WŁASNOŚCI ŚWIATŁA. 1. Optyka geometryczna i falowa zasady i prawa optyki geometrycznej całkowite wewnętrzne odbicie; światłowody

Transkrypt

1 WŁASNOŚCI ŚWIATŁA 1. Optyka geometryczna i falowa zasady i prawa optyki geometrycznej całkowite wewnętrzne odbicie; światłowody 2. Oddziaływanie fali z materią dyfrakcja promieni X na sieci krystalicznej i techniki badania struktury oddziaływanie mikrofal z materią 3. Oddziaływanie światła z materią: zjawisko fotoelektryczne 4. Dwoista natura światła: foton i jego własności 5. Idea de Broglie: dualizm cząstkowo-falowy

2 OPTYKA Jeśli przeszkody mają duże rozmiary w porównaniu z długością fali, to można powiedzieć, że promieniowanie rozchodzi się po liniach prostych i efekty falowe nie grają roli a θ r θ względne natężenie l a= λ a=5λ l l a=10 λ 10 q (deg) λ <<rozmiar przeszkody λ ~rozmiar przeszkody optyka geometryczna optyka falowa

3 OPTYKA GEOMETRYCZNA: WSPÓŁCZYNNIK ZAŁAMANIA Zasady optyki geometrycznej: 1. światło rozchodzi się po liniach prostych, prostopadłych do czoła fali (promienie światła). 2. Światło w ośrodku przeźroczystym rozchodzi się z mniejszą prędkością niż w próżni, v=c/n, gdzie n jest współczynnikiem załamania światła. WSPÓŁCZYNNIK ZAŁAMANIA n=c/v Ośrodek współcz. zał. powietrze woda 1.33 alkohol 1.36 kwarc 1.46 szkło 1.52 polietylen 1.52 szafir 1.77 diament 2.42

4 PRAWA OPTYKI GEOMETRYCZNEJ PRAWA ODBICIA Jeżeli światło pada na powierzchnię zwierciadła, to odbija się od niego tak, że promień padający i odbity leżą w jednej płaszczyźnie, oraz że kąt padania równy jest kątowi odbicia. kąt padania α kąt odbicia α PRAWA ZAŁAMANIA (SNELLIUSA) Na granicy dwóch ośrodków światło załamuje się tak, że : sin( α) sin( β) V1 = V 2 = gdzie n 21 jest współczynnikiem załamania ośrodka 2 względem 1. n 21 = c V c V 2 1 n = n 2 1 kąt padania α ośrodek 2: V 2 ośrodek 1: V 1 kąt załamania β

5 CAŁKOWITE WEWNĘTRZNE ODBICIE; ŚWIATŁOWODY Jeśli światło przechodzi z ośrodka optycznie gęstszego (duże n) do rzadszego (małe n), to dla pewnego kata krytycznego może nastąpić całkowite wewnętrzne odbicie: światło nie może wyjść z ośrodka gęstszego optycznie Na granicy dwóch ośrodków światło załamuje się tak, że : sin( α) sin( β) n = n Ale n 2 < n 1, czyli może więc β być 90 0, nawet jeśli α jest mniejsze. Jeśli β =90 0, to następuje całkowite wewnętrzne odbicie 2 1 α ośrodek 2; n 2 odbicie ośrodek 1; n 1 β n 1 > n 2 światłowód

6 FALOWA NATURA PROMIENIOWANIA ELEKTROMAGNETYCZNEGO: ROZPROSZENIE PROMIENI RENTGENA NA SIECI KRYSTALICZNEJ wiązka padająca wiązka padająca θ d hkl elektrony wokół jądra wiązka rozproszona θ x Wiązka promieni X pada na materiał Elektrony atomów drgają i promieniują Wypadkowe natężenie pola E jest wynikiem interferencji tych fal Ponieważ w krysztale atomy ułożone są regularnie, dlatego promieniujące elektrony (też ułożone regularnie) zachowują się jak układ wielu szczelin: atomowa siatka dyfrakcyjna

7 PRAWO BRAGGA d hkl wiązka padająca θ θ x ANALIZA BRAGGA Różnica dróg optycznych między promieniami odbitymi na sąsiednich płaszczyznach: =2x ale x/d hkl = sin θ x=d hkl sin θ =2x = 2 d hkl sin θ Promienie się wzmacniają, jeśli równa jest wielokrotności długości fali: Intensity (%) 2,2, θ ( Ĺ) θ [20,60 ] B = 2.0 Ĺ o lampa Cu, λ= ĺ θ 2θ 2θ prawo Bragga nλ = 2 d hkl sin θ 30 2,2,2 4,2, ,2,2 4,0,0 4,4,2 2 θ ( )

