық жылдамдығын (с) анықтаған кезде әрдайым (арнаулы кейбір жағдайда болмаса) топтық жылдамдықты (немесе сигнал жылдамдығы не энергия жеткізу жылдамдығы деп аталатын) өлшейді. Жарық жылдамдығын тұңғыш рет 1676 жылы, Юпитер серіктерінің тұтылулары арасындағы уақыт аралығының өзгеруі бойынша дат астрономы О.К. Ремер өлшеді (бақылау нәтижесінде с=215000 км/с болды). Оны 1728 жылы жұлдыздардың жарық аберрациясын бақылау кезінде ағылшын астрономы Дж.Брадлей растады. Кейін Жарық жылдамдығы жер жағдайында да тәжірибе жасалып өлшене бастады (мыс., француз физигі А.И.Л. Физо 1849 жылы с= =313300 км/с, француз физигі Ж.Б.Л. Фуко 1862 жылы с=298000500 км/с, американ физигі А.Майкельсон 1926 жылы с=2997964 км/с екендігін анықтады). Жарық көзі ретінде лазерлерді пайдаланып жүргізілген өлшеулер нәтижесінде Жарық жылдамдығын өлшеу дәлдігі жоғары көтерілді: с=299792,50,15 км/с. Қазіргі кезде Жарық жылдамдығының вакуумдағы мәні үшін ресми түрде с=2997924581,2 м/с мәні қабылданған

16. Жазық толқындардың интерференциясы. Екі нүктелік жарық көздерінен шығатын толқындардың интерференциясын түсіндіріңіз

16. ~~ Ньютон сақиналары. Квазимонохромат жарықтың интерференциясын сипаттап қөрсетіңіз.

Ньютон сақиналары - бірдей қалыңдық жолақтары деген атақ алған жұқа мөлдір ортада (пленкада) пайда болатын интерференциялық құбылыстардың бірі; яғни жарықтың шағылу және сыну заңдарының негізінде пайда болатын интерференциялық бейне. Ньютон сақиналары бақыланатын қондырғыда бұл бейне когерентті жарық сәулелерінің тербеліс амплитудаларының бөлінуінен пайда болады. Жұқа пластинка бетіне түскен толқын фронтының кішкене участкасын (ауданын) бөліп алып, соны қарастыралық. Бұл ауданға түскен сәуле фронтының энергиясы пластинканың ортамен шекараларында (үстінгі және астыңғы беттерінде) екі бөлікке бөлінеді, яғни бір бөлігі үстіңгі беттен шағылады және бір бөлігі пластинка ішіне өтеді. Өткен бөлік астыңғы беттен шағылып үстіңгі бетке қайтып оралады. Оралған сәуле үстіңгі беттен шағылған сәулемен кездесетін болады. Кездескен сәуленің бірі үстіңгі беттен шағылған болса, екіншісі пластинканы аралап келген сәуле болады, яғни әр түрлі жол жүрген сәулелер болады және бұлар өзара когерентті сәулелер . Осындай сәулелер кездескенде бұлар бірін-бірі күшейтуі немесе әлсіретуі мүмкін. Сәулелердің бірін-бірі әлсіретуі немесе күшейтуі сәулелердің жүрген жолдарының “оптикалық жол айырымына” байланысты болады.

Бірдей қалыңдық жолақтарын Ньютон келесі қондырғының көмегімен алды. Ол жазықпараллель шыны пластинканың үстіне жазық дөңес линза қойды.

Бұл жағдайда жарық сәулелерінің оптикалық жол айырмасы келесі формуламен анықталады: , мұндағы:  - дөңес линзаның қисықтық радиусы,  -Ньютон сақинасының радиусы.

Алынатын интерференциялық көрініс концентрлік ақ және қоңыр сақиналар түрінде болады.

 Шағылған жарық үшін Ньютон қондырғысында алынатын ақ сақиналардың радиусын анықтайтын өрнек:

.

 Шағылған жарық үшін Ньютон қондырғысында алынатын қоңыр сақиналардың радиусын анықтайтын өрнек.

.

Өткінші жарық үшін Ньютонның ақ сақиналарының радиусын анықтайтын өрнек:

.

Өткінші жарық үшін Ньютонның қоңыр сақиналарының радиусын анықтайтын өрнек:

.

16. ~~Бейненің голографиялық жазу әдісінің физикалық негіздерін түсіндіріңіз. Көпөлшемді құрылымдағы дифракция құбылысын сипаттаңыз.

16. ~~Геометриялық оптиканың негізгі ұғымдары мен анықтамаларын атаңыз. Оптикалық бейнелердің геометриялық теориясының бастамаларын тусіндіріп жазыңыз.

Жарықтың таралуының негізгі заңдылығын XVII ғасырда Ферма ұсынған. Ферма, жарықтың бір нүктеден екінші нүктеге таралуы осы аралықтағы, ең аз уақыт кететін жол бойымен өтеді деп жорамалдаған. Ферма принципін математикалық түрде өрнектеу үшін жолдың оптикалық ұзындығы ұғымын пайдаланамыз. Жолдың оптикалық ұзындығы деп сәуленің геометриялық жолының ұзындығының l біртекті ортадағы сыну көрсеткішіне n көбейтіндісін (l)=nl айтамыз. Егер жарық таралатын орта біртекті болмаса, онда сыну көрсеткіші бірдей болатын кішкентай бөліктерге бөлеміз. Бұл жағдайда жолдың оптикалық ұзындығын (AB) мынадай түрде беруге болады.

(4) пен (5)-тен f₂/n ₂ = - f₁/n₁ = R/(n₂ - n₁) (6)

Сфералық беттің фокус қашықтығын енгізгеннен кейін (6.3) теңдеуді былай жазуға болады.

(3 a)

(3 б)

болған жағдайда сфералық беттің теңдеуінен сфералық айнаның формуласы шығады.

(7)

а₁ = болса a ₂ = R/2 = F

R = болса, онда жазық айнадағы кескіннің теңдеуін аламыз. a₁ = - a₂

Визуаль оптикалық құралдар

Негізгі бөлімнің бірі оптикалық система болып келген приборлар оптикалық приборлар деп аталады. Кейбір оптикалық приборлар (мысалы: фотоаппарат, проекциялық аппарат т.т.) нәрсенің арнап орнатылған экран бетіне түсіреді. Ал кейбіреулері (мысалы: лупа, микроскоп, телескоп дүбірі т.б.) көзбен қосылып бір тұтас оптикалық система түзеді, осындай күрделі система беретін нәрсенің кескіні көздің тор қабықшасына түседі. Мұндай приборлар көзге ұсталатын приборлар немесе визуаль приборлар деп аталады.

