Undele și sursele care le excită sunt numite coerente dacă diferența de fază dintre undele F2 - F1 nu depinde de timp.
4. Cum se numește marginea roșie a efectului fotoelectric?
Efectul fotoelectric nu are loc dacă frecvența luminii este mai mică decât o anumită valoare νmin caracteristică fiecărui metal, numită limita roșie a fotoefectului. Dacă frecvența luminii incidente pe catod este mai mare sau egală cu ν min, atunci efectul fotoelectric va fi (ν ≥ ν min), dacă ν< ν min , то фотоэффекта не будет.
5. . Care este inducția magnetică a câmpului solenoidului Desenați liniile inducției magnetice a câmpului solenoidului.
N/l – numărul de spire pe unitate de lungime.
6. Ce este caracteristic spectrului radiații cu raze X?
Un studiu al compoziției spectrale a radiațiilor X arată că spectrul acesteia are o structură complexă și depinde atât de energia electronilor, cât și de materialul anodului. Spectrul este o suprapunere a unui spectru continuu, limitat pe partea cu lungimea de undă scurtă de o anumită limită l min, numită graniță a spectrului continuu, și a unui spectru de linie - un set de linii individuale care apar pe fundalul spectrului continuu. Cercetările au arătat că natura spectrului continuu este complet independentă de materialul anodului, dar este determinată doar de energia electronilor care bombardează anodul. Un studiu detaliat al proprietăților acestei radiații a arătat că este emisă de electronii care bombardează anodul ca urmare a inhibării lor în timpul interacțiunii cu atomii țintă. Prin urmare, un spectru continuu de raze X se numește spectru bremsstrahlung. Această concluzie este în acord cu teoria clasică a radiației, deoarece atunci când sarcinile în mișcare sunt decelerate, ar trebui să apară de fapt radiația cu un spectru continuu.
Cum se numește iradierea?
iradierea, valoarea Ee, egală cu raportul dintre fluxul de radiație incident pe suprafață și aria suprafeței iluminate: Ee dFe/dS, unde dFe este fluxul de radiație incident pe un element mic al suprafeței cu zona dS.
8. Cum se numește timpul de înjumătățire?
T 1/2 - timp în care numărul inițial de nuclee radioactive în medie este mic. dublat
T1/2 =ln2/λ=0,693/λ
9. Să se determine inducția unui câmp magnetic uniform în care o forță de 9 N acționează asupra unui fir drept de 0,5 m lungime, situat la un unghi de 30° față de liniile de inducție, când un curent de 3 A trece prin conductor.
Dat: l, F, I, a=30 0; Găsiți: B
Rezolvare: B=F/(I*l*sin30 0)=12 (T); Răspuns: B=12 (T)
10. Care este puterea curentului într-un circuit cu o inductanță de 0,2 H, creând un flux magnetic de 2 Wb?
Cu oscilații electrice armonice în circuitul oscilator, valoarea maximă a energiei câmpului electric al condensatorului este de 50 J, valoarea maximă a energiei câmpului magnetic al bobinei este de 50 J. Cum se modifică în timp? energie totală câmpul electromagnetic al circuitului?
12. Unghiul de incidență α al fasciculului pe suprafața sticlei este de 60º. În acest caz, fasciculul de lumină reflectat sa dovedit a fi complet polarizat. Determinați unghiul de refracție al fascicululuiβ.
Tg60=n, deci n=tg60=1,73=0,58, deci unghi=sin60/n=arcsin0,5=30 0
CUPRINS.
|
Introducere................................................. ....... ................................................. ............. ...... |
2 |
|
Fenomen de interferență ................................................ ... ............................... |
3 |
|
Valuri coerente. Timpul și durata coerenței ............................................................. ...... |
4 |
|
Metode de obținere a undelor coerente............................................. ....... .......... |
6 |
|
inelele lui Newton. Instalare................................................. ........................ |
7 |
|
Calcule................................................................. ........................................................ ............. ......... |
9 |
|
Concluzii.................................................................. ....... ................................................. ............. ......... |
10 |
|
Lista literaturii utilizate ………………………………………………………… |
10 |
Introducere.
În prezent, depozitul de cunoștințe acumulat de umanitate în domeniul tehnic ne permite să proiectăm mașini și mecanisme ultra-precise și ultra-tehnologice, sisteme informatice, să calculăm și să sintetizăm noi materiale. Cu toate acestea, între proiectarea și producția unui anumit produs se află o cale dificilă și spinoasă către producția unui anumit produs sau a unei anumite piese. Producția de mașini și mecanisme ultra-precise și ultra-tehnologice necesită crearea și dezvoltarea nu numai de noi tehnologii care îndeplinesc noile cerințe de precizie, dar și nu mai puțin sisteme importante sisteme de control și măsurare a calității.
Unul dintre factorii importanți în fabricarea pieselor mecanisme moderne este acuratețea și curățenia suprafețelor de lucru ale acestor piese. În prezent, cerințele pentru curățarea suprafeței sunt atât de mari încât nu este posibil să se măsoare rugozitatea suprafeței și să se controleze clasa de curățenie a suprafeței folosind instrumente general acceptate.
Scopul acestei lucrări a fost de a determina experimental lungimea de undă de coerență a unui LED pe baza studiului inelelor lui Newton. Se are în vedere dispozitivul „Interferometru Linnik” pentru identificarea defectelor de suprafață ale probei studiate și se prezintă calculul lungimii de coerență a undei ca principală caracteristică a obținerii efectului „inelelor lui Newton”.
Fenomenul de interferență.
Una dintre manifestările proprietăților ondulatorii ale luminii este interferența undelor luminoase, care constă în suprapunerea undelor luminoase între ele și redistribuirea intensității în punctele de suprapunere în funcție de diferența de fază a undelor interferente în aceste puncte. .
Interferență - fenomenul de suprapunere a undelor coerente, în urma căruia se produce o redistribuire a intensității în punctele de suprapunere în funcție de diferența de fază a undelor interferente.
Coerent se numesc unde care:
1. aceeasi frecventa
2. aceeasi polarizare
3. diferenta in fazele initiale nu depinde de timp.
Condiții de interferență maximă și minimă.
Lăsați separarea în două unde coerente să aibă loc în acest punct DESPRE.
