Презентация на тему "Оптика и атомная физика"

Презентация: Оптика и атомная физика
1 из 71
Ваша оценка презентации
Оцените презентацию по шкале от 1 до 5 баллов
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
0.0
0 оценок

Комментарии

Нет комментариев для данной презентации

Помогите другим пользователям — будьте первым, кто поделится своим мнением об этой презентации.


Добавить свой комментарий

Аннотация к презентации

Посмотреть и скачать презентацию по теме "Оптика и атомная физика" по физике, включающую в себя 71 слайд. Скачать файл презентации 0.38 Мб. Большой выбор учебных powerpoint презентаций по физике

  • Формат
    pptx (powerpoint)
  • Количество слайдов
    71
  • Слова
    физика
  • Конспект
    Отсутствует

Содержание

  • Презентация: Оптика и атомная физика
    Слайд 1

    Оптика и атомная физика

    Лектор: профессор кафедры оптики и биомедицинской физики СГУ, д.ф.м.н.,Dr. Habilit Проф. С.С.Ульянов pptcloud.ru

  • Слайд 2

    В основу настоящего конспекта лекций положен курс лекций по оптике, разработанный профессором кафедры оптики Н.К. Сидоровыми заведующим кафедры оптики и биомедицинской физики профессором В.В. Тучиным

  • Слайд 3

    Лекция 1

    Введение

  • Слайд 4

    Оптикой называют учение о свете. В процессе исторического развития оптика неоднократно занимала лидирующие позиции в познании окружающего нас мира, создании методов и устройств для улучшения жизни человека. В настоящее время в связи с появлением лазеров и волоконной оптики оптика переживает очередной период бурного развития.

  • Слайд 5

    В свое время оптика сыграла решающую роль в познании строения атома, строения вещества. До сих пор оптическая спектроскопия является одним из наиболее эффективных средств изучения строения сложных биологических объектов, вновь синтезированных материалов, контроля загрязнения окружающей среды и пр.

  • Слайд 6

    В технике и технологии, особенно в микроэлектронике, существенную роль играют оптические методы контроля и измерения (неразрушающие методы), а также технологические процессы с использованием света (например, фотолитография).

  • Слайд 7

    Немного истории. Еще у древних людей в разных формах существовали два подхода к проблеме передачи энергии от Солнца к Земле светом: либо свет должен быть потоком частиц (типа летящей пули, среда не нужна), либо свет является системой волн (аналогично морской волне, акустическим волнам) и должен переносить энергию посредством среды.

  • Слайд 8

    Первая научная теория света была предложена Ньютоном во второй половине 17 века. Ньютон отстаивал корпускулярную теорию - теорию истечения световых частиц, летящих прямолинейно, согласно законам механики. Главные аргументы для Ньютона - это прямолинейность распространения света, отражение света, как механических частиц (угол падения равен углу отражения).

  • Слайд 9

    Против волновой теории - это необходимость наличия среды - эфира, что затрудняло бы движение планет. Преломление света Ньютон объяснял притяжением световых частиц преломляющей средой (силы притяжения действуют по нормали), теория дает, что скорость света в среде больше, чем в воздухе. У самого Ньютона, однако, были экспериментальные факты, не укладывающиеся в корпускулярную теорию - кольца Ньютона.

  • Слайд 10

    Основы волновой теории были заложены Гюйгенсом (хотя он не может считаться творцом волновой теории света). Всякий волновой процесс характеризуется пространственно-временной периодичностью, но Гюйгенс не считал световой импульс периодическим. Под волной он понимал сферическую поверхность, подобную волнам на воде.

  • Слайд 11

    Из идей Гюйгенса наибольшую ценность представляет общий принцип, носящий его имя и выдвинутый им для отыскания направления распространения света. При помощи принципа Гюйгенса легко объяснялись законы преломления и отражения.

  • Слайд 12

    Он гласит: каждая точка, до которой доходит световое возмущение, является, в свою очередь, центром вторичных волн; поверхность, огибающая эти вторичные волны, указывает положение фронта действительно распространяющейся волны.

  • Слайд 13

    В отличие от теории корпускул волновая теория дает, что скорость света в оптически более плотной среде 2 меньше, чем в оптически менее плотной 1. Для разрешения противоречия нужны были прямые измерения 1 и 2.

  • Слайд 14

    Интерференционные опыты Юнга и Френеля противоречили механистической теории корпускул (и). Было также обнаружено, что свет (подобно звуку) может отклоняться от прямолинейного распространения, огибать препятствия. Это явление дифракции, которое в полной мере не объясняется корпускулярной теорией.

  • Слайд 15

    Дальнейшее развитие волновая теория света получила в работах Эйлера и Ломоносова. Эйлер критиковал теорию истечения - Солнце испускает непрерывно и должно иссякнуть. Ломоносов - свет есть колебательное движение в эфире, и цвет определяется длиной волны, при поглощении света вес вещества не увеличивается. Развитие волновой теории - Юнг и Френель.

  • Слайд 16

    Волновая теория прекрасно объясняет явления дифракции, интерференции (и поляризации), законы отражения и преломления, и даже прямолинейное распространение света.

