OPTIKA. YORUG`LIKNING TABIATI 1. Yorug`likning tabiati. Yorug`lik to`lqinlarining monoxromatikligi va kogerentligi. 2. Fotometrik kattaliklar. 3.

Transcript

1 OPTIKA. YORUG`LIKNING TABIATI 1. Yorug`likning tabiati. Yorug`lik to`lqinlarining monoxromatikligi va kogerentligi. 2. Fotometrik kattaliklar. 3. Yorug`lik interferensiyasi. 4. Ikki nurdan kuzatiladigan interferensiya manzara. 5. Yupqa pardalardagi yorug`lik interferensiyasi. Ko`p nurli interferensiya. 6. Yorug`lik interferensiyasini qo`llanilishi. Interferometrlar Тayanch so`z va iboralar: Yorug`lik manbalari, elektromagnit to`lqin nazariya, kvant, yorug`lik to`lqinlarining monoxramatikligi va kogerentligi, monoxramatik, kogerent, intensivlik, interferensiya, optik yo`l uzunligi, optik yo`l farqi, maksimum sharti, minimum sharti, yupqa parda, ko`p nurlar, sindirish ko`rsatkichi, sirtlar, interferensiya asboblar, spektral chiziqlar.

2 Yorug`likning tabiati. Optika grekcha "opticos" - ko`raman, degan so`zdan olingan bo`lib, fizikaning bu bo`limida yorug`likning tabiati, yorug`lik hodisalaridagi qonuniyatlar va yorug`lik bilan moddalarning o`zaro ta siriga doir jarayonlar o`rganiladi. Yorug`lik manbalari deb atom va malekulalari ko`rinadigan nurlanish hosil qiladigan barcha jismlarga aytiladi. Yorug`likni quyidagi manbalari mavjud: Тabiiy yorug`lik manbalari: quyosh, yulduzlar, nurlanuvchi tirik organizmlar (masalan baliqlar, hashoratlar, ayrim mikroblar) va xakozo. Sun iy yorug`lik manbalari: qizdirilganda nur chiaruvchi jismlar, gaz razryadi, lyuminessensiyalanuvchi qattiq va suyuq jismlar. Jismga tushayotgan yorug`lik nuri unda turli xil o`zgarishlarni vujudga keltiradi. Masalan: jismni isishi, bo`yalgan jismlar ranglarini o`zgarishi, kimyoviy reaksiyalarni vujudga kelishi va xakazo. Bularni hammasi yorug`likni energiya tashishini ko`rsatadi. Fazoda energiyani yo harakatlanayotgan jismlar, yo muxitda tarqalayotgan to`lqinlar ko`chirishi mumkin bo`lgani tufayli yorug`lik nurlanishi yo mayda zarralar oqimi, yo biror muxitdagi to`lqin jarayonidan iborat bo`lishi mumkin.

3 XVII asr oxirida, deyarli bir vaqtda, yorug`likning ikkita, go`yo bir-birini inkor etuvchi nazariyalari vujudga keldi. Nyutonni oqish nazariyasiga ko`ra, yorug`lik nurlanuvchi jismdan to`g`ri chiziqli trayektoriyalar bo`yicha tarqaluvchi yorug`lik zarralari (korpuskulalar) oqimidan iborat. Nyutonning zamondoshi Gyuygens yorug`likning to`lqin nazariyasini o`rtaga tashladi. Bu nazariyaga asosan yorug`lik olam efirida (ya ni elastik muxitda) tarqaluvchi elastik to`lqin deb qaraladi yilda J.Maksvell tomonidan yaratilgan yorug`likning elektromagnit nazariyasiga ko`ra yorug`lik nuri to`lqin uzunligi m dan 7, m gacha bo`lgan elektromagnit to`lqinlardan iborat. Elektromagnit to`lqinlar nazariyasi yorug`lik interferensiyasi, yorug`lik difraksiyasi, yorug`likni qutblanishi, yorug`lik dispersiyasi kabi hodisalarni tushuntirib berdi. XIX asr oxiri va ХХ asr boshida kashf qilingan eksperimental faktlar (fotoeffekt, Kompton effekti, nur chiqarish va yutish) elektromagnit nazariya asosida juda qiyin tushuntirildi. Bu hodisalarni tushuntirish uchun yorug`lik nurlanishi alohida porsiyalardan iborat deb qarash zarur bo`ladi. Demak yorug`likning tabiati ikki yoqlama bo`lib, unda ham to`lqin xossalari, ham zarralarga xos hususiyatlar mujassamlangan ekan. ХХ asr boshlarida M.Plank, A.Eynshteyn, N.Bor, de-broyl kabi fiziklarning mexanati bilan yaratilgan yorug`likning kvant nazariyasi yorug`likning tabiati ikki yoqlama xarakterda ekanligini tushuntirib berdi. Keyinchalik ma lum bo`ldiki, ikki yoqlama korpuskulyar-to`lqin hususiyat tabiatda faqat yorug`likgagina ya ni elektromagnit to`lqinga emas balki praton, neytron va boshqa elementar zarralarga ham xos ekan.