Orez. 8.1
Până la obiect R prima undă călătorește într-un mediu cu indice de distanță, iar a doua într-un mediu cu indice de refracție de distanță. Dacă la punct DESPRE faza de oscilație (), apoi prima undă se excită în punct R ezitare
, iar al doilea 
,
unde , sunt vitezele de fază ale primei și celei de-a doua unde. În consecință, diferența de fază dintre oscilațiile excitate de unde la punctul respectiv R este egal cu:
Având în vedere că 
, obținem o expresie pentru diferența de fază dintre două unde coerente:
unde este diferența de cale optică, L – lungime optică moduri, s– lungimea traseului geometric.
Dacă diferența de cale este egală cu un număr întreg de lungimi de undă în vid
|
, |
apoi , iar oscilațiile excitate la punctul R ambele unde se vor produce în aceeași fază. Prin urmare, este stare interferență maximă .
Dacă diferența de cale optică
 ,
|
Că
, și oscilații excitate la punct R ambele unde se vor produce în antifază. Prin urmare, este stare interferență minimă
.
Valuri coerente. Timpul și durata coerenței.
Coerenţă numiți apariția coordonată în timp și spațiu a proceselor oscilatorii sau ondulatorii, care se manifestă atunci când sunt adăugate. Gradul de coordonare al proceselor poate fi diferit - spațial și temporal.
Se numesc undele care au aceeași frecvență, polarizare și diferență de fază inițială care nu depind de timp coerent,
aceste. w 1 =w 2 ,E 10 =const,E 20 =const,j 2 -j 1 =const.
Această condiție este îndeplinită monocromatic valuri care sunt nelimitate în spațiu și timp.
Undă monocromatică este o undă strict armonică (sinusoidală) cu o frecvență, amplitudine și fază inițială constante în timp. Amplitudinea și faza unei astfel de unde se pot schimba de la un punct în spațiu la altul, dar frecvența rămâne constantă în tot spațiul. Undele monocromatice nu sunt limitate nici în timp, nici în spațiu, adică. nu au nici început, nici sfârșit. Prin urmare, ele nu pot fi realizate în realitate.
Să luăm în considerare radiația unei surse de lumină reale constând din număr mare atomi. Modelul matematic al radiației dintr-o sursă de lumină convențională (non-laser) se bazează pe ipoteza că, în cazul radiației spontane, diferiți atomi ai sursei emit trenuri de undă separate, independent unul de celălalt, în momente aleatorii. Distribuția intensității radiațiilor a unei astfel de surse este determinată de însumarea intensităților atomilor individuali.
Intensitate - valoarea medie în timp a vectorului densității fluxului de energie a câmpului electromagnetic ( mărime fizică , egal numeric cu fluxul de energie printr-o unitate de suprafață perpendiculară pe direcția curgerii).
I= = 1τ 0τjtdt
În special, dacă trenurile de undă emise de diferiți emițători în momente diferite sunt aceleași, atunci distribuția intensității emițătorului va fi aceeași cu distribuția intensității radiației a unui atom izolat.
Durata procesului de emisie de lumină de către un atom t = 10 -8 Cu. În acest timp, atomul excitat, după ce și-a cheltuit excesul de energie pe radiație, revine la starea sa normală (neexcitată) și emisia sa de lumină se oprește. Apoi, după o anumită perioadă de timp, atomul poate deveni din nou excitat și poate începe să emită lumină. O astfel de emisie intermitentă de lumină de către atomi sub formă de trenuri de undă este caracteristică oricărei surse de lumină.
Un val real emis pe o perioadă limitată de timp și care acoperă o zonă limitată a spațiului nu este cu siguranță monocromatic. Spectrul său de frecvență include frecvențe de la w-Dw/2 la w + Dw/2.
Intervalul de timp t când, timp în care diferența de fază a oscilațiilor corespunzătoare undelor cu frecvențele w-Dw/2 și w + Dw/2 se modifică cu p, se numește perioada de coerență a unei unde nemonocromatice
τkog ≈ 2π∆ω = 1∆v
Distanţă l când, peste care unda se va propaga în timpul de coerență, se numește lungimea de coerență l când=vt când . În această lungime, unda poate fi considerată coerentă.
Coerența undelor temporale caracterizează păstrarea coerenței reciproce atunci când există o întârziere temporară a uneia dintre aceste grinzi în raport cu cealaltă. În acest caz, măsura coerenței temporale este timp de coerență– timpul maxim posibil de întârziere al unui fascicul față de altul, la care coerența lor reciprocă este încă păstrată. Coerența temporală este determinată de gradul de monocromaticitate. Decalajul de timp al uneia dintre aceste raze față de cealaltă se numește diferență de cale. Se numește diferența maximă de cale la care interferența este posibilă lungimea coerenței l când .
τkog=lkogs;
unde ∆ este diferența în calea razelor.
Metode de producere a undelor coerente.
Pentru a obține unde luminoase coerente folosind surse convenționale (non-laser), se folosește metoda de împărțire a luminii dintr-o sursă în două sau mai multe sisteme de undă (razele de lumină). Fiecare dintre ele reprezintă radiații de la aceiași atomi ai sursei, astfel încât aceste unde sunt coerente între ele și interferează atunci când sunt suprapuse.
Lumina poate fi împărțită în fascicule coerente folosind ecrane și fante, oglinzi și corpuri de refracție. Să ne uităm la câteva dintre aceste metode.
Metoda lui Young
Sursa de lumină este o fantă S puternic iluminată, din care unda luminoasă cade pe două fante înguste S1 și S2, paralele cu fanta S.
Astfel, fantele S1 și S2 joacă rolul de surse coerente. Pe ecranul E (zona BC) se observă un model de interferență sub formă de dungi alternative luminoase și întunecate.
Biprismul Fresnel.
Este format din două prisme identice pliate la bazele lor. Lumina de la sursa S este refracta in ambele prisme, drept urmare razele se propaga in spatele prismei, parca ar emana din sursele imaginare S1 si S2, care sunt coerente. Astfel, un model de interferență este observat pe ecranul E (zona BC).
inelele lui Newton. Instalare.
