Wojciech Gawlik - Optyka, 2006/07. wykład 1

1/11

Podstawy Fizyki - Optyka

podręczniki:

• E. Hecht „Optics”, Addison-Wesley (1974+)

• A.N. Matveev „Optics”, Moskva (1985), „Optika” po ros. (1985)

• D. Meschede „Optics, Light and Lasers”, Wiley-VCH (2004)

• G. Chartier „Introduction to Optics”, Springer (2005)

• F.A.Jenkins, H.E.White, „Fundamentals of Optics”,

McGraw-Hill (1976)

• F.C. Crawford, „Fale”, PWN (1973)

• Feynmana Wykłady z Fizyki (zwłaszcza t. II, cz.2), PWN (1968 +)

• R.P. Feynman „QED – osobliwa teoria światła i materii”, PIW (1992)

• D. Halliday, R. Resnick, „Fizyka”, PWN

• J. Ginter „Fizyka fal”, PWN (1993)

• J. Petykiewicz „Optyka falowa”, PWN (1986)

+ czasopisma „Świat Nauki”, „Wiedza i Życie”, „Postępy
Fizyki”
+ internet
+ seminaria naukowe, Krakowskie Konwersatorium
Fizyczne PTF

www.if.uj.edu.pl/pl/ZF

Wojciech Gawlik - Optyka, 2006/07. wykład 1

2/11

niech się stanie światłość.

Rzekł
Bóg:

I stała się światłość...

Antyk :

Antyk :

cząstki (Pitagoras)

cząstki (Pitagoras)

promień biegnący od oka (Platon)

promień biegnący od oka (Platon)

Wojciech Gawlik - Optyka, 2006/07. wykład 1

3/11

Hipotezy nt. natury

Hipotezy nt. natury

światła

światła

1. Strumień cząstek ?

- przenoszenie energii

- odbicie

- załamanie





ale zmiany koloru (kryształy, warstwy, pryzmat)

polaryzacja, dyfrakcja, interferencja

2. Fale ?

znane fale
mechaniczne

ale te muszą mieć jakiś ośrodek (sprężysty)



nie rozchodzą się w próżni, a światło owszem!









Wojciech Gawlik - Optyka, 2006/07. wykład 1

4/11

Izaak Newton (1642-1727)

popierał koncepcję

korpuskularną

Autorytet Newtona opóźnił rozwój
teorii falowej światła o



100 lat

Christian Hyughens (1629-1695)

sformułował koncepcję falową

August Fresnel (1788-1827)

– słuszność koncepcji falowej
(interferencja i dyfrakcja)

Wojciech Gawlik - Optyka, 2006/07. wykład 1

5/11





Przełom

– odkrycie

fal elektro-

magnetycznych (EM)

główna trudność – jakiego typu fale (co faluje?)

i jaki ośrodek (koncepcja eteru)

teoria: J.C. Maxwell (1831 – 1879)

doświadczenie: H. Hertz (1857 – 1894)

doświadczenia z elektrycznością – powiązanie badań
nad promieniowaniem (światłem) z własnościami
ładunków elektrycznych



unifikacja oddziaływań

doświadczenia z elektrycznością – powiązanie badań
nad promieniowaniem (światłem) z własnościami
ładunków elektrycznych



unifikacja oddziaływań

Wojciech Gawlik - Optyka, 2006/07. wykład 1

6/11

S

P

Podstawowe doświadczenia nad interferencją
światła

doświadczenie Younga

gdy I

1

= I

2

= I

I(P) =

I

max

= 4I interferencja konstruktywna

I

min

= 0 interferencja destruktywna

gdy tylko jedna droga – brak prążków

gdy tylko jedna droga – brak prążków

(światło + światło = ciemność !!!)

I(P) = I

1

+I

2

+2I

1

I

2

cos 

SP

Wojciech Gawlik - Optyka, 2006/07. wykład 1

7/11

- emisja z K z wydajnością 10-30%

V = Q/C

C 10 pF
V =1.6

–13

C/10

–12

=10mV

K

A

ok. – 1000 V wzgl.



np. 12 dynod

- całkowite wzmocnienie I

A

/I

K

= (3-4)

12

10

6

e = - 1.6x10

-13

C

- przyspieszenie przez ok. 100 V

 zwiększ E

kin

 emisja wtórna, powielenie 3-4 x

- fotopowielacz liczy fotony, ściślej co ~ trzeci foton (<1)

- fotopowielacz liczy fotony, ściślej co ~ trzeci foton (<1)





np.
Fotopowielacz

A

R

C

Interferencja z licznikami fotonów

Wojciech Gawlik - Optyka, 2006/07. wykład 1

8/11

Interferencja z licznikami
fotonów

• poszczególne zliczenia
– rejestracja indywidualnych
fotonów (cząstki

cząstki

)

• rozkład prawdopodobieństw
pojawienia się fotonów
– fala

fala

Dualizm

Dualizm

: światło zachowuje się jak fala lub strumień cząstek (fotonów)

w różnych warunkach doświadczalnych

jest równocześnie i cząstką i falą

ekran  macierz liczników fotonów

Wojciech Gawlik - Optyka, 2006/07. wykład 1

9/11

http://www.iap.uni-bonn.de/
oll/graphik/kap5/heyoung.pdf

dotyczy wszelkich obiektów – również fal materii (fale de Broglie)





Dośw. z interferencją wiązki atomów He:





m

h

dB



Wojciech Gawlik - Optyka, 2006/07. wykład 1

10/11

Nietrywialne (kwantowo-mechaniczne) aspekty
interferencji:

Interferometr Macha-Zendera

• rozróżniam drogi (np. przez polaryzatory)

• fotony mają swobodę wyboru drogi –

są prążki

są prążki – jest interferencja

do interferencji konieczna nierozróżnialność trajektorii,

stanów pośrednich pomiędzy stanem początkowym (źródło)

i stanem końcowym (punkt na ekranie)

do interferencji konieczna nierozróżnialność trajektorii,

stanów pośrednich pomiędzy stanem początkowym (źródło)

i stanem końcowym (punkt na ekranie)

I(P) = |E

1

+E

2

|

2

= |E

1

|

2

+ |E

2

|

2

+ E

1

E

2

*

+ E

1

*

E

2



1



2

I(P) = |E

1

+E

2

|

2

= |E

1

|

2

+ |E

2

|

2

+ E

1

E

2

*

+ E

1

*

E

2

0

„sumuję amplitudy”

„sumuję prawdopodobieństwa”

E

1

E

2









–

brak prążków

brak prążków

Wojciech Gawlik - Optyka, 2006/07. wykład 1

11/11

E

2

• Gumka kwantowa (quantum
eraser)

informację o tym, jaką drogę przebył foton można post-factum
usunąć - „wymazać” za pomocą „gumki kwantowej”

E

1

• interferencja pojedynczych fotonów:

pojedynczy foton na płytce światłodzielącej się nie połowi
– zawsze leci albo w jednym, albo w drugim ramieniu interferometru,
a mimo to po uśrednieniu wielu zdarzeń powstaje obraz interferencyjny