  • Слайд 17

    Шла постоянная борьба между сторонниками корпускулярной и волновой теорий. Решающий опыт - это прямое измерение скорости света в среде. В 1862 году Фуко произвел такой опыт, и оказалось, что в воде скорость света меньше, чем в воздухе. Волновая теория победила теорию истечения. Но насколько прочна была эта победа?

  • Слайд 18

    Все дифракционные опыты в том виде, как они производились со времен Юнга и Френеля, описывались волновым дифференциальным уравнением при данных граничных и начальных условиях

  • Слайд 19
  • Слайд 20

    Само уравнение легко выводится в теории упругости сплошной среды. Если бы удалось независимо доказать существование среды - эфира, то волновая механистическая теория света была бы доказана. Два главных возражения - движение небесных тел, и необходимость (из-за большой частоты световых колебаний ~1015 с-1) высокой упругости, следовательно, и плотности среды (на уровне стали). Что доказывает немеханистическую природу света.

  • Слайд 21

    Волновая теория света получила неожиданную поддержку в области электрических и магнитных явлений, в области электродинамики, немеханистической теории Максвелла.Путем, совершенно независимым от классической механики, математическим обобщением опытных законов электромагнетизма Максвелл получил основные уравнения электродинамики, из которых однозначно вытекало волновое уравнение света.

  • Слайд 22

    На опыте было показано, что электрические и магнитные возмущения распространяются со скоростью света, при этом связь электрических и магнитных состояний такова, что в пространстве должны распространяться электромагнитные волны. Эти волны, предсказанные теоретически Максвеллом, были на опыте обнаружены Герцем.

  • Слайд 23

    В изолирующей среде распространяютсяэлектромагнитные волны; изменение скорости движущегося электрона (а движение заряда под действием сил всегда ускоренное) можно рассматривать как ослабление или усиление электрического тока; оно сопровождается ослаблением (или усилением) связанного с движущимся электроном магнитного поля.

  • Слайд 24

    Изменение магнитного поля индуцирует в окружающем пространстве переменное электрическое поле, которое образует вокруг себя свое магнитное поле и т.д.

  • Слайд 25

    Свет - электромагнитная волна. Это объясняло и взаимодействие света с веществом: движение заряженных частиц - излучение света; поглощение и рассеяние света - это взаимодействие электромагнитной волны с заряженными частицами внутри атома.

  • Слайд 26

    Волновая теория света на электромагнитной основе к концу 19 века была доказана, отпало главное возражение Ньютона о необходимости эфира для механической волновой теории. Казалось бы, это окончательная победа волновой теории.

  • Слайд 27

    Однако новые факты и осмысления хорошо известных фактов по взаимодействию света с веществом, а именно давление света, химическое действие света (например, выцветание ткани, которое идет постепенно), фотоэффект, поглощение света, рассеяние, флуоресценция, нагрев и пр. привели к тому, что гипотеза о корпускулах - квантах света - получила новое развитие.

  • Слайд 28

    В самом начале 20 века Макс Планк, рассматривая излучение нагретого тела, сделал замечательное открытие. Оказалось, что свет может поглощаться и излучаться лишь вполне определенными порциями энергии, названными квантами:

  • Слайд 29

    В 1887 году Герц открыл фотоэффект, который детально был изучен Столетовым. Энергия выбитых электронов не зависит от интенсивности, а определяется лишь частотой (длиной волны) света

  • Слайд 30

    Красная граница фотоэффекта. Нет объяснений со стороны волновой теории. Эйнштейн в 1905 году построил теорию фотоэффекта, согласно которой свет - это поток частиц квантов или фотонов с энергией h каждого, следовательно, энергия выбитых электронов пропорциональна частоте света, что и имеет место на опыте:

  • Слайд 31
  • Слайд 32

    Квантовый характер светаможно наблюдать визуально - опыты Вавилова (малые интенсивности в затемненной комнате, т.к. в темноте глаз имеет чрезвычайно высокую чувствительность, наблюдается прерывистость потока, флуктуации, шумы).

  • Слайд 33

    Итак, снова возродилась идея квантовой природы света. Но это не было возвратом к ньютоновским представлениям. Это было формирование новых, более глубоких и сложных понятий. Налицо противоречие, которое не укладывается в нашу систему привычных понятий.

  • Слайд 34

    Кажущиеся непреодолимыми внутренние противоречия были обнаружены на пороге 19 - 20 веков не только в световых явлениях, но и в свойствах вещества: масса тел оказалась зависящей от их скорости, потребовался пересмотр понятий пространства и времени.

  • Слайд 35

    С этой точки зрения вскрытое в итоге развития оптики "непреодолимое" противоречие волновых и корпускулярных свойств света - есть новое выражение диалектики природы, реального единства противоположностей.

  • Слайд 36

    Упрощенные механистические представления классической физики о непрерывных волнах и частицах, якобы исключающих друг друга, в действительных явлениях природы уживаются одновременно.