1. Лупа. Ұсақ нәрсені үлкейтіп көру үшін қолданатын жинағыш линза лупа деп аталады. Бақыланатын нәрсе линза мен оның фокус жазықтығы аралығына қойылады. Сонда нәрсенің кескіні жорамал, үлкен және тура болады. Лупаның γ бұрыштық ұлғайтуы шамамен анық көру аралығының, линзаның алдыңғы фокус аралығы f–қа қатынасына тең болады:

γ = (4.1)

2. Микроскоп. Жақындағы ұсақ нәрселерді өте үлкейтіп көру үшін түрліше микроскоптар қолданылады. Әрбір микроскоптың оптикалық системасы объектив және окуляр делінетін екі бөліктен құралады. Қарапайым микроскоптардың бұл бөліктері жеке линзалардан жасалады, ал осы күнгі микроскоптардың объективтерімен окулярлары центрленген күрделі оптикалық системалар болып келеді. Микроскоптың ұлғайтуы (Г) оның объективінің сызықтық ұлғайтуы (β) мен окулярының бұрыштық ұлғайтуы (γ) көбейтіндісіне тең болады:

Г = β · γ (4.2) мұндағы β =

мұндағы а-нәрсенің, а¹-оның кескінінің объективтен қашықтықтары.

Окуляр лупа қызметін атқаратын болғандықтан оның бұрыштық ұлғайтуы (4.1) формула бойынша былай өрнектеледі: γ =

мұндағы f₂–окулярдың алдыңғы фокус аралығы ендеше микроскоптардың ұлғайтуын = β · γ = (4.3) деп жазуға болады.

16. ~~ Жарық толкындарының көлденеңділігі. Сызықты поляризацияланған жарық. Малюс заңын сипаттап жазыңыз.

Жарық толқындары электромагниттік толқындардың бір түрі. Жарық толқындарының өрісін электр векторы (Е) мен магнит векторы (Н) арқылы сипаттауға болады. Бұл векторлар өзара және толқын таралатын бағытқа перпендикуляр болатындығы белгілі. Жарық толқыны өрісінің векторлары үздіксіз өзгеріп, яғни ұдайы тербеліп тұрады, Арнап жүргізілген тәжірибелер (Виннер, 1889ж.) нәтижелеріне қарағанда жарықтың фотохимиялық әсері оның өрісінің электр векторы әсеріне байланысты. Сондықтан бұл вектор кейде жарық векторы деп те аталады. Жарық тербелістері делінгенде осы Е векторы тербелісі айтылады. Жарық толқынының интенсивтігі, яғни 1 секундта толқын таралатын бағытқа перпендикуляр 1 см² ауданнан өтетін жарық энергиясының мөлшері, оның электр векторының амплитудасының квадратына тура пропорционал болады. Жарық толқындары заттың атомдары мен молекулаларында жүріп жатқан кейбір процестен нәтижесінде пайда болады. Өте кішкене жарық көзі құрамында сансыз көп атомдар болады. Олардың әрқайсысы шығаратын жарық толқындарының электр векторларының бағыттары әр түрлі, сонымен қабат бір атомның шығарған жарық толқындарының электр векторының бағыты да өзгеріп тұрады. Сөйтіп, жарық толқынының электр векторы түрлі жаққа бағытталған, яғни ол сан алуан жазықтықта тербелуі мүмкін. Мұнда бір бағыттың басқа бағыттардан артықшылығы болмайды. Өрісінің электр векторы кеңістікте осылай түрлі бағытта орналасқан жарық – табиғи жарық деп аталады. Яғни,тербеліс бағыттарының ешқайсысы басым болмайтын жарық табиғи немесе полияризацияланбаган деп аталады. Белгілі бір бағытта басым тербелістері болатын жарық жартылай поляризацияланган жарық деп аталады. Тербелістері белгілі бағытта ғана болатын жарықты сызықты поляризацияланған жарық деп атайды.

Белгілі жағдайда жарық толқыны векторы тек бір белгілі бағытта ғана тербелуі мүмкін. Осындай жарық – толық поляризацияланған жарық деп аталады. Электр векторының тербеліс бағыты мен сол тербелістер таралатын бағыт арқылы өтетін жазықтық поляризацияланған жарықтың тербеліс жазықтығы, оған перпендикуляр жазықтық – поляризациялау жазықтығы деп аталады. Табиғи жарық толқындарының барлық бағытта интенсивтігі бірдей болады.

Жарықтың поляризациялану құбылысы тәжірибе жасап байқауға болады, бұл құбылысты, мысалы, жарық турмалин пластинкадан өткенде байқау оңай. Турмалин кристалынан оның осіне параллель етіп жарып алынған мөлдір жұқа плстинка алып, оған табиғи ақ жарық түсірейік. Сонда ол қоңырлау жасыл түсті болып көрінеді. Егер оны түскен сәуле бағытымен дәл келетін осьтен айналдырсақ, өткен жарық интенсивтігі өзгермейді. Дәл сондай тағы бір турмалин пластинка алып, оны алғашқы пластинканың жанына олардың ХХ осьтерін параллель етіп қойсақ, онда жарық пластинкалардың екеуінен де өтеді, бірақ оның интенсивтігі бұрынғысынан гөрі сәл бәсеңдейді, себебі жарықты бір пластинкада көбірек жұтады. Енді турмалин пластинкалардың біреуін, мысалы, II пластинканы, сәулемен дәл келетін осьтен айналдырсақ, өткен жарық интенсивтігі кеми бастайды, олардың ХХ осі бір – біріне перпендикуляр болса, жарық II пластинкадан өтпейді. Бұған қарағанда I турмалин пластинкатек бір белгілі бағытта, мысалы ХХ осьтері бағытында, болатын жарық тербелістерінғана өткізеді, II турмалин пластинка ондай тербелістерді бөгейді. Сөйтіп, турмалин пластинкасынан әр түрлі бағытта болып жатқан жарық тербелістерінен тек белгілі бір бағытта, мысалы ХХ осіне параллель бағытта, болатын тербелістер ғана өте алады. Сонымен турмалиннан өткен жарық толқынының электр векторы белгілі бір жазықтықта тербеледі, демек табиғи жарық турмалиннан өткенде Бұл тәжірибелер жарық тербелістерінің көлденең тербелістер екендігін дәлелдейді. Біз қарастырған мысалдар I турмалин пластинка п о л я р и з а т о р, II турмалин пластинка а н а л и з а т о р деп аталады.