În experimentul luat în considerare, propus de Hooke și considerat mai profund și mai cuprinzător de Newton, o placă de sticlă groasă plan-paralelă și o lentilă plan-convexă cu o rază mare de curbură situată pe ea sunt iradiate de undele de la LED-uri. Razele coerente sunt obținute ca rezultat al reflectării radiației incidente de la limitele spațiului de aer dintre lentilă și placă. Modelul de interferență rezultat arată ca niște cercuri concentrice. Prin determinarea dimensiunii regiunii de localizare a modelului de interferență, se poate determina lungimea de coerență a radiației de la LED. 
interferometru Linnik
Principiul de funcționare și schema de circuit a microinterferometrului MII-4 au fost dezvoltate și aplicate pentru a studia calitatea suprafețelor fin prelucrate de către academicianul V.P. Microinterferometrul este utilizat în laboratoarele de cercetare și dezvoltare institutii de invatamantși întreprinderile industriale care se ocupă de problemele curățeniei suprafețelor.
În microinterferometrul MII-4, o placă plan-paralelă înclinată cu un strat transparent de separare a fasciculului este utilizată pentru a obține un sistem de două unde coerente. Placa este argintită astfel încât să reflecte jumătate din lumina incidentă asupra ei și să transmită jumătate, în urma cărora se formează două sisteme de unde care pot interfera. O diagramă optică simplificată a microinterferometrului este prezentată în Fig. 4.
Lumina de la o sursă cade pe o placă translucidă R, care împarte fasciculul incident „1” în două. Unul dintre ele, „2”, reflectat de pe placă, lovește suprafața studiată” P”, al doilea fascicul de raze “3” prin compensator “ LA” lovește oglinda de referință. Fascicul de lumină „2”, reflectat de la suprafață „ P„, iar fasciculul de lumină „3”, reflectat de oglindă, este din nou conectat pe placa „ R” și interveniți. Imaginea modelului de interferență de către lentilă „ DESPRE” și este transferat de oglinda de ghidare în planul focal al ocularului ” Bine" Figura prezintă doar traseul razelor centrale de la sursă etc., se obțin dungi luminoase (maximum), iar în punctele în care diferența de cale este egală cu a b
Calcule.
R2= (R-h)2+ r2= R2-2Rh+ h2+ r2
unde:
2Rh= r2 → h= r22R
Dar diferența de cursă ∆ =2h+λ2=2r22R+ λ2= r2R+ λ2 ≈ lcog
R ≈11∙10-2 ÷12∙10-2 m, λcr=624∙10-9m, λverde=522∙10-9m.
Pentru roșu r30= 60div ×0,026∙10-3m=156∙10-5m
m = 30 de inele
Pentru verde r9= 57div ×0,015∙10-3m=85,5∙10-5m
m = 9 inele
lkog= ∆cr= 156∙10-5212∙10-2+314∙10-9=2028∙10-8+31.4∙10-8=
20,6∙10-6=20,6 microni.
∆lkog kr= 2rΔrR+ ΔRr2R2=2,4∙10-6m
lkog= ∆verde= 85,5∙10-5212∙10-2+261∙10-9=
6,4∙10-6=6,4 microni.
∆lcog verde=0,7∙10-6m
τkog cr = 20,6∙10-63∙108 ≈7∙10-14 s.
τkog verde = 6,4∙10-63∙108 ≈2,1∙10-14 s.
δvcr=s lkog cr=3∙108∙20,6∙10-6 ≈6,2∙103 Hz
δvverde=с lkog verde=3∙108∙6,4∙10-6 ≈1,9∙103 Hz
Astfel:
lcog cr=(20,6±2,4)∙10-6m
lkog verde=(6,4±0,7)∙10-6m
Concluzii.
Astfel, prin calcularea lungimii de coerență și a timpului de coerență s-au obținut intervalele de frecvență ale undelor coerente. Aceste date fac posibilă crearea condițiilor pentru observarea fenomenului de interferență.
LISTA DE REFERINȚE UTILIZATE.
1. http://physics.spbstu.ru/forstudents/lectures/ivanov/opt2-2.pdf
2. http://www.physbook.ru/index.php
3. http://ru.wikipedia.org
4. http://igor-krylov.narod.ru/Metodich/Meop_50.htm
5. http://femto.com.ua/articles/part_1/1665.html
6. Fizica. Optică și unde. Ed. CA. Ahmatova, Moscova 1973
7. Saveliev. Bine fizica generala. Volumul 2. „Știința” din Moscova 1988
8. Miakishev. Fizica clasa a XI-a. „Iluminismul” de la Moscova 2008
9. Demkov. Fizică pentru cei care intră la universități. Moscova" facultate» 2001
10. Kasyanov. Fizica clasa a XI-a. Nivelul de profil Moscova 2004
Suntem înconjurați de obiecte de anumite dimensiuni; știm exact unde se termină corpul nostru și suntem siguri că o singură persoană poate sta confortabil pe un scaun. Totuși, în lumea lucrurilor foarte mici, sau în lumea microcuantică, totul nu este atât de prozaic: un scaun și o masă, reduse de aproximativ zece miliarde de ori, la dimensiunea atomilor, își vor pierde limitele clare și pot chiar ocupa același loc în spațiu fără a interfera deloc unul cu celălalt . Motivul este că obiectele din lumea cuantică seamănă mai mult cu undele care se pătrund unele în altele decât ca obiecte limitate în spațiu. Prin urmare, în lumea microcuantică, trei sau zece persoane pot sta pe un scaun.
Lucrurile sunt ca valurile
La proprietățile valurilor ar putea fi simțit experimental, obiectele trebuie făcute nu numai mici, ci și foarte reci, adică cu o viteză mult redusă de mișcare haotică a atomilor. Astfel, atomii trebuie să fie răciți la o miliardime de grad Kelvin, iar proprietățile de undă ale mesei și scaunului din macrocosmos trebuie să fie vizibile la temperaturi inimaginabil de scăzute - mai reci de 10-40 K.
O proprietate remarcabilă a undelor este capacitatea lor de a se plia coerent. Coerent înseamnă consistent, ordonat în timp sau spațiu. Exemplu de timp coerent unde sonore- muzica. Fiecare sunet al melodiei, înălțimea, durata și puterea acestuia sunt în corespondență strict definită unul cu celălalt.