  • Слайд 37

    Это непривычное для нас противоречивое единство свидетельствует только о недостаточности и примитивности нашей механистической картины. Материя действительного мира бесконечно сложнее упрощенных метафизических образов, возникающих у нас в силу привычки и длительного, обыденного опыта.

  • Слайд 38

    Существующий материальный мир - движущаяся материя - представляется нам в двух основных формах - как вещество и свет (электромагнитное поле). Вещество во всем своем многообразии состоит из электронов, протонов и нейтронов. Вещество казалось более понятным, чем свет, который одновременно обнаруживал свойства волн и частиц. Свет всегда отождествлялся с движением. Однако физика вполне примирялась с "покоящимся" веществом.

  • Слайд 39

    Однако с точки зрения диалектического мировоззрения такая форма материи, лишенная движения, чистая абстракция. Она действительно оказалась таковой, как это показали совсем неожиданные и удивительные опыты, проведенные в 1927 году. Было обнаружено, что поток электронов, протонов и молекул, встречая малые препятствия и отверстия, дает такие же отчетливые дифракционные явления, как и свет, т.е. обладает теми же основными свойствами волн.

  • Слайд 40

    Таким образом, с механикой случилось то же самое, что с оптикой - лучевая (геометрическая) оптика  волновая оптика (малые размеры); механика Ньютона была "лучевой механикой", но открытия нашего времени (в микромасштабе) показали, что за ней скрывается более общая "волновая механика".

  • Слайд 41

    Не следует, однако, отождествлять "волны вещества" с волнами света. Природа их различна - свет - это электромагнитные волны. Материя, т.е. вещество и свет, одновременно обладают свойствами волн и частиц, но в целом это не волны и не частицы и не смесь того и другого. Наши механические понятия не в состоянии полностью охватить реальность, для этого не хватает наглядных образов.

  • Слайд 42

    Формальная математическая теория света, хотя и не вполне совершенная, в настоящее время существует, она создана Дираком и охватывает почти весь круг известных явлений. В частности, на основании этой формальной математической теории света Дираком было предсказано, что в сильном электрическом поле, которое реализуется вблизи атомного ядра, световые кванты с длинами волн не более 0,001 нм могут распадаться на две противоположно заряженные частицы - электрон и позитрон.

  • Слайд 43

    Т.е. свет превращается в вещество, возможно и обратное превращение. Это предсказание блестяще подтвердил эксперимент при облучении свинца -квантами.

  • Слайд 44

    История исследования света, его природы и сущности далеко не закончена; несомненно, что впереди науку ждут новые открытия в этой области, что мы ближе подойдем к истине, а техника обогатится новыми средствами. К наиболее революционным достижениям 20-го века в области оптики - это, конечно, создание лазеров и разработка волоконно-оптических технологий.

  • Слайд 45

    Уравнения Максвелла для изотропного однородного незаряженного диэлектрика

    e, m - cкаляры , e=const, m=1,r=0, j=0

  • Слайд 46

    СИ

  • Слайд 47

    CGSE (СГСЭ)

    Для анизотропного диэлектрика

  • Слайд 48

    e=const, m=1,r=0, j=0

  • Слайд 49
  • Слайд 50

    Волновое уравнение

  • Слайд 51

    Или: волновое уравнение

  • Слайд 52

    Здесь: (СИ)

  • Слайд 53

    Скалярные волны

    Плоские волны Сферические волны Цилиндрические волны

  • Слайд 54

    Плоские волны.Рассмотрим волновое уравнение:

  • Слайд 55

    уравнение плоской волны, распространяющейся вдоль единичного вектора n, т.к. в каждый момент времени величина Е постоянна в плоскостях nr=const (уравнение плоскости). Поверхностью одинаковой фазы является плоскость.

  • Слайд 56
  • Слайд 57

    Если вместо трехмерного волнового уравнения взять одномерное:

    то ему удовлетворяет плоская волна, распространяющаяся вдоль оси z:

  • Слайд 58

    Если n направлен вдоль r , то nr= r и решением волнового уравнения является выражение:

    представляющее собой уравнение сферической волны, т.к. в каждый момент времени Е постоянна на поверхности сферы r=const.

  • Слайд 59

    Решение в виде

    представляет собой волну, т.е. процесс распространения колебаний.

  • Слайд 60

    Дляописания сферических волн пользуются сферической системой координат:

  • Слайд 61

    Тогда волновое уравнение

  • Слайд 62

    приобретает вид

  • Слайд 63

    В частном случае, когда Е не зависит от угловых координат, и  , волновое уравнение можно записать в виде:

  • Слайд 64

    или

  • Слайд 65

    Замена переменных u=rE, дает:

  • Слайд 66

    После подстановки в

    Получаем:

  • Слайд 67

    Решением этого уравнения

    является

  • Слайд 68

    Тогда, окончательно, выражение для Е примет вид:

  • Слайд 69

    цилиндрическая система координат:

  • Слайд 70

    В частном случае, когда Е не зависит от азимутального угла  и от координаты z, решением волнового уравнения, имеющего вид:

  • Слайд 71

    решением волнового уравнения

    является:

Посмотреть все слайды

Сообщить об ошибке