Енді жарық турмалин кристалынан өткенде бола тұра, алғаш бір турмалин пластинканы оған түскен сәуле бағытымен дәл келетін осьтен айналдырғанда өте жарық интенсивтігі өзгермеуі қалай деген сұрау туады. Оның себебі: табиғи жарық толқыны өрісінің электр векторлары барлық жаққа бағытталған, сондықтан олардан кейбіреулерінің тербеліс бағыттары турмалин кристалының жарық тербелістерін өткізетін бағытына дәл келеді де жарық бөгелмей өтеді. Табиғи жарық толқыны өрісінің электр векторлары орналасулары жарық таралатын бағытқа қатысты симметриялы болғандықтан, өткен жарық интенсивтігі бір турмалин пластинканың қалай тұрғандығына тәуелді болмайды. Ал қабаттастыра қойылған екі турмалин пластинканың біреуін жарық таралатын бағытқа дәл келетін осьтен айналдырған жағдайда I пластинкадан өтіп поляризацияланған жарықтың электр векторының тербеліс жазықтығы параллель болса ғана өткен жарық интенсивтігі максималь болады. Сөйтіп қабаттастыра қойылған екі турмалин пластинкадан жарықтың өтіп - өтпеуі сол пластинкалардың белгілі жазықтықтарының өзара қалай орналасқандығына байланысты.

Поляризацияланған жарықты анализдеу үшін қолданса онда анлизатор деп аталады.Егер электрлік вектор Е₀ жазық поляризацияланған жарық анализаторға түссе онда жарықтың кейбір бөлігі шығады.Жарық интенсивтілігі амплитуда квадратына тең болады. Малюс заңы:

I = I₀ cos² (1)

Мұндағы I, I₀ - анализатордан ж/е поляризатордан өткен жарық интенсивтілігі, - анализатор мен поляризатор оптикалық осьтері арасындағы бұрыш

16. ~~Қалыпты және аномаль дисперсияны түсіндіріңіз. Сыну және жұту көрсеткішінің жиіліктен тәуелділіктерін айқындаңыз.

Заттың сыну көрсеткішінің жарық толқынының ұзындығына немесе жиілігіне тәуелділігі жарықтың дисперсиясы деп аталады. Дисперсия құбылысын зертеуге арналған тәжірибені алғаш рет айқастырылған призмалар әдісі бойынша Ньютон (1672 ж) жасады.

Ақ жарық вертикаль саңылау және сындырушы қырлары өзара
перпендикуляр екі призмадан өтіп линза арқылы экранда жинақталады. Бір
призма болған жағдайда горизонталь тұтас спектр пайда болады (ав
штрихы). Екінші призманы қойғаннан кейін әр сәуле сындыру көрсеткіші неғұрлым үлкен болса соғұрлым төмен қарай ауытқиды. ав спектрі төмен қарай ауытқып ab күйіне келеді. Қызыл спектр а ең аз, ал күлгін спектр b ең көп ауытқиды.

Мөлдір заттарда сыну көрсеткіші жарықтың толқын ұзындығы кеміген сайын артады. Бұл құбылысты қалыпты дисперсия деп атайды. Зерттеулер нәтижесінде қалыпты дисперсияға кері жағдайдың да болатындығын, яғни толқын ұзындығының өсуімен сыну көрсеткішінің артқандығын бақылаған. Бұл жағдай аномалъды дисперсия деп аталады.

16. ~ Стефан-Больцман заңы, Вин ығысу формуласын жазып түсіндіріңіз.

Стефан-Больцман заңы, абсолют қара дененің энергетикалық жарқырауы оның абсолют температурасының төртінші дәрежесіне тура пропорционал деп тұжырымдалады.

(2)

= 5,67 • 10^-8 Втм² • К^-4 - Стефан - Больцман тұрақтысы.

Температура артқанда абсолют қара дененің сәуле шығаруы Вин зацына сәйкес қысқа толқын облысына ығысады.

(3)

м-К - Вин тұрақтысы.

Электродинамика заңдары мен классикалық статистикалық физиканың тепе-теңдіктегі жүйенің еркіндік дәрежесі бойынша энергияның біркелкі таралу заңы негізінде Рэлей ж/е Джинс абсолют қара дененің сәуле шығаруын түсіндіруге тырысты.

(4)

k - Больцман тұрақтысы. Рэлей-Джинс формуласы эксперимент нәтижесіне үзын толқынды аймақта ғана сәйкес келеді. Ултракүлгін облыста абсолют қара дененің сәуле шығаруы шексіздікке ұмтылады.

Планк сол кездегі классикалық физика заңдарына сүйенбей, жаңадан кванттық гипотеза негізінде абсолют қара дененің сәуле шығару теориясын жасады.

Гипотеза бойынша тербелуші осциллятор энергиясы кез келген мәнге емес, элементар бөлікке еселі - дискретті мәнді ғана ала алады. Абсолют қара дененің сәуле шығаруының Планк формуласы:

Планк формуласы эксперимент нәтижесімен толық сәйкес келді.

16. ~~ Фотондар мен олардың қасиеттері. Фотондар қатынасын процестердегі энергия мен импульстің сақталу заңдары. Комптон эффектісін сипаттаңыз.

16. ~~Лазер сәулесінінің негізгі қасиеттерін атаңыз. Лазер сәулесін ғылым мен техникада пайдалануын сипаттаңыз

Лазерлер. 1940 жылдың өзінде -ақ В.А.Фабрикант еріксіз сәуле шығарудың электромагниттік толқындарды күшейту үшін пайдалануға болатынын көрсеткен. 1954 жылы орыс ғалымдары Н.Г.Басов пен А.М.Прохоров және оларға тәуелсіз американ физигі Ч.Таунс толқын ұзындығы см радиотолқынның генераторын жасау үшін индукцияланған сәуле шығаруды пайдаланды. Радиотолқындарды генерациялаудың және күшейтудің жаңа принциптері саласындағы істеген жұмыстары үшін 1959 жылы Н.Г.Басов пен А.М.Прохоровке Ленин сыйлығы берілді. Ал 1963 жылы Н.Г.Басов, А.М.Прохоров және Ч.Таунс Нобель сыйлығына ие болды.

1960 жылы америкада алғашқы лазер – спектрдің көрінетін диапазонындағы электромагниттік толқындардың кванттық генераторы жасалды.

Лазерлік сәуле шығарудың қасиеттері. Лазерлік жарық көздерінің басқа жарық көздерімен салыстырғанда кейбір елеулі артықшылықтары бар:

1. Лазерлік ажырау бұрышы өте кішкене (10^-5 радианға жуық) жарық шоғын туғыза алады. Жерден Айға жіберілген осындай шоқ диаметрі 3 км болатын дақ берді.