Dirijorul unei orchestre simfonice monitorizează îndeaproape coerența unui flux sonor de sute sau chiar mii de sunete. Vom percepe o slăbire a coerenței ca un sunet fals, iar pierderea sa completă ca un zgomot. De fapt, coerența este ceea ce distinge o melodie de un set incoerent de sunete. La fel, în lumea cuantică, coerența proprietăților de undă ale obiectelor le poate conferi calități complet noi, care nu sunt doar foarte neobișnuite, ci și importante pentru crearea de noi materiale care pot schimba radical tehnologiile existente. Nu este o coincidență că aproape jumătate din premiile Nobel pentru fizică acordate în ultimii zece ani sunt legate de fenomene coerente: în radiația laser (2005), în atomi reci (1997, 2001), în heliu lichid (1996) și în supraconductori. (2003).
Cele mai domestice laureatii Nobel la fizică și-au primit premiile pentru fenomene coerente: Pyotr Kapitsa (1978), Lev Landau (1962), Nikolai Basov și Alexander Prokhorov (1964), Alexey Abrikosov și Vitaly Ginzburg (2003).
Coerența luminii
Conceptul de coerență s-a format în începutul XIX secole după experimentele savantului englez Thomas Young. Sunt două unde luminoase din surse diferite a căzut pe ecran și s-a împăturit. Lumina de la două becuri obișnuite, care produc radiații incoerente, se adaugă simplu: iluminarea ecranului este egală cu suma luminii de la fiecare lampă. Mecanismul de aici este așa. Undele luminoase de la becurile au o diferență de fază care se modifică haotic în timp. Dacă două valori maxime au ajuns acum la un punct de pe ecran, atunci în momentul următor poate veni un minim de la o lampă și un maxim de la cealaltă. Rezultatul adăugării de valuri va da „unduri pe apă” - un model de interferență instabil. Ondulurile undelor luminoase sunt atât de rapide încât ochii nu pot ține pasul cu ele și văd un ecran uniform iluminat. Prin analogie din lumea sunetelor, acesta este zgomot.
Rezultatul va fi complet diferit dacă două unde coerente sunt adăugate pe ecran (Fig. 1). Cel mai simplu mod de a obține astfel de unde este dintr-un fascicul laser, împărțirea lui în două părți și apoi combinarea lor. Apoi vor apărea dungi pe ecran. Zonele luminoase sunt zone ale ecranului în care maximele undelor luminoase ajung întotdeauna simultan (în fază). Minunat efect optic este că iluminarea va crește nu de două ori, ca în cazul undelor incoerente, ci de patru. Acest lucru se întâmplă deoarece în banda luminoasă maximele undelor, adică amplitudinile lor, se adună constant, iar iluminarea este proporțională cu pătratul sumei amplitudinilor undei. În benzi slabe, undele coerente din surse diferite se anulează reciproc.
Acum să ne imaginăm multe valuri coerente care ajung la un moment dat în fază. De exemplu, o mie de valuri. Atunci iluminarea zonei luminoase va crește de un milion de ori! Radiație coerentă un număr imens, de aproximativ 10 22, de atomi este produs de un fascicul laser. Invenția principiilor muncii sale a adus Premiul Nobel pentru fizică în 1964 americanului Charles Townes și a doi fizicieni sovietici Nikolai Basov și Alexander Prokhorov. De 40 de ani, laserul a pătruns în noi viata de zi cu zi, cu ajutorul lui, de exemplu, stocăm informații pe discuri compacte și le transmitem prin fibră optică pe distanțe mari.
Unde de materie coerente
Lumea noastră este concepută în așa fel încât fiecare particulă de materie poate prezenta proprietățile unei unde. Astfel de unde se numesc unde de materie sau unde de Broglie. Remarcabilul fizician francez Louis de Broglie a propus în 1923 o formulă foarte simplă prin care se leagă lungimea de undă λ (distanța dintre maxime) cu masa particulei m și viteza acesteia v: λ = h/mv, unde h este constanta lui Planck.
Proprietatea fundamentală a undelor de orice natură este capacitatea de a interveni. Totuși, pentru a obține un zgomot nu uniform, ci, ca și în cazul luminii, o dungă strălucitoare, este necesar să se asigure coerența undelor de Broglie. Acest lucru iese în cale mișcarea termică- atomii cu viteze diferite diferă prin lungimile de undă. Când atomii sunt răciți, conform formulei lui de Broglie, lungimea de undă λ crește (Fig. 2). Și de îndată ce valoarea sa depășește distanța dintre particule, undele de Broglie ale diferitelor particule vor da un model de interferență stabil, deoarece maximele undelor corespunzătoare poziției particulelor se vor suprapune.
Într-un microscop optic, modelul de interferență al undelor de Broglie poate fi văzut dacă lungimea lor este de aproximativ 1 micron. Pentru a face acest lucru, după cum rezultă din formula lui de Broglie, viteza atomului trebuie să fie de aproximativ 1 cm/s, ceea ce corespunde unor temperaturi extrem de scăzute - mai puțin de un microkelvin. A fost posibil să se pregătească un astfel de gaz răcit din atomi de metale alcaline, iar astăzi este un obiect de cercetare interesant. (Cum să răcești atomii la temperaturi scăzute și să faci ceasuri ultra-precise pe baza lor a fost descris în Chemistry and Life, 2001, nr. 10. - Nota ed.) Să remarcăm că fizicienii sovietici de la Institutul de Spectroscopie al Academiei de Științe a URSS, condus de Vladilen Letokhov, în 1979 au prezentat și implementat idei cheie pe baza cărora atomii sunt acum răciți la temperaturi foarte scăzute.
Ce sunt particulele de materie interferente? Suntem obișnuiți cu faptul că o substanță poate fi reprezentată sub formă de bile mici și solide, care nu se pătrund unele în altele. Valurile, dimpotrivă, se pot aduna și se pot pătrunde unele în altele. Prin analogie cu interferența luminii, ar trebui să obținem un „punct luminos pe ecran” - o regiune mică în spațiu în care maximele undelor de materie se adună în fază. Ceea ce este neașteptat este că undele coerente de mulți, mulți atomi pot ocupa o regiune în spațiu, formând, așa cum ar fi, un superatom - un set de un număr imens de unde de Broglie. În limbajul mecanicii cuantice, aceasta înseamnă că probabilitatea de a găsi atomi coerenți în „punctul luminos” este maximă. Această stare uimitoare a materiei se numește condensat Bose-Einstein. Albert Einstein a prezis-o în 1925 pe baza lucrării fizicianului indian Shatyendranath Bose. Într-un condensat, toți atomii sunt în aceeași stare cuantică și se comportă ca un val mare.