4

5

6

7 FOTOMETRIK KATTALIKLAR. OPTIKANING YORUG`LIK MANBALARINING HARAKTERISTKASILARI YORUG`LIK NURLANISHIBILAN ENERGIYANING KO`CHISHI VA SIRTLARNING YORITILGANLIGINI O`RGANADIGAN QISMI FOTOMETRIYA DEYILADI HAR QANDAY YORUG`LIK NURLANISHI YORUG`LIK ENERGIYASI BILAN HARAKTERLANADI. YORUG`LIK ENERGIYASI YORUG`LIK OQIMI, RAVSHANLIK, YORINLIK YORUG`LIK KUCHI VA YORITILGANLIK DEB ATALUVCHI FIZIK KATTALIKLAR BILAN HARAKTERLANADI. YORUG`LIK OQIMI: YORUG`LIK MANBAINING NURLANISH OQIMI DEB, VAQT BIRLIGI ICHIDA HAMMA YUNALISHDA NURLANAYOTGAN YORUG`LIK ENERGIYASIGA MIQDOR JIHATDAN TENG BO`LGAN FIZIK KATTALIKKA AYTILADI, YA NI Ф= W/t, W-yorug`lik energiyasi Biror sirtga tushayotgan nurlanish oqimi shu sirtning S yuziga uning fazodagi vaziyatiga va nurlanish manbaigacha bo`lgan masofaga bog`liq. Yorug`lik kuchi: Manbaning yorug`lik kuchi deb bir birlik fazoviy burchak ostida chiayotgan yorug`lik oqimiga miqdor jihatdan teng bo`lgan fizik kattalikka aytiladi. I= Ф/ω ω -fazoviy burchak SI tizimida yorug`lik kuchining birligi kandela (lotincha sham demakdir). Yorug`lik oqimining SI tizimidagi o`lchov birligi Ф = I ω =1kd*1str=1lyumen 1 lyumen deb, yorug`lik kuchi 1kandelaga teng bo`lgan nuqtaviy yorug`lik manbaidan 1steradian fazoviy burchak ostida nurlanadigan yorug`lik oqimiga aytiladi. Yoritilganlik: Biror sirtga tushayotgan yorug lik oqimi Ф ning shu sirt yuzi S ga nisbati bilan o lchanadigan kattalikka aytiladi. E= Ф/S Yoritilganlik birligi lyuks=1lm/1m2 Lyuks-yorug lik oqimiga normal bo lgan 1m2 sirtda bir tekis taqsimlangan 1lm yorug lik oqimidan hosil bo ladigan yoritilganlikdir.