8 RÓŻNE METODY OBSERWACJI STRUKTUR KRYSTALICZNYCH Aby doprowadzić do spełnienia warunku Bragga nλ = 2 d hkl sin θ trzeba zmienić θ lub λ Metoda Lauego: monokryształ białe promieniowanie zastosowanie:orient acja monokryształów Metoda Debye'a- Scherrera polikryształy promieniowanie monochromatyczne zastosowanie:anali za fazowa monochromator lampa rentgenowska obrót 2θ kolimator próbka obrót θ 2θ

9 PROMIENIOWANIE SYNCHROTRONOWE

10 SYNCHROTRON: CO MOŻNA MIERZYĆ Wiele własności materiału może być wyjaśnione w oparciu o ich strukturę mikroskopową, a ta może być zbadana techniką dyfrakcji promieni X, czasami na bardzo małych próbkach i przeprowadzaną w czasie ruchu Zastosowanie: Medycyna, Biologia, Fizyka, Mechanika i Nauka o materiałach Materiałoznawstwo: polimery (pajęczyna) Rezultat: Znaleziono związek własności elastycznych z ułożeniem łańcuchów atomów Badanie zmęczenia materiałów materiał bez naprężeń materiał z naprężeniem pękanie

11 ODDZIAŁYWANIE MIKROFAL Z MATERIĄ Mikrofale (λ= cm ) mają częstość bliską częstości drgań molekuł Mikrofale mogą pobudzić niektóre molekuły do drgań, szczególnie te, które są dipolami Woda podlega drganiom pod wpływem padającego promieniowania elektromagnetycznego z zakresu mikrofalowego drgania wody Ta własność wykorzystana jest w kuchniach mikrofalowych

12 ODDZIAŁYWANIE CZĄSTECZEK WODY: PODGRZEWANIE Cząsteczki wody oddziałują na siebie. Bezpośrednie zderzenia Przyciąganie dipoli (wiązanie wodorowe) Ruch drgający cząsteczek wody jest tłumiony: z powodu oddziaływania między cząsteczkami energia fali zostaje zamieniona na wszystkie rodzaje drgań, co powoduje zwiększenie temperatury tarcie

13 ZJAWISKO FOTOELEKTRYCZNE Polega na tym, że jeśli powierzchnię metalu oświetla się światłem, to z metalu wybijane są elektrony. światło płyta metalowa elektro ny naładowany elektroskop Energia elektronu w metalu: elektron jest w metalu związany jego energia będzie ujemna względem energii elektronu daleko od metalu przyjmowanej jako energia odniesienia. E metal zewnętrze metalu powierzchnia metalu Aby elektron z metalu wyrzucić konieczne jest wykonanie pracy: pracy wyjścia. W energia elektronów na zewnętrz metalu energia elektronów wewnątrz metalu

14 ZJAWISKO FOTOELEKTRYCZNE: EKSPERYMENT światło wzrastające natężenie wzrastająca częstość - + elektrony napięcie odcięcia napięcie odcięcia - + napięcie opóźniające napięcie opóźniające fotoefekt 1)brak jest progu natężenia światła; liczba elektronów zależy od natężenia. 2)energia elektronów nie zależy od natężenia energia kinetyczna elektronów 3)istnieje próg f 0 poniżej którego brak jest wybitych e, natomiast powyżej f 0 energia elektronów rośnie z f. f 0 częstość

15 ZJAWISKO FOTOELEKTRYCZNE: WYJAŚNIENIE EINSTEINA Nie jest możliwe wyjaśnienie zjawiska fotoelektrycznego w oparciu o elektrodynamikę klasyczną WYJAŚNIENIE EINSTEINA Einstein: światło jest zbiorem porcji energii: kwantów o energii E=hf :fotonów Fotony zachowują się jak cząstki. Jeśli foton zderza się z elektronem to może mu przekazać całą swoją energię. Część energii kwantu potrzebna jest do wyjścia elektronu z metalu, pozostała część zwiększa jego energię kinetyczną (już elektronu swobodnego) elektron pochłonie foton wychodząc na zewnątrz tylko wtedy, gdy energia fotonu przynajmniej wyniesie W 0, a nadwyżka energii fotonu ponad W 0 będzie energią kinetyczną elektronu: hf=w 0 +E K E metal W 0 E K zewnętrze metalu powierzchnia metalu energia elektronów na zewnętrz metalu energia elektronów wewnątrz metalu