A fost posibil să se observe experimental un condensat Bose-Einstein (BEC) doar 70 de ani mai târziu: un raport despre acesta a fost publicat în 1995 de două grupuri de oameni de știință americani. În experimentele lor, atomii au căzut în condens dintr-un nor de vapori de sodiu sau rubidiu blocat într-o capcană magnetică. Aceste lucrări de pionierat au fost distinse cu Premiul Nobel pentru Fizică în 2001, acordat lui Eric Cornell, Wolfgang Ketterle și Carl Wiemann. O reprezentare vizuală vie a comportamentului atomilor ultra-reci care cad în BEC a fost prezentată pe coperta revistei din decembrie Ştiinţă pentru 1995: un grup de cyborgi albaștri identici se deplasează în centru - aceștia sunt atomi BEC cu temperatură zero, iar în jurul lor se mișcă haotic cyborgi de culori mai calde - supra-condensează atomi ușor încălziți. Coerența atomilor depuși în BEC a fost demonstrată într-un experiment genial din 1997 de W. Ketterle și colegii de la Massachusetts Institute of Technology. Pentru a face acest lucru, capcana magnetică a fost împărțită în două părți printr-o partiție ușoară (Fig. 3a). Din nori de atomi de sodiu s-au pregătit două condensuri, apoi capcana și partiția au fost oprite: norii au început să se extindă și să se suprapună. În punctul în care s-au suprapus, a apărut un model clar de interferență (Fig. 3b), similar cu interferența fasciculelor laser coerente (vezi Fig. 1). A fost observată de umbra aruncată de un nor de atomi pe ecran - „zebra” din fig. 3b este umbra undelor interferente ale materiei; zonele întunecate corespund maximelor undelor atomice. Este surprinzător că, atunci când adunăm atomi din diferite condensate, suma lor poate da zero - „substanța dispare” în regiunea corespunzătoare dungii luminoase de zebră. Desigur, atomii nu dispar, ci doar se concentrează în zone care aruncă o umbră.
Este posibil să se observe manifestarea proprietăților undelor pentru obiecte mai masive decât atomii? Se dovedește că este posibil. Grupul lui Anton Zeilinger de la Viena în 2003 a reușit să observe interferența fulerenelor și a biomoleculelor care conțin aproximativ o sută de atomi. Pentru cât de mari particule de materie vor fi posibile observarea proprietăților undelor este o întrebare deschisă astăzi.
Laser atomic
Din punct de vedere fizica cuantică atomii și fotonii sunt similari prin aceea că un număr mare dintre aceste particule pot fi simultan în aceeași stare cuantică, adică pot fi coerente. De exemplu, în radiația laser toți fotonii sunt coerenți: au aceeași culoare, direcție de propagare și polarizare. Prin urmare, este posibil să se obțină fascicule laser puternice, coerente, constând dintr-un număr mare de fotoni într-o singură stare.
Cum să obțineți fascicule atomice coerente? Ideea este simplă: trebuie să eliminați cu atenție atomii coerenți prinși din BEC, la fel cum radiația laser este îndepărtată din rezonatorul său folosind o oglindă translucidă. Acest dispozitiv a fost numit laser atomic. Primul laser atomic a fost creat în 1997 de același V. Ketterle. Într-un astfel de laser, o capcană magnetică de două bobine reține atomii de sodiu care formează BEC. Impulsurile de câmp radio aplicate cu o perioadă de 5 milisecunde transformă roțile atomilor și nu mai pot fi ținute în capcană. O grămadă de atomi eliberați - radiația unui laser atomic - cade liber sub influența gravitației, care este vizualizată folosind tehnicile de teatru de umbre descrise mai sus. Astăzi, puterea laserelor atomice este scăzută: emit 106 atomi pe secundă, ceea ce este incomparabil mai mică decât puterea laserelor optice. De exemplu, un pointer laser convențional emite aproximativ de 10 9 ori mai mulți fotoni într-o secundă.
Spre deosebire de fotonii fără greutate, atomii au masă de repaus. Aceasta înseamnă că gravitația acționează asupra lor mult mai puternic - interferența undelor coerente de materie va depinde în mare măsură de câmp gravitațional, devierea fasciculelor de atomi. Lăsați două fascicule atomice coerente să interfereze în regiunea intersecției lor în mod similar cu fasciculele laser (vezi Fig. 1). Să presupunem că câmpul gravitațional de-a lungul traseului unuia dintre fasciculele atomice s-a schimbat. Apoi, lungimea traseului acestui fascicul până când întâlnește un alt fascicul se va schimba și ea. Ca urmare, maximele undelor de materie ale celor două fascicule atomice se vor întâlni într-un loc diferit, ceea ce va duce la o schimbare a modelului de interferență. Măsurând o astfel de deplasare, este posibil să se determine modificarea câmpului gravitațional. Pe baza acestei idei, au fost deja creați senzori de câmp gravitațional care pot detecta diferențele de accelerație. cădere liberă mai puțin de 10–6%. Ele pot fi utile pentru ambele cercetare de bază(examinare teorii fizice, măsurarea constantelor), și pentru dezvoltări aplicate importante în navigație (crearea de giroscoape de precizie), geologie (sondarea mineralelor) și alte științe. La scriitorii de science fiction, de exemplu, puteți găsi un complot în care, folosind un dispozitiv pentru a măsura cele mai mici modificări ale gravitației, arheologii citesc inscripțiile sculptate pe obeliscuri îngropate în pământ.