8

9 Yorug`lik interferensiyasi. Yorug`lik murakkab hodisadir: ba zi hollarda u o`zini elektromagnit to`lqin kabi tutadi, boshqa hollarda esa, maxsus zarralar(fotonlar) oqimi kabi tutadi. Dastlab yorug`likning to`lqin tabiati bilan bog`liq bo`lgan hodisalarni ko`rib chiqamiz. Ma lumki elektromagnit to`lqinda to`lqin tarqalishiga perpendikulyar yo`nalishida ikki vektor- elektr maydon kuchlanganligi (E) va magnit maydon kuchlanganligi vektorlari (H) tebranadi. Тajribalar ko`rsatadiki, yorug`likning fizialogik fotokimyaviy, fotoelektrik va boshqa tasirlarini elektr vektorning tebranishlari vujudga keltiradi. Shuning uchun yorug`lik vektori haqida gapirganimizda asosan elektr maydon kuchlanganligi vektorini ko`zda tutamiz. Yorug`lik vektori amplitudasi modulini A xarfi bilan belgilaymiz. Bir xil chastotali ikkita to`lqin qo`shilganda fazoning biror nuqtasida bir xil yo`nalgan (1) (2) tebranishlarni uyg`otyapti, deb faraz qilaylik berilgan nuqtadagi natijaviy tebranish amplitudasi quyidagi formuladan topiladi. (3) Тo`lqinlar kogerent bo`lmaganda 2-1 uzluksiz ravishda o`zgaradi va xar qanday qiymatni bir xil extimol bilan qabul qila oladi. Shu sababli cos( 2-1 ) ning vaqt bo`yicha o`rtacha qiymati nolga teng. Bu holda (4) Yorug`lik intensivligi 1 (ya ni to`lqinining tarqalish yo`nalishiga perpendikulyar maydonchaning yuza birligi orqali o`tadigan vaqt bo`yicha o`rtacha yorug`lik oqimi) yorug`lik to`lqini amplitudasining kvadratiga proporsional I A 2 bo`lgani uchun kogerent to`lqinlar ustma-ust tushgandagi intensivligi har bir to`lqin alohida hosil qiladigan intensivliklarni yig`indisiga teng bo`ladi, degan xulosaga kelamiz. I=I 1 +I 2 (5) to`lqinlar kogerent bo`lganda cos( 2-1 ) ning qiymat vaqt o`tishi bilan o`zgarmaydi, lekin fazoning xar bir nuqtasida o`z qiymati bo`ladi, ya ni

10 Yorug`lik interferensiyasining qo`llanilishi. Interferometrlar. Yorug`lik interferensiyasi hodisasi gazsimon moddalarning sindirish ko`rsatgichini aniqlashda, uzunlik va burchaklarni nixoyatda aniq o`lchashda, sirtlarga ishlov berishning sifatini tekshirishda va xakozo juda ko`p joylarda qo`llanadi. Yupqa pardalardan qaytishdagi interferensiya asosida optikaviy tizimlarni ravshanlashtirish amalga oshiriladi. Yorug`lik linzaning har bir sindiruvchi sirtidan o`tganda tushuvchi yorug`likning taxminan 4% qaytadi. Murakkab ob ektlarda bunday qaytishlar ko`p bo`ladi. Ravshanlashtirilgan optikaviy tizimlarda yorug`likning qaytishini yo`qotish uchun linzaning har bir erkin sirtiga sindirish ko`rsatkichi linzanikidan boshqacha bo`lgan moddadan yupqa parda qoplanadi. Agar pardaning sindirish ko`rsatkichi linza sindirish ko`rsatkichining kvadrat ildiziga teng bo`lsa, ayniqsa yaxshi natijaga erishiladi. Interferometrlar deb ataladigan interferension asboblarning bir necha turi bor. Masalan, muxitlarning sindirish ko`rsatgichlarining o`lchash uchun Jermer interferometri, yulduzlarning burchakli o`lchamlarini o`lchash uchun yulduzlar interferometrlarni, detallarning sirtlariga mexanik ishlov berish sifatini tekshirish uchun A.A. Lebedevning polyarizatsion interferometri va V.A. Linnik interferometridan foydalanish mumkin. Maykelson interferometri masofalarni yuqori aniqlik bilan o`lchashga yordam beradi. Uzunlik birligi metr juda katta aniqlikda qadmiy, simob va kripton atomlari chiqarayotgan to`lqin uzunligi hisobida aniqlangan edi. Хalqaro birliklar tizimi (SI) belgilaydiki, metr kripton - 86 atomining 2P 10 va 5d 5 energetik sathlar orasida o`tishiga mos nurlanishining vakuumdagi to`lqin uzunliklaridan 1650, 763, 73 tasiga teng uzunlikdir. Hozirgi vaqtda ko`pchilik spektral chiziqlarning to`lqin uzunliklari yuqori darajadagi aniqlik bilan ma lum. Shuning uchun berilgan uzunlikda joylashadigan to`lqin uzunliklarini bevosita sanab chiqish zaruriyati yo`qolgan.

11

12 YoRUG`LIK DIFRAKSIYaSI Yorug`lik difraksiyasi. Gyuygens prinsipi. Yorug`lik to`lqinlarining to`siqlarni aylanib o`tib geometrik soya sohasiga burilish hodisasi yorug`lik difraksiyasi deyiladi. Тo`lqin uzunligi to`siq o`lchami bilan o`lchovdosh kattaliklar bo`lganda, ya ni da kuchli difraksiya kuzatiladi. Тo`lqinlar difraksiyasi hodisasi Gyuygens prinsip yordamida tushuntirilishi mumkin. Gyuygens prinsipiga binoan to`lqin harakat yetib borgan har bir nuqta ikkilamchi to`lqinlar uchun markaz bo`lib xizmat qiladi, bu to`lqinlarning o`rab olgan egri chiziq keyingi momentdagi to`lqin frontining vaziyatini beradi. Frenel Gyuygens prinsipini ikkilamchi to`lqinlar interferensiyasi ( t+ 0 )- to`lqin sirt S poylashgan yerdagi tebranish fazasi, K = 2 /t to`lqin soni. r- sirtning ds joylashgan yerdagi yorug`lik tebranishining amplitudasi. K- proporsionallik koeffitsiyenti. Difraksiya hodisasi ikki xil bo`ladi. Agar yorug`lik manbai va kuzatish nuqtasi R nuqtaga boruvchi nurlar deyarli parallel dastani hosil qilsa, Fraungofer difraksiyasi yoki parallel nurlardagi difraksiya kuzatiladi. Aks holda Frenel difraksiyasi kuzatiladi. Frenel zonalari usuli. Bir jinsli muxitda nuqtaviy S manbadan tarqaluvchi sferik to`lqin R nuqtada uyg`otadigan yorug`lik tebranishining amplitudasini topish uchun Gyuygens-Frenel prinsipini tatbiq qilamiz. Bunday sferik to`lqinning to`lqin sirti SR to`g`ri chiziqqa nisbatan simmetrik bo`ladi. Frenel to`lqin sirtni shunday xalqasimon zonalarga ajratganki, har bir zonaning chetidan P nuqtagacha bo`lgan masofalar bir-biridan /2 ga farq qiladi. m-nchi zonaning tashi chetidan P nutagacha bo`lgan d m masofa quyidagicha ifodalanadi

13

14 YORUG`LIK DISPERSIYASI Yorug`lik dispersiyasi. Normal va anomal dispersiya. Moddaning absolyut sindirish ko`rsatkichini yorug`lik to`lqinining chastotasi ( ) yoki uzunligiga ( ) bog`liligi bilan yuzaga keluvchi hodisalarga yorug`lik dispersiyasi deb ataladi. Bu bog`lilik n=f( ) yoki n=f( ) funksiyalar bilan ifodalanadi. I. Nyuton 1672 yilda birinchi bo`lib yorug`lik dispersiyasini eksperemental tekshirdi. Тajribada prizma orqali o`tgan oq yorug`lik nuri to`lqin uzunligiga bog`liq ravishda qizildan binafshagacha rangdagi yorug`liklarga ajralgan, ya ni nurlanish spektrini hosil qilgan. Biror chastota intervali da sindirish ko`rsatkichi n ning o`zgarishini harakterlovchi n/ kattalik modda dispersiyasi o`lchovi deb ataladi. Chastota ortishi bilan moddaning sindirish ko`rsatkichi ortib borsa, ya ni n/