16 ŚWIATŁO: CZĄSTKI, CZY FALE? FALE CZĄSTKI Zjawisko fotoelektryczne: Zjawisko Comptona: Promieniowanie ciała doskonale czarnego E = hf E K = hf-w 0 Ulega interferencji Światło-fotony nie można sklasyfikować jako wyłącznie fale, albo wyłącznie cząstki. Światło jest czymś do czego opisu konieczny jest inny język

17 WŁASNOŚCI FOTONU DŁUGOŚĆ FALI λ jest określona eksperymentem dyfrakcyjnym ENERGIA E = hf = hc λ Przykład: Obliczyć energię czerwonego światła emitowanego przez wodór λ=656nm E = hc/ λ=(6.63*10-34 Js*3*10 8 m/s)/656*10-9 m=3.03*10-19 J=1.89eV Elektronowolt: inna jednostka energii V= 1V Jaką prace trzeba wykonać, aby elektron przesunąć między punktami o różnicy potencjałów 1V W=e V= 1.6*10-19 C* 1V= 1.6*10-19 CJ/C= 1.6*10-19 J=1eV 1eV= 1.6*10-19 J

18 WŁASNOŚCI FOTONU MASA E = hf=mc 2 hf mfoton = 2 c = h cλ Ponieważ foton ma energię, to także ma masę, chociaż jego masa spoczynkowa=0 Przykład: Galaktyka, działając jak soczewka, może dać wielokrotne obrazy odległego kwazara soczewkowanie grawitacyjne: ponieważ masa przyciąga grawitacyjnie fotony, to możliwa jest obserwacja obiektu znajdującego się za masywną galaktyką PĘD p=mc p = m foton c = h λ

19 CZY DZIĘKI EKSPERYMENTOWI WIEMY JUŻ WSZYSTKO?

20 CZY DZIĘKI EKSPERYMENTOWI WIEMY JUŻ WSZYSTKO? Nie wiemy naprawdę jaki jest obiekt który obserwujemy. Wynik doświadczenia raz światło widzimy jako falę a raz jako zbiór cząstek- to wszystko co o obiektach mikroświata możemy powiedzieć. Są czymś, czego nie potrafimy sobie wyobrazić. I dlatego do ich opisu potrzebny jest nowy język

21 EKSPERYMENT Z DWIEMA SZCZELINAMI: CZĄSTKI Prawdopodob. dojścia kuli do miejsca x ściany tylko przez szczelinę 1: P 1 Prawdopodob. dojścia kuli do miejsca x ściany tylko przez szczelinę 2: P 2 Prawdopodob. dojścia kuli do miejsca x ściany przez szczelinę 1 i 2: P=P1+P2 CZĄSTKI cała kula przybywa do ekranu, brak interferencji karabin natężenie prawdop. ~P 1 +P 2

22 EKSPERYMENT Z DWIEMA SZCZELINAMI: ŚWIATŁO natężenie światła E 0 1 = E sin (kx ωt) natężenie ~(E 1 ) 2 E 0 2 = E sin (kx ωt) natężenie ~(E 1 ) 2

23 EKSPERYMENT Z DWIEMA SZCZELINAMI: ŚWIATŁO natężenie światła DETEKTOR: oko tylko część energii w punkcie ekranu, interferencja DETEKTOR: zjaw. fotoelektryczne światło dochodzi grudkami, interferencja natężenie ~(E 1 +E 2 ) 2 Gdyby pierwszym eksperymentem ze światłem było zjawisko fotoelektryczne, lub zjawisko Comptona, to wynik interferencji na 2 szczelinach byłby zupełnie niezrozumiały swiatło

24 IDEA DE BROGLIE A Wszystkie cząstki mikroświata mają tę własność, że czasem, w niektórych eksperymentach zachowują się jak fale, a czasem jak zwykłe cząstki. Wzory p obowiązują zawsze = h λ E = hf Potrzebny jest nowy język i nowy aparat matematyczny do opisu takich tworów MECHANIKA KWANTOWA