2. Лазер жарығы аса монохроматты болады. Лазерлердің атомдары бір-біріне тәуелсіз сәуле шығаратын кәдімгі жарық көзінен айырмашылығы – оларда атомдар үйлесімді жарық шығарады. Сондықтан толқын фазасы ретсіз өзгерістерге ұшырамайды.

3. Лазерлер ең қуатты жарық көздері болып табылады. Уақыттың қысқа мерзімі ішінде (10^-13с уақыт аралығында) спектрдің жіңішке аралығындағы сәуле шығарудың қуаты 10¹⁷ Вт/см² –қа жетеді, ал Күннің сәуле шығаруы қуаты тек Вт/см² қана, сонымен бірге бұл барлық спектр бойынша қосынды. см жіңішке аралыққа (лазердің спектрлік сызықтарының ені). Күннің бар болғаны тек 0,2 Вт/см² қуаты ғана келеді. Лазер шығаратын электромагниттік толқындағы электр өрісінің кернеулігі атом ішіндегі өріс кернеулігінен артып келеді.

Лазердің әсер ету принципі. Әдеттегі жағдайларда атомдардың көпшілігі ең төменгі энергетикалық күйде болады. Сондықтан төменгі температуралардағы заттар сәуле шығармайды.

Электромагниттік толқын зат арқылы өткенде оның энергиясы жұтылады. Толқын энергиясының жұтылуының әсерінен атомдардың бір бөлігі қозады, яғни жоғарғы энергетикалық күйге өтеді. Бұл жағдайда жарық шоғынан 2 және 1 деңгейлердің арасындағы энергия айырымына тең

энергия шегеріледі. Қозбаған атом мен синусоиданың кескіндісі түрінде электромагниттк толқын 1, а-суретте сүлбемен көрсетілген. Электрон төменгі деңгейде тұр. 1,б-суретте энергияны жұтып, қозған атом кескінделген. Қозған атом соқтығысу кезінде өзінің энергиясының көрші атомдарға беруі немесе кез келген бағытта шығаруы мүмкін.

1-сурет

2- сурет

Енді біз белгілі бір тәсілмен ортаның атомдарының көптеген бөлігін қоздырдық делік. Сонда жиілігі

электромагниттік толқын зат арқылы өткенде, бұл толқын әлсіремейді, керісінше, индукцияланған сәуле шығарудың есебінен күшейтеді. Соның әсерінен атомдар жиілігі мен фазасы түскен толқындардыкіндей толқын шығарып, төменгі энергетикалық күйге үйлесімді түрде өтеді. 2,а –суретте қозған атом мен толқын көрсетілген, ал 2,б – суретте схема түрінде атом негізгі күйге өтіп, толқынның күшейгендігі көрсетілген. Бірақ лазер жұмыс істеу үшін энергияның екі деңгейі жеткіліксіз. Шамның жарығы қаншалық қуатты болғанымен, қозған атомдардың саны қозбаған атомдардың санынан артық болмайды. Жарық бір мезгілде атомдарды қоздырады және жоғарғы деңгейден төменгі деңгейге индукцияланған өтуді туғызады. Бұдан құтылу жолы энергетикалық үш деңгейді (деңгейлердің жалпы саны әрқашан да өте көп, әңгіме «жұмыс істеуші» жеңгейлер жөнінде ғана) пайдалану арқылы табылады. 3-суретте энергетикалық үш деңгей кескінделген.

Үш деңгейлік жүйе. Атомдар қозған күйде ортаны алудың түрлуше әдістері бар. Рубин лазерінде бүл үшін арнаулы қуатты шам пайдаланылады. Атомдар жарықтың жұтылуы есебінен қозады.

Сыртқы әсер жоқ кездегі жүйенің әртүрлі энергетикалық күйлерде (өмір сүрі мерзімі ) мүлдем түрліше болатындығы өте маңызды. 3-деңгейде жүйе өте аз, 10^-8 с шамалас қана, өмір сүреді, одан соң өздігінен жарық шығармайды, жүйе 2 – күйге өтеді. (Энергия бұл жағдайда кристаллдық торға беріледі). 2 – күйдегі өмір сүру мерзімі бұдан 100 000 есе көп, яғни 10^-3 с-қа жуық. Сыртқы электромагниттік толқынның әсерінен 2 – күйден 1 – күйге өту сәуле шығарумен қарбалас жүреді, ол лазерлерде пайдаланылады. Қуатты шама жарық еткеннен кейін жүйе 3 – күйге өтеді де, 10^-8 с –қа жуық уақыттан соң 2 – күйде болады, мұнда ол едәуір ұзақ «өмір сүреді». Сөйтіп қозған 2 – деңгейде, қозбаған 1 –деңгеймен салыстырғанда, «асыра қоңыстану» пайда болады.

Қажетті энергетикалық деңгейлер рубин (лағыл) кристалында бар. Рубин – хром атомдарының қоспасы бар (0,05 процентке жуық) алюминий тотығының Al₂O₃ ашық қызыл кристал. Дәл осы кристалдағы хром иондары деңгейінің қажетті қасиеттері бар.

Рубин лазерінің құрылысы. Рубин кристалынан жақтаулары жазық – параллель болып келген стержень дайындалады. Спираль тәрізді (4-сурет) газ разрядтық шама көк жасыл жарық береді. Сыйымдылығы бірнеше мыңдаған микрофарада конденсаторлар батареясының қысқа мерзімді ток импульсі шаманың аса күшті жарқылын туғызады. Аз уақыттан соң 2 –энергетикалық деңгей «асыра қоныстанған» болып шығады.

4- сурет

өздігінен өту нәтижесінде кез келген бағыттағы толқындар шығарыла бастайды. Кристалл өсімен бұрыш жасай бағытталатындары одан шығып кетеді де, кейінгі процестерде ешқандай роль атқармайды. Бірақ кристалл өсінің бағытымен жүретін толқындар оның жақтауынан бірнеше рет шағылады. Ол хромның қозған иондарының индукцияланған сәуле шығаруын туғызады да, тез күшейеді.

Рубин стерженьнің бір жақтауын айналы, ал екіншісі жартылай мөлдір етіп жасайды. Ол арқылы қуатты қысқа мерзімді (ұзақтығы жүздеген микросекундқа жуық) қызыл жарықтың импульсі шығады, оның осы праграфтың басында айтылған тамаша қасиеттері бар. Барлық атомдар үйлесімді сәуле шығаратындақтан, толқын когеренттік және индукцияланған сәуле шығару кезінде жиналған барлық энергия өте аз уақытта бөлініп шығатындықтан, аса қуатты болады.

Рубин лазері импульстық режимде жұмыс істейді. Кристал ішінде үлкен жылу мөлшері бөлінеді. Оны салқындату сұйық ауа көмегімен жүзеге асырылады.