Materie coerentă
Efecte deosebit de interesante apar atunci când proprietățile undelor coerente ale materiei pot fi observate ca proprietăți macroscopice ale materiei condensate, adică solid sau lichid. Unul dintre exemple strălucitoare astfel de proprietăți sunt suprafluiditatea în heliul lichid când este răcit sub 2,2 K. Fizicienii sovietici au efectuat cercetări de pionierat asupra superfluidității: acest fenomen a fost descoperit de Pyotr Kapitsa în 1938 și explicat de Lev Landau. Heliul superfluid poate curge prin găuri mici la viteze enorme: de cel puțin 108 ori mai repede decât apa. Dacă am putea umple o cadă obișnuită cu heliu superfluid, ar curge din ea în mai puțin de o secundă printr-un orificiu de mărimea unui ochi mic de ac. În 2004, americanii Yun Sung Kim și Moses Chan au raportat descoperirea superfluidității în heliu solid. Experimentul lor delicat a constat în următoarele: heliu solid răcit, sub presiune la o temperatură de aproximativ 0,2 K, a fost plasat pe un pendul de torsiune. Dacă o parte a heliului intră într-o stare superfluid, atunci frecvența oscilațiilor de torsiune ar trebui să crească, deoarece componenta superfluid rămâne nemișcată, facilitând oscilațiile pendulului. Potrivit lui Kim și Chan, aproximativ 1% din heliul solid a trecut în starea superfluid. Aceste experimente demonstrează că atomii se pot mișca liber printr-un superfluid corp solid, prin urmare, este capabil să treacă nestingherit o masă de materie prin ea însăși: perspectiva trecerii prin ziduri într-o astfel de lume pare destul de reală!
Acest fenomen uimitor poate fi explicat prin proprietățile de undă ale atomilor. Undele, spre deosebire de particule, ocolesc obstacolele din calea lor. Să explicăm acest lucru folosind exemplul interferenței a două fascicule de lumină pe un ecran. Să tăiem găuri pe ecran în zona dungilor ușoare de zebră (model de interferență). Lumina coerentă nu va simți un astfel de obstacol: ecranul a fost păstrat doar în părțile neluminate ale trecerii cu pietoni. Dacă fasciculele nu sunt coerente, atunci un ecran uniform iluminat cu găuri va reține inevitabil o parte din lumină. Din aceasta putem înțelege cum valurile coerente de materie depășesc obstacolele fără pierderi.
Un alt fenomen cuantic macroscopic neobișnuit, asemănător superfluidității este supraconductivitatea, descoperită de olandezul Heike Kamerlingh-Ohness în 1911 în mercur când acesta a fost răcit la temperatura heliului lichid ( Premiul Nobel 1913). Electronii supraconductori se deplasează fără rezistență, ocolind obstacolele, care sunt mișcarea termică a atomilor. De exemplu, curentul poate curge nelimitat într-un inel supraconductor, deoarece nimic nu interferează cu acesta. Putem spune că supraconductivitatea este superfluiditatea unui lichid electronic. Pentru o astfel de superfluiditate este necesar ca un număr mare de sarcini să fie într-o stare cuantică, cum ar fi fotonii într-un fascicul laser. Această cerință se confruntă cu o limitare stabilită de eminentul fizician elvețian Wolfgang Pauli în 1924: dacă o particulă are un număr de spin de 1/2, ca un electron, atunci o singură particulă poate exista într-o stare cuantică. Astfel de particule se numesc fermioni. Pentru o valoare întreagă a spinului, un număr arbitrar mare de particule poate fi condensat într-o stare cuantică. Astfel de particule se numesc bosoni. Prin urmare, curentul supraconductor necesită particule sarcina electrica cu o rotire întreagă. Dacă o pereche de electroni (fermioni) ar putea forma o particulă compusă, atunci spinul perechii ar fi un număr întreg. Și apoi particulele constitutive vor deveni bosoni capabili să formeze un BEC și să producă un curent supraconductor.
Cu toate acestea, perechile de electroni legați pot apărea într-adevăr în conductori, în ciuda faptului că forțele Coulomb resping electronii unul de celălalt - această idee a stat la baza teoriei care explică supraconductivitatea în metale simple(John Bardeen, Leon Cooper, John Schrieffer, Premiul Nobel pentru Fizică 1972).
superfluiditatea BEC
Deci, în a doua jumătate a secolului al XX-lea, fizicienii au ajuns la înțelegerea că BEC poate avea proprietăți de superfluiditate. Desigur, după obținerea gazului BEC, oamenii de știință au fost captivați de ideea experimentelor care să demonstreze superfluiditatea în el. În 2005, grupul lui W. Ketterle a prezentat dovada definitivă a superfluidității BEC gazos. Ideea experimentului se bazează pe faptul că un lichid superfluid se comportă neobișnuit atunci când se rotește. Dacă am reuși să amestecăm un lichid superfluid cu o lingură, ca cafeaua într-o ceașcă, atunci acesta nu s-ar roti în întregime, ci s-ar rupe în multe vârtejuri mici. Mai mult, acestea ar fi aranjate într-o ordine strictă, formând așa-numita zăbrele vortex Abrikosov. Schema acestui experiment cu filigran este următoarea (Fig. 4). Condens de gaz captat de un fascicul laser și câmp magnetic, a început să se rotească cu raze laser suplimentare; învârteau condensul ca pe o lingură învolburând cafeaua. Apoi capcana, adică grinzile și bobina, a fost oprită, iar condensul a fost lăsat la dispoziție. S-a extins și a produs o umbră care semăna cu brânza elvețiană (Fig. 4b). „Găuri în brânză” corespund vortexurilor superfluide. Cea mai importantă caracteristică a acestor experimente este că au fost efectuate nu numai într-un gaz de bozoni (atomi de sodiu), ci și într-un gaz de fermioni (atomi de litiu). Superfluiditatea gazului de litiu a fost observată doar atunci când atomii de litiu formează molecule sau perechi slabe. Aceasta a fost prima observație a superfluidității într-un gaz fermion. A oferit o bază experimentală solidă pentru teoria supraconductivității, bazată pe ideea condensării Bose-Einstein.
Fizicienii reușesc să împerecheze atomii de litiu folosind așa-numita rezonanță Feshbach, care are loc într-o capcană sub acțiunea simultană a câmpurilor de bobine magnetice și a fasciculelor laser. Câmpul magnetic este ajustat în regiunea rezonanței Feshbach astfel încât să modifice foarte mult forțele de interacțiune dintre atomii de gaz. Puteți face ca atomii să se atragă sau să se respingă. Fizicienii au venit cu alte modalități de a controla proprietățile gazului atomic ultra-rece. Una dintre cele mai elegante este plasarea atomilor într-un câmp de interferență de fascicule laser - un fel de rețea optică. În el, fiecare atom se va afla în centrul uneia dintre marginile modelului de interferență (vezi Fig. 1), astfel încât undele de lumină vor fi ținute de undele de materie, ca o matriță pentru depozitarea ouălor. Atomii dintr-o rețea optică servesc ca un model excelent al unui cristal, unde distanța dintre atomi este modificată folosind parametrii fasciculelor laser, iar interacțiunea dintre ele este reglată folosind rezonanța Feshbach. Drept urmare, fizicienii și-au realizat un vis de lungă durată - să obțină o probă dintr-o substanță cu parametri controlați. Oamenii de știință cred că gazul ultrarece este un model nu numai pentru cristale, ci și pentru forme mai exotice de materie, cum ar fi stelele cu neutroni și plasma cu quarc-gluoni a Universului timpuriu. Prin urmare, unii cercetători, nu fără motiv, cred că gazul ultra-rece va ajuta la înțelegerea etapelor incipiente ale evoluției Universului.
