Nr ćwiczenia

Ocena z teorii:

Badanie zjawiska dyfrakcji i polaryzacji światła

10

Nr zespołu

Nazwisko i imię

Ocena za sprawozdanie:

6

Dyrda Rafał

Data

Wydział

Rok

Grupa

UWAGI :

29.03.2006

EAIiE

I

I

Wiadomości teoretyczne:

•

Rów

nanie fali elektromagnetycznej:

Fala elektromagnetyczna – zaburzenie pola elektromagnetycznego w postaci impulsów falowych lub fal sinusoidalnych rozchodzących się w przestrzeni pozbawionej ładunków i prądów.

E= E m sin  kx− t

B= Bm sin kx− t 

2 

k = 

•

Rów

nania Maxwella:

Równania opisujące zależność pola elektrycznego i magnetycznego oraz ich własności: Postać różniczkowa

Postać całkowa

Nazwa

Fizyczne fakty wynikające

z równań

1

∇⋅ D= v

∮  D⋅ d  s=∫  v⋅ dv Prawo Gaussa Źródłem pola elektrycznego są ładunki.

s

v

dla elektryczności

2

d 

Prawo Faradaya

Zmienne w czasie pole magnetyczne

∇×  E =−∂  B

∮  E⋅ d  l=− B

wytwarza wirowe pole elektryczne.

∂ t

L

dt

3

∇⋅ B=0

∮  B⋅ d  l=0

Prawo Gaussa

Pole magnetyczne jest bezźródłowe, linie sił

S

dla magnetyzmu

pola magnetycznego są zamknięte.

4

d 

Prawo Ampere'a

Przepływający prąd oraz zmienne pole

∇× 

H = j∂  D

∮  H⋅ d  l= I D rozszerzone przez elektryczne wytwarzają wirowe pole

∂ t

L

dt

Maxwella

magnetyczne.

•

P

olaryzacja:

–

jest charakterystyczna dla fal poprzecznych,

–

polega na wygaszeniu składowej prostopadłej do kierunku polaryzacji drgającego wektora E,

–

światło można spolaryzować przez odbicie lub przepuszczając światło przez polaryzator,

–

jeśli w danym układzie wiązkę światła przepuszczamy kolejno przez dwa polaryzatory, to drugi z nich nazywamy analizatorem,

–

dla kąta podania α wiązka odbita jest całkowicie spolaryzowana liniowo prostopadła do płaszczyzny padania, a wiązka przechodząca jest tylko częściowo spolaryzowana, gdy: n

tg = 2 = n

n

21

,

1

gdzie:

α – kąt padania

n2, n1 n21 – współczynniki załamania,

–

reguła połowy

I = 1 I

2 0

gdzie: I – natężenie niespolaryzowanej wiązki światła przepuszczonej przez polaryzator.

Dyfrakcja:

Dyfrakcją nazywamy zjawisko ugięcia się fali przy przejściu przez przeszkodę. Przez obraz dyfrakcyjny rozumiemy rozkład natężenia oświetlenia, który otrzymujemy na ekranie, jeśli na drodze rozchodzącej się fali umieszczona została przeszkoda.

Minimum dyfrakcyjne : a sinθ = mλ

m = 1,2,...

λ

Maksimum dyfrakcyjne: a sinθ = (2 m + ) 1

m = 1,2...

2

•

Int

erferencja:

Podstawowym zjawiskiem ruchu falowego jest interferencja, czyli nakładanie się ruchów falowych, z tym, że jest to zjawisko, które zachodzi dla fal o tej samej częstotliwości ze stałym w czasie przesunięciem fazowym.

•

S

pójność:

a) czasowa

Fale nazywamy wzajemnie spójnymi, jeżeli ich względna faza (różnica faz) nie zmienia się w czasie; są one zdolne do interferencji. Spójność czasowa to zdolność do interferencji dwóch fal świetlnych wychodzących w tym samym kierunku z tego samego punktu źródła światła w dwóch różnych chwilach ze względnym opóźnieniem t.

b) przestrzenna

Spójność przestrzenna to zdolność do interferencji światła ze źródła rozciągłego po zapewnieniu całkowitej spójności czasowej.

Prawo Malusa.

Jeżeli przepuścimy wiązkę światła spolaryzowanego o natężeniu I0 przez analizator, to natężenie światła przepuszczonego będzie zależeć od kąta α zawartego pomiędzy płaszczyzną polaryzacji polaryzatora (wiązki padającej), a płaszczyzną polaryzacji analizatora. Natężenie światła jest proporcjonalne do kwadratu amplitudy wektora natężenia pola elektrycznego fali świetlnej. Polaryzator rozkłada amplitudę fali padającej E na składową równoległą do płaszczyzny polaryzacji równą Ecosα i prostopadłą, ale tylko składowa równoległa jest przepuszczana. Ponieważ natężenie światła jest proporcjonalne do kwadratu amplitudy fali, więc natężenie światła przepuszczonego przez analizator jest proporcjonalne do kwadratu cosα, skąd wynika prawo Malusa:

2

I = I0 cos Θ

gdzie:

I - natężenie światła po przejściu przez polaryzator,

I0 - natężenie światła przed polaryzacją, Θ - kąt między osią transmisji polaryzatora a wektorem pola E padającej wiązki (kąt między płaszczyzną drgań światła padającego i płaszczyzną polaryzatora).

•

M

etody wytwarzania światła spolaryzowanego:

- przez płytkę polaryzującą (polaroid)

- przez odbicie od dielektryka

- przez podwójne załamanie w krysztale

•

S

ubstancje czynne optycznie:

Substancje wykazujące czynność opt. (aktywność optyczna), czyli skręcające płaszczyznę polaryzacji światła spolaryzowanego liniowo o pewien, charakterystyczny dla danej substancji kąt w prawo lub w lewo. Właściwość tę wykazują niektóre związki chem. w stanie gazowym, ciekłym i w roztworach, a także kryształy, tzw. kryształy optycznie czynne.

•

P

olarymetr:

Jest to przyrząd optyczny służący do pomiaru stężenia roztworów, których cząsteczki skręcają płaszczyznę polaryzacji światła. Polarymetr służy też do określania czynności optycznej czystych związków chemicznych oraz określania składu mieszanin enancjomerów.

•

L

aser – budowa i działanie:

LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) - wzmocnienie światła przez wymuszoną emisję promieniowania. Zjawisko promieniowania lasera wyróżnia się dużą gęstością mocy, małym rozmyciem energetycznym promieniowania (monochromatyczność), skolimowaniem, spójnością wiązki i polaryzacją liniową.

Warunkami koniecznymi do powstania samorzutnej generacji światła spójnego są:

- inwersja obsadzeń (stan, w którym liczba atomów w stanie o wyższej energii jest większa od liczby atomów w stanie o niższej energii),

-dołączenie dodatniego sprzężenia zwrotnego, realizowane zwykle poprzez układ równoległych zwierciadeł zawracających z powrotem część fotonów do ośrodka czynnego.

Ośrodek czynny będący wzmacniaczem światła razem z układem sprzężenia zwrotnego staje się samo wzbudnym generatorem fali świetlnej - laserem.

Dla lasera He-Ne ośrodkiem czynnym jest mieszanina helu i neonu o ciśnieniu całkowitym około 1,3 hPa. Stosunek ilości helu do neonu wynosi około 10:1. Gaz znajduje się wewnątrz szczelnej kwarcowej rury z elektrodami. Przyłożenie do elektrod wysokiego napięcia powoduje wyładowanie w gazie. Przyspieszone elektrony zderzają się z atomami helu i neonu, wzbudzając je. Do wyboru jednej konkretnej długości fali stosuje się lustra dielektryczne. Foton wypromieniowany spontanicznie w kierunku osi lasera napotyka na swojej drodze wzbudzone atomy neonu. Ze względu na zapewnioną inwersję obsadzeń emisja wymuszona przeważa nad absorpcją i fotony się mnożą. Powstająca wiązka jest lawiną spójnych fotonów o energii określonej przez foton wymuszający. Selektywne lustra dielektryczne przez odbicie większości fotonów promieniowania o jednej długości fali realizują dodatnie sprzężenie zwrotne.

Obecnie różne generacje laserów są źródłem światła od podczerwieni do ultrafioletu, czyli pokrywają zakres długości fal świetlnych dla obszaru optycznego z włączeniem podczerwieni i ultrafioletu.