Лазер сәулесі монохроматтылығымен, бір бағыттылығымен және жоғары интенсивтілігмен ерекшеленеді. Импульстық режимде жұмыс істейтін лазерлердің қуаты импульс уақытын азайту арқылы өте үлкен мәнге ие бола алады.

Лазерлердің басқа түрлері. Біз танысқан рубин лазері импульстік тәртіпке жұмыс істейді. Сондай-ақ үздіксіз әсерлі лазерлер де бар.

Осы типтес газ лазерлерінде жұмыстық зат газ болып табылады.жұмыстық заттың атомдары электр разрядымен қоздырылады.

Үздіксіз әсер ететін жартылай өткізгішті лазерлер де қолданылады. Олар алғаш рет біздің елімізде жасалған. Бұларда сәуле шығару үшін энергия электр тогынан алынады.

Жүздеген киловаттық өте қуатты үздіксіз әсер ететін газодинамикалық лазерлер жасалған. Бұл лазерлерде «асыра қоңыстанушылық» - ұлғаю кезінде және бірнеше мыңдаған кельвинге қыздырылған асыра дыбыстық газ ағындарын адиабаттық салқындату арқылы жоғарғы энергетикалық деңгейлерде пайда болады.

Лазерлердің қолданылуы. Лазер сәулесін байланыс үшін, әсіресе жарықты жұтатын бұлттары жоқ ғарыш кеңістігінде қолданудың болашағы зор.

Лазер сәулесінің зор қуаты вакуумдағы материалдарды кептіру, пісіру, және т.б. үшін пайдаланады. Лазер сәулесінің жәрдемімен хирургиялық операция жасауға, мысалы, көз түбінен ажырап кеткен торды «дәнекерлеуге» лазер сәулелерінің когеренттігін пайдаланып, денелердің көлемдік кескіндерін алуға болады.

Лазерлер жарық лакаторын жүзеге асыруға мүмкіндік береді, олардың жәрдемімен, нәрселерге дейінгі қашықтықтық бірнеше миллиметрге дейінгі дәлдікпен өлшенеді. Радиолакатор үшін мұндай дәлдік мүмкін емес.

Лазерлік сәулелер мен атомдарды немесе молекулаларды қоздыра отырып, кәдімгі жағдайларда жүзеге аспайтын химиялық реакцияларды жүргізуге болады.

Термоядролық реакцияны басқаруды жүзеге асыру үшін қуатты лазер сәулелерін пайдаланудың болашағы зор.

Қазіргі кезде лазерлердің қолданылатын жерлері әртүрлі және көп, оның бәрін айтып шығу бір сағат көлемінде қиынға түседі.

Лазерлерді жасау – іргелі ғылымның (кванттық теорияның) дамуы техника мен технологияның алуан түрлі салаларында зор прогресс жасайтындығының мысалы.

16. ~~Монохрамат жарықтың интерференциясы. Когерентті тербелістер алу жолдарын сипаттап жазыңыз. Интерференциялық жолақтарды локализациялау. Көлбеулігі бірдей және қалыңдығы бірдей жолақтарды түсіндіріңіз.

16. ~~ Гюйгенс-Френель принципін түсіндіріңіз. Қорытынды амплитуданы есептеу жолдарын көрсетіңіз.

Гюйгенс принципі бойынша тек қана толқын фронтын анықтап, толқын амплитудасы жайлы мәлімет беруге болмайтын. Осы кемшілікті Френель толықтырып, когерентті толқындардың интерференциясы идеясын ұсынды. Френель бойынша екінші ретті жартылай сфералық толқындар когерентті болады. Экранның қандай бір нүктедегі жарық интенсивтілігін анықтау үшін барлық екінші ретті толқындардың интерференциясын ескеру қажет. Берілген жарық көзін Френель бойынша еркін формадағы тұйықталған жарқыраушы бетпен алмастыруға болады. Элементар бөліктердің когерентті болуы себепті экрандағы келген нүктедегі қорытынды тербелістің интенсивтілікті табу үшін белгілі амплитудасы мен тербеліс фазасы бар әр элементар бөліктің үлесін білу керек.

Толқын ұзындығы A монохроматты жарық S нүктесінен біртекті ортада В бақылау нүктесіне қарай таралсын. Еркін бет ретінде радиусы R сфераны алайық.

Гюйгенс - Френель принципі бойынша жарықтанушы беттің әр бөлігі екінші ретті жарық көзі ретінде қарастырылады.

Mj нүктесінің маңындағы бөлігінен шыққан қозу мынадай өрнекпен анықталады.

(1)

- В нүктесіндегі қозудың амплитудасы, көзінен

бірлік ұзындықтағы амплитуда, -ге нормаль мен бақылау нүктесі бағыты арасындағы бұрыш (дифракция бұрышы). - көлбеулік коэффициенті, екінші ретті толқындар амплитудасының бағытқа тәуелді өзгерісін сипаттайды.

Егер S жарық көзі мен бақылау нүктесі В-нің ортасында мөлдір емес экран болса, онда экранның барлық нүктесінде екінші ретті толқындардың амплитудасы нольге тең болады. Егер S пен В арасында саңылауы бар мөлдір емес экран болса, онда көмекші бет экранның мөлдір емес бөлігіне сәйкес келетіндей етіп алынады. s беттің экрандағы саңылауға сәйкес бөлігі нақты жағдайға сәйкес әр түрлі формада алынады. Бүл бөліктегі амплитуда экран болмаған жағдайдағыдай болады.

В нүктесіндегі қорытынды тербеліс амплитудасы Френельдің зоналар әдісі бойынша есептеледі. Бүл әдіске сәйкес толқын фронты орталығы болатын сақиналық зоналарға бөлінеді. Көршілес сақиналардың шетінен В нүктесіне дейінгі қашықтықтың бір-бірінен айырмасы /2 - ге тең болады.

М В - М В = М В - М В = М В - М В = ... = /2

Толқын фронтын осылай бөлу центрі В болатын радиусы төмендегідей сфера жүргізу арқылы жүзеге асырылады

В нүктесіндегі қорытынды тербеліс амплитудасы мынаған тең болады.

Е = Е -Е + Е -Е + ...+Е (2)

Көршілес зоналардың қарама-қарсы фазада тербелетінін ескеріп, қорытынды тербеліс амплитудасын есептегенде

(3)

Френельдің j зонасының радиусы былай анықталады.

Бір тектес емес ортада жарықтың түзу сызықты таралу заңдылығынан ауытқу құбылысы – дифракция деп аталады. Дифракция құбылысының айқын байқалу мүмкіндігі толқын ұзындығына және кедергі өлшеміне байланысты.