Viitor coerent
Fenomenele de suprafluiditate și supraconductivitate arată că coerența undelor de Broglie a unui număr mare de particule dă neașteptate și proprietăți importante. Aceste fenomene nu au fost prezise în plus, a fost nevoie de aproape 50 de ani pentru a explica supraconductivitatea metalelor simple. Iar fenomenul supraconductivității la temperatură înaltă, descoperit în 1986 în ceramica cu oxid de metal la 35 de grade Kelvin de germanul Johannes Bednorz și elvețianul Karl Müller (Premiul Nobel 1987), încă nu a primit o explicație general acceptată, în ciuda eforturilor enorme. a fizicienilor din întreaga lume.
Un alt domeniu de cercetare în care stările cuantice coerente sunt indispensabile sunt computerele cuantice: numai într-o astfel de stare este posibil să se efectueze calcule cuantice de înaltă performanță care sunt inaccesibile celor mai moderne supercalculatoare.
Deci, coerența înseamnă menținerea diferenței de fază între undele de pliere. Undele în sine pot fi de naturi diferite: atât valuri luminoase, cât și unde de Broglie. Folosind exemplul unui BEC de gaz, vedem că substanța coerentă este de fapt uniforma noua materie anterior inaccesibilă oamenilor. Se pune întrebarea: observarea proceselor cuantice coerente în materie necesită întotdeauna temperaturi foarte scăzute? Nu întotdeauna. Cel puțin există un exemplu foarte reușit - laserul. Temperatura ambientală nu este de obicei semnificativă pentru funcționarea laserului, deoarece laserul funcționează în condiții departe de echilibrul termic. Un laser este un sistem extrem de neechilibrat, deoarece îi este furnizat un flux de energie.
Aparent, suntem încă la începutul cercetării privind procesele cuantice coerente care implică un număr mare de particule. Una dintre întrebările interesante la care nu există încă un răspuns cert este dacă procesele cuantice macroscopice coerente apar în natura vie? Poate că viața însăși poate fi caracterizată ca o stare specială a materiei cu o coerență sporită.
Modul de optică Wave
Prelegere Interferența luminii
Concepte de bază: interferența undei, coerența, diferența de cale optică, diferența de fază de oscilație, lățimea franjelor de interferență, franjuri de înclinare egală, franjuri de grosime egală.
Schema cursului
1. Interferența undelor. Principiul suprapunerii pentru unde. Valuri coerente.
2. Interferența luminii din două surse punctuale.
3. Circuite de interferență simple.
4. Benzi de panta egala si grosime egala. Reflecția din pelicule subțiri și plăci plan-paralele. inelele lui Newton. Interferometre.
1. Interferența undelor. Principiul suprapunerii pentru unde. Valuri coerente.
Proprietățile undei luminii se dezvăluie cel mai clar în interferență și difracție. Aceste fenomene sunt caracteristice undelor de orice natură și sunt relativ ușor de observat experimental pentru undele de la suprafața apei sau pentru undele sonore. Este posibil să se observe interferența și difracția undelor luminoase numai în anumite condiții. Lumina emisă de sursele convenționale (non-laser) nu este strict monocromatică. Prin urmare, pentru a observa interferența, lumina dintr-o sursă trebuie împărțită în două fascicule și apoi suprapusă una peste alta. Metodele experimentale existente pentru producerea de fascicule coerente dintr-un singur fascicul de lumină pot fi împărțite în două clase.
In metoda diviziunile frontului de undă fasciculul este trecut, de exemplu, prin două găuri distanțate apropiate într-un ecran opac. Această metodă este potrivită numai pentru surse de dimensiuni suficient de mici.
Într-o altă metodă, fasciculul este împărțit pe una sau mai multe suprafețe parțial reflectorizante, parțial transmisive. Acest metoda diviziunii în amplitudine poate fi folosit și cu surse extinse.
Dacă frecvențele undelor sunt aceleași, atunci dependența de timp va fi determinată doar de diferența dintre fazele inițiale ale oscilațiilor și 
, dintre care fiecare în valuri din surse independente se modifică într-un mod aleatoriu (haotic) în timp. Dacă este posibil să se coordoneze cumva oscilațiile astfel încât această diferență să nu depindă de timp, sau să se modifice lent în timp, atunci intensitatea undei rezultate nu va mai fi egală cu suma intensităților undelor incidente și poate fi scris:
Astfel de unde „potrivite în fază” sunt numite coerent.
Astfel, două valuri vor fi coerente dacă termenul 
, care descrie redistribuirea intensității în spațiu, nu dispare.
De exemplu, undele polarizate egal sunt coerente dacă frecvențele lor sunt aceleași și diferența în fazele inițiale nu depinde de timp. Întrucât faza inițială a fiecărui tren de valuri este functie aleatorie timp, atunci pentru a obține oscilații coerente este necesar să împărțim cumva o undă luminoasă de la sursă în două, iar apoi diferența în fazele inițiale va fi egală cu zero. Semnul de medie poate fi eliminat și notat
,
Unde. Dimensiune 
poate fi considerată ca diferenţa dintre distanţele parcurse de valuri de la sursă până la punctul de întâlnire. Această diferență înmulțită cu indicele de refracție 
mediu se numește diferență de cale optică 
, A 
- diferenţa în fazele lor în momentul întâlnirii. Astfel, în funcție de diferența de fază sau, ceea ce este la fel, în funcție de diferența de drum, intensitatea în diferite puncte din spațiu poate varia de la valoarea minimă.
,
adecvat 
până la valoarea maximă
,
adecvat 
. Iată un număr întreg 
.