16. ~~ Дифракциялық тор. Дөңгелек саңылау мен экрандағы дифракцияны түсіндіріңіз. Рентген сәулелерінің дифракциясын және голография тәсілін түсіндіріңіз.

Дифракциялық тор

Бірдей мөлдір емес аралықтарға бөлінген ені бірдей // саңылаулар системасын дифракциялыщ тор деп атайды. Мөлдір емес бөліктің a мен мөлдір бөліктің b ендерінің қосындысын тор тұрақтысы деп атайды.

d = a +b.

Бір саңылау жағдайындағы Фраунгофер дифракциясындағыдай дифракциялық тордағы интенсивтіліктің дифракция бұрышы бойынша таралуын графикті н/е аналитикалық жолмен көрсетуге болады.

Әр саңылаудан келетін бағытындағы тербелістердің амплитудалары мен фазалары бірдей болады. Сол себепті барлық амплитуда векторлары бір түзудің бойына орналасып, қорытынды амплитуда

E = NE ,

мұндағы E₀₁ бір саңылауға сәйкес келетін амплитуда.

N саңылау жағдайында =0 бағытындағы интенсивтілік интерференцияланатын сәулелердің квадратына пропорционал артады.

Минимум бірінші және соңғы саңылаулардың фазалар айырымы болған жағдайда байқалады. Яғни, N = (мұндағы көршілес екі саңылау тербелістері арасындағы фазалар айырымы). = / , онда

Бұл максимумдар арасындағы қосымша минимумдар шартын анықтаудың мүмкіндігін туғызады.

(5)

Мұндағы k = 1,2,3, N-1.

Бас максимумнан көршілес минимумға өткенде жол айырымы /N-ге өзгеретіндіктен . Осыдан және бас максимумның бұрыштық ені . Сол себепті d = const жағдайында саңылау санының өсуімен интенсивтілік артуына сәйкес бас максимумдардың енінің кішірейгенін бақылауға болады. Нәтижесінде созылыңқы максимумдар қараңғы жолақтармен бөлінген жіңішке жолақтарға айналады. N саңылау жағдайындағы интенсивтілік мынадай формула бойынша анықталады.

(7)

және

Дөңгелек саңылау мен экрандағы дифракцияны түсіндіріңіз. Рентген сәулелерінің дифракциясын және голография тәсілін түсіндіріңіз.

Кеңістіктік дифракциялық торға қатты дененің кристалдық торы мысал бола алады. Кеңістіктік тордағы дифракцияны бақылау үшін түскен жарықтың толқын ұзындығы тор периоды тұрақтысына жуық мөлшерде болу керек. Бұл шартты тек рентген сәулелері ғана қанағаттандырады. Рентген сәулелелерінің диапазоны 10 нм - 0,001 нм аралығында орналасқан. Тор түйінінде орналасқан бөлшектер когерентті түскен жарықты шашырататын реттеліп орналасқан орталықтар ролін атқарады. Фраунгофер дифракциясында бас максимумдары Лауэ шартын қанағаттандырады.

d₁ (cos a - cos a ₀) = n₁ , d₂ (cos - cos ) = n₂ ,

d₃(cos -cos ₀) = n ₃ , (1)

Мұндағы di, d₂, d₃ - ось координаталары бойынша тор тұрақтылары, ж/е - ось координаталары мен сәуленің таралу бағыты арасындағы бұрыш, , n₂, n₃ - максимумдар ретін анықтайтын бүтін сандар.

Егер кристалдық тор ортогональды болған жағдайда арасында мынадай қатынас болу керек.

cos² + cos² + cos² = 1 (2)

Тор жазықтығынан шағылған рентген сәулелері дифракциясы Вульф-Брэгг формуласымен анықталады.

2d sin = m (3)

d - атомдық жазықтықтардың аралығы, m=1, 2, .. - дифракциялық максимум реті.

Бұл формуланы 1913 жылы бір-біріне тәуелсіз орыс ғалымы Г.В.Вульф ( 1863-1925) пен ағылшын ғалымдары Г.Брэгг (1862-1942) (әкесі) және Брэгг (баласы) (1890-1971) шығарған, сондықтан Брэгг-Вульф формуласы деп аталады.

Егер кристалға толқын ұзындықтары кең интервалды қамтитын рентген сәулелерінің шоғы түсетін болса, онда максимумдар Брэгг-Вульф формуласымен анықталатын белгілі түсу бұрыштарында ғана байқалады. (1)-ші формула бойынша -белгілі болса, онда d-ны анықтауға болады. Рентген сәулесі дифракция құбылысын, заттың кристалдық құрылымын зерттеу үшін қолдануға болады.

Затты рентген құрылымдық талдаудың үш әдісі бар.

1. Брэгг-Вульф әдісі – монокристалдық зат құрылымын зерттеуде қолданылады. Кристалға (1) монохромат рентген сәулелерінің шоғы (2) бағытталады. (1) формуладағы шартты қанағаттандыратын сырғу бұрышының тек дискретті мәндерінде шағылу болады. Иондаушы камера Затты рентген құрылымдық талдаудың үш әдісі бар.

1. Брегг –Вульф әдісі –монокристалдық зат құрылысын зерттеуде қолданылады. Кристалға (1) монохромат рентген сәулелерінің шоғы (2) бағытталады.

Формуладағы шартты қанағаттандыратын Ө сырғу бұрышының тек дискерті мәндерінде шағылу болады. Иондаушы камера (3) көмегімен әртүрлі бұрыштарға

шағылған сәулелердің интенсивтілігін өлшеп және Х –ның біліп, (1) формула бойынша кристалдың тордың d –тұрақтылығын анықтайды.

Осы тәжірибелерді рентген сәулелерінің толқындық табиғатының дәлелденуі.

2. Лауэ әдісі. Кристалға (1) рентген сәулелерінің жіңішке шоғы (2) түсіріледі. Суретте көрсетілген (1) кристал Көлемдік дифракциялық тор

болып табылады. (3) фотопластинкада дифракциялық көрініс –заңдылықпен орналасқан дақтардың жиыны алынады. Ал дақтардың орналасуы атомдардың орналасу сипатына және түсетін толқынның ұзындығына тәуелді болады. Егер шоқ бағыты кристалдық симметрия өсі бағытымен дәл келсе, онда фотопластинкадағы дақтар жиылып орталық даққа қатысты симметриялы болады. Лауэ әдісі кристалдың симметрия осьтерін анықтай үшін қолданылады.

3. Дебай-Шерер әдісі. Поликристаллдың зат торларының құрылымын зерттеу үшін қолданылады. Заттардың көпшілігі поликристалдар, яғни бір-біріне қатысты әртүрлі бағдарланып орналасқан кішкене кристалдар болады. Осы себептен поликристалдық заттарды зерттеуге тура келеді.

(Американ физиктері)

Дэвиссон және Джермер тәжірибелері.

Бұл тәжірибелерде кристалдан шығарылған электрондарың дифракциясы байқалған. Электронды-сәулелік түтік Т жәрдемімен алынған моноэнергиялы электрондардың параллель шоғы К никель кристалына бағытталады. Электрондар К кристалға түсіп, шағылды. Шағылған электрондар Д (қабылдағыш) көмегімен тіркелді. Қабылдағышты электрондар шоғына қатысты кез-келген λ-бұрышпен орналастыруға болады. Сонда шағылған электрондар беретін ток күшін қабылдағыштың орны өзгеруін (λ-бұрышын өзгертіп) және электрондардың жылдадығының өзгеруіне байланысты өлшеп, әр түрлі бағыттарда шағылған электрондардың интенсивтігі жөнінде қорытындылауға болады.

Электрондардың кристалл бетінен шағылуының рентген сәулелерінің кристаллдан дифракциялық шағылуына құсастығын көруге болады. Кристалдан шығалған рентген сәулелері интерференцияланады

Голография деп толқындар интерференциясы негізінде дененің көлемдік кескінін алу әдісін айтады. Голография идеясын 1947 ж. ағылшын ғалымы Д. Габор ұсынған.

Арнайы оптикалық қондырғыда кеңейтілген лазер сәулесінің шоғы бір мезгілде зерттелетін зат пен айнаға бағытталады. Айнадан шағылған тірек толқыны мен заттан келген толқын қарапайым фотопластинкаға түседі. Онда күрделі интерференциялық кескін тіркеледі.

Заттың толқын өрісін қалыптастыру үшін голограмманы фотопластинка орналасқан жерге орналастырып оны айнадан шағылған лазер сәулесімен бастапқы жағдайда қандай бүрышпен жарықтандырылса сондай бүрышпен экспонсиялайды. Нәтижесінде тірек толқынның дифракциясынан заттың көлемдік жалған кескінін көруге болады.

Голография әдісі қазіргі кезде көптеген қолданыс тапқан. Голография әдісімен фотоэмульсияға микрофотографиядағыдан 100-400 есе көп ақпарат жазуға болады. Голографиялық интерферометрия әдісі арқылы зерттелетін объектідегі сыртқы әсердің әсерінен болатын аздаған өзгерістерді анықтауға болады. Сонымен бірге қазіргі кезде компьютерлердің жаңа түрі, голография құбылысының негізінде жұмыс істейтін оптикалық компьютерлер жасап шығаруды ойластыру қолға алынып жатыр.

16. ~~ Поляризация жазықтығының бұрылуы. Поляризациялық құралдар және поляризация құбылысын сипаттап жазыңыз

Поляризация жазықтығының айналу бұрышы ұзындығы l оптикалық активті ерітіндіден өткен кезде мына шамаға тең болады:

(3)

мұндағы с - оптикалық активті заттың ерітіндідегі концентрациясы, [а] -меншікті айналу н/е ерітіндінің айналу тұрақтысы деп аталады. Осы теңдеудің негізінде қанттың ерітіндідегі концентрациясын анықтауға болады. Бұл құбылысқа негізделіп жұмыс істейтін құралдарды сахариметрлер деп атайды.

Френель теориясы бойынша поляризация жазықтығының айналуы оң ж/е сол бағытта айналдыратын заттардың оптикалық белсенді заттарда таралу жылдамдығының түрліше болуына байланысты.

Борн теориясына сәйкес заттардың оптикалық белсенді болуы молекулалардың симметрия центрі мен жазықтығының болмауына, молекула электрондарының өзара әсерлесуіне ж/е жарық толқынының фазасының молекуланың әр нүктесінде түрліше болуына байланысты.

Осы аталған үш фактордың нәтижесінде ортада оң немесе сол бағытта поляризацияланған толқынның пайда болуына әкеледі.

Оптикалық активті емес орта сыртқы магнит өрісінің әсерінен поляризация жазықтығын айналдыру қабілетіне ие болады. Осы құбылысты Фарадей эффекті н/е жарықтың поляризация жазықтығының магниттік айналуы деп атайды. Поляризация жазықтығының бұрылуы магнит өрісінің кернеулігіне (Н), жарық жолының ұзындығына (1) пропорционал болады.

(4)

V - Верде тұрақтысы. Бұл шама зат табиғатына ж/е жарық толқынының ұзындығына байланысты болады.

Жaрық тoлқындaрының көлдeнeң тoлқын eкeндігі қaрacтырылмaca, oлaрдың элeктрoмaгниттік тoлқын бoлaтындығы тoлық дәлeлдeнбeгeн бoлaр eді. Coндықтaн қaзіргі кeздe жaрық пoляризaцияcын өту мeктeп бaғдaрлaмacынa eндіріліп oтыр. Aлдымeн мeхaникaлық тoлқынның (ceрпімді жіп көмeгімeн), coнaн coң, элeктрoмaгниттік тoлқынның көлдeнeң тoлқындaр eкeндігі түcіндірілeді.

Тaбиғи жaрықтың пoляризaциялaнбaғaн жaрық eкeндігі aйтылaды. Кәдімгі жaрық көздeрінeн шығaтын cәулeлeр - тeрбeліcі тoлқынның тaрaлу бaғытынa пeрпeндикуляр бoлaтын көптeгeн тoлқындaр шoғы . Элeктрлік вeктoры E бір жaзықтықтa ғaнa тeрбeлeтін, тaбиғи жaрықтaн бөліп aлынғaн жaрық cәулecін пoляризaциялaнғaн жaрық дeп aтaйды. Cурeттe oл eкі тoрдың aрacындaғы cызықтaрмeн көрceтілгeн.

Тaбиғaттa өзінeн өткeндe тaбиғи cәулeні пoляризaциялaнғaн cөулeгe aйнaлдырaтын зaттaр өтe көп, oлaрды пoляризaтoрлaр дeп aтaйды. Пoляризaтoрғa aнизoтрoпты криcтaлдaр жәнe бір қaтaр әр түрлі зaттaр жaтaды. Пoляризaтoрлaрдың рөлі cурeттe кeрceтілгeн тoрлaрғa ұқcac, oлaр кeз кeлгeн бaғыттaғы тeрбeліcті тoлқындaрдaн тeк тoр caңылaулaрынa пaрaллeль бaғыттaғы тeрбeліcті тoлқындaрды ғaнa өткізeді, қaлғaн тoлқындaрды ұcтaп қaлaды.

Жaрық cәулecінің пoляризaциялaнғaнын дәл coндaй eкінші aнизoтрoпты криcтaлл көмeгімeн aнықтaй aлaмыз, oлaрды aнaлизaтoрлaр дeп aтaйды. Eгeр криcтaлдaр ocі өзaрa пaрaллeль бoлca (19,a-cурeт), oндa пoляризaтoрдaн өткeн пoляризaциялaнғaн жaрық cәулecі eш кeдeргіcіз eкінші криcтaлдaн (aнaлизaтoрдaн) өтіп кeтeді. Eгeр криcтaлдың ocьтeрі бір-бірінe пeрпeндикуляр бoлca (19,ә-cурeт), oндa бірінші криcтaлдaн (пoляризaтoрдaн) өткeн пoляризaциялaнғaн жaрық aнaлизaтoрдaн өтпeй қaлaды.

Ocы aйтылғaн құбылыcты физикa кaбинeтіндeгі жaрық пoляризaцияcын көрceтугe aрнaлғaн пoлярoидтaр көмeгімeн дeмoнcтрaциялaуғa бoлaды. Тәжірибeні қoрытындылaп, жaрық тoлқындaрының дa көлдeнeң тoлқын eкeндігінe oкушылaрдың нaзaры тaғы aудaрылaды. Тaбиғaттa дa жaрықтың пoляризaциялaнуы жүріп жaтaтындығы aйтылaды. Шaғылғaн жaрық, cынғaн жaрық, бұлдыр дeнeлeрдeн жәнe acпaннaн шaшырaғaн жaрық, қыздырылғaн дeнeлeрдeн шығaтын жaрық cәулeлeрі пoляризaциялaнғaн бoлaды.

Жaрық пoляризaцияcының прaктикaдa қoлдaнылaтын oрындaры рeтіндe oның caхaримeтрдe жәнe мөлдір дeтaльдaрдың дeфoрмaцияcын тeкceру мaқcaтындa қoлдaнылaтындығын кeлтіругe бoлaды. Caбaқтың coңындa "Жaрық пoляризaцияcы" құбылыcынa бaйлaныcты aнимaциялық көрceтілімдeр көрceтілeді.

Eң coңындa, өтілгeн құбылыcтaрдың бәрі - диcпeрcия, интeрфeрeнция, дифрaкция жeнe пoляризaция - жaрықтың тaбиғaтының тoлқындық eкeндігін жaрық тoлқыны дa элeктрoмaгниттік тoлқын eкeндігін көрceтіп бeріп oтырғaндығы жөніндe қoрытынды жacaлaды.

16. ~~ Жарықтың шашырауы. Жарықтың жұтылуын классикалық теория тұрғысынан түсіндіріңіз. Заттың сәуле шығару және жұту қабілеттері мен олардың қатынастарын атаңыз. Абсолют қара дененің моделін суреттеңіз.

Жарықтың шашырауы

Затта таралған жарықтың бағытын өзгертуін ж/е заттың өзіндік емес сәуле шығаруы бақыланатын жарықтың түрленуін жарықтың шашырауы деп аталады.

Жарықтың мөлдір емес ортада таралуын ағылшын физигі Тиндаль бақылап зерттеген. Ортадағы біртекті емес бөлшектердің өлшемі толқын ұзындығынан кішкентай болғанда (0,21 -0,11) мынадай заңдылықтарды бақылаған.

1. бастапқы бағытқа бұрышпен (бүйір бағытта) шашыраған жарық көгілдір түсті болады, яғни шашырау көрінетін жарықтың қысқа толқындық аймағында болады;

2. бастапқы табиғи шоққа тік бү_рышты бағытта шашыраған жарық толығымен сызықты поляризацияланған;

3. шашырау индикатрисасы бастапқы шоқ бағытына қатысты симметриялы ж/е оған перпендикуляр,

(5)

I ж/е I - ж/е /2 бұрышымен шашыраған жарықтың интенсивтілігі.

Жарықтың шашырауының алғашқы теориясын Рэлей жасаған. Рэлей әр түрлі шашыратушы бөлшектерден шыққан екінші ретті толқындар когерентті деп есептеп шашыраған толқындардың амплитудаларының қосындысын тапқан. Рэлей заңы бойынша:

1. Шашыраған жарықтың интенсивтілігі бөлшек радиусының алтыншы дәрежесіне тура пропорционал;

2. Шашыраған жарықтың интенсивтілігі толқын ұзындығының төртінші дәрежесіне кері пропорционал.

Заттың ішкі энергиясы есебінен болатын сәуле шығару жылулыц сәуле шыгару деп аталады.

Абсолют қара дене деп өзіне түскен жарықты бағытына, спектральдық құрамына тәуелсіз толығымен жұтатын денені айтады.

Кирхгоф, дененің сәуле шығару қабілеті мен жұту қабілеті арасындағы сандық байланысты анықтайтын заңды тағайындады.

Сәуле шығару қабілетінің жұту қабілетіне қатынасы заттың табиғатына тәуелсіз барлық зат үшін универсал температура мен жиіліктің функциясы болады.

(1)

f(v, T) шамасы Кирхгоф функциясы деп аталады.

Стефан-Больцман заңы, абсолют қара дененің энергетикалық жарқырауы оның абсолют температурасының төртінші дәрежесіне тура пропорционал деп тұжырымдалады.

(2)

= 5,67 • 10^-8 Втм² • К^-4 - Стефан - Больцман тұрақтысы.

Температура артқанда абсолют қара дененің сәуле шығаруы Вин зацына сәйкес қысқа толқын облысына ығысады.

(3)

м-К - Вин тұрақтысы.

Электродинамика заңдары мен классикалық статистикалық физиканың тепе-теңдіктегі жүйенің еркіндік дәрежесі бойынша энергияның біркелкі таралу заңы негізінде Рэлей ж/е Джинс абсолют қара дененің сәуле шығаруын түсіндіруге тырысты.

(4)

k - Больцман тұрақтысы. Рэлей-Джинс формуласы эксперимент нәтижесіне үзын толқынды аймақта ғана сәйкес келеді. Ултракүлгін облыста абсолют қара дененің сәуле шығаруы шексіздікке ұмтылады.

Планк сол кездегі классикалық физика заңдарына сүйенбей, жаңадан кванттық гипотеза негізінде абсолют қара дененің сәуле шығару теориясын жасады.

Гипотеза бойынша тербелуші осциллятор энергиясы кез келген мәнге емес, элементар бөлікке еселі - дискретті мәнді ғана ала алады. Абсолют қара дененің сәуле шығаруының Планк формуласы:

Планк формуласы эксперимент нәтижесімен толық сәйкес келді.