Fenomenul în care în unele puncte din spațiu intensitatea luminii scade și în altele crește, adică are loc o redistribuire a intensității ca urmare a adunării undelor, se numește interferență. În regiunea de coexistență a două unde coerente, se poate observa un model de interferență sub formă de dungi luminoase și mai puțin luminoase (uneori întunecate). Magnitudinea 
, definit de relația
numit contrast de bandă.
Lumina în care fazele tuturor undelor electromagnetice în fiecare punct de-a lungul liniei de propagare formează un unghi drept cu direcția fasciculului se numește coerentă. O astfel de lumină este de obicei monocromatică, iar cea mai comună sursă în scopuri practice este un laser.
Natura ondulatorie a luminii
Înainte de a introduce conceptul de coerență, este necesar să înțelegem ce este lumina din punctul de vedere al teoriei undelor. Lumina este singurul tip de undă electromagnetică pe care ochiul uman îl poate detecta. Diferite frecvențe ale undelor luminoase sunt percepute de oameni ca culorile curcubeului. În acest caz, culoarea roșie are cea mai mare lungime de undă.
Se obișnuiește să se aranjeze culorile pe măsură ce lungimea de undă scade. Arată așa: roșu, portocaliu, galben, verde, albastru, indigo, violet. Apoi vine lumina ultravioletă invizibilă. Cu cât lungimea de undă este mai mare, cu atât frecvența este mai mică. Dacă lungimea de undă este mai mică decât partea vizibilă a spectrului, atunci o astfel de radiație se numește infraroșu. Culoarea albă este produsă prin suprapunerea simultană a undelor luminoase de diferite frecvențe unele peste altele.
Valuri coerente
Un bec alb care emite multe frecvențe diferite în același timp emite lumină incoerentă. O astfel de sursă emite unde care se suprapun și se anulează reciproc și, de asemenea, au un front de propagare neuniform. Cel mai bun mod de a vizualiza un astfel de caz este să vă imaginați desenul unui copil format din dungi încurcate și ondulate.
La rândul lor, undele luminoase coerente de aceeași frecvență sunt paralele între ele. Aceasta înseamnă că nu sunt stinse, ci, dimpotrivă, amplificate. Drept urmare, undele coerente au o energie mai mare în comparație cu cele incoerente. Aceste valuri seamănă cu desenul unui copil al oceanului, cu linii ondulate paralele care se curbează în aceleași puncte.
Principiul de funcționare cu laser
Laserele sunt cea mai comună aplicație a undelor de lumină coerente în tehnologie. De fapt, numele „laser” este un acronim pentru sintagma „amplificarea luminii prin emisie stimulată de radiații”. Când un laser funcționează, undele de lumină produse de acesta sunt reflectate de multe ori în interiorul camerei de sticlă. Ele sunt, de asemenea, amplificate de energie suplimentară într-un mediu gazos special (cum ar fi heliu sau neon) până când devin coerente și sunt emise în spațiul cosmic.
Holograme
Imaginile holografice în stil Star Trek sunt o altă aplicație a undelor de lumină coerente. Ele sunt create prin împărțirea unui fascicul laser în două părți. Prima jumătate este raza obiectului. Este direcționat către obiectul scanat și reflectat înapoi pe film sau pe suprafața de înregistrare. Apoi are loc interacțiunea cu cealaltă jumătate - fasciculul de referință. Acest lucru creează un model de interferență, care este apoi înregistrat. Când filmul este vizualizat folosind o sursă de lumină coerentă, o imagine 3D este proiectată în spațiu.
Atentie, doar AZI!
Totul interesant
Undele electromagnetice, în funcție de lungimea lor, au proprietăți diferite. Acestea din urmă sunt adesea folosite în cercetarea științifică sau medicală. În ciuda puterii stiinta moderna, unde electromagneticeîntr-un anumit interval de lungime...
O undă staționară este un fenomen de interferență care rezultă din suprapunerea a două semnale opuse paralele între ele. Apare atunci când un semnal este reflectat de la un obstacol. Exemple de unde staționare includ vibrații ale corzilor sau ale aerului în muzica...
Lumina este o undă electromagnetică specială care are câteva proprietăți interesante. Lumina este caracterizată de dualitate undă-particulă, adică. în diferite experimente poate prezenta proprietăți atât ale particulelor, cât și ale undelor. lungimi ușoare...
Dintre toate tipurile de unde, cele electromagnetice au cea mai mare aplicabilitate și prevalență în natură. Nu este dificil să distingem undele electromagnetice de undele de alte tipuri, deoarece undele electromagnetice au diferențe caracteristice. Veți avea nevoie de un manual despre...
Unda mecanica este procesul de propagare a vibratiilor intr-un mediu elastic, insotita de transferul de energie al unui corp vibrant dintr-un punct al mediului elastic in altul. Caracteristici importante unde: lungimea și viteza fazei. Veți avea nevoie de...
Lumina vizibilă ocupă intervalul de lungimi de undă de la 400 la 700 de nanometri. Lungimea de undă a luminii incidente pe o suprafață și reflectată de aceasta poate fi determinată cu ochiul sau cu ajutorul instrumentelor. Daca lumina este policromatica trebuie sa tineti cont si de culoare...
Din punct de vedere istoric, undele radio au fost adesea denumite frecvență, în timp ce radiația luminoasă a fost adesea numită lungime de undă. Cu toate acestea, deoarece ambele tipuri de radiații au același lucru natura fizica, dacă este necesar, se poate traduce unul dintre acestea...
Litera (lambda) indică lungimea de undă a unei anumite radiații. Această valoare poate fi măsurată, poate fi calculată teoretic, iar dacă radiația este vizibilă, atunci chiar determinată cu ochiul. Instrucțiuni 1 Pentru a calcula lungimea de undă a radiației,...
Frecvența unei unde este una dintre cele mai importante caracteristici fizice ale sale. Frecvența unei unde este numărul de oscilații sau cicluri complete ale unei unde finalizate pe unitatea de timp. Dacă unitatea de timp este a doua, atunci frecvența undei se măsoară în Herți (Hz). Pentru tine…
Toată lumina este radiație electromagnetică care este percepută de ochi. Potrivit diverselor teorii ale fizicii, poate fi considerat fie o undă, fie un flux de fotoni – în funcție de situație. Caracteristica subiectivă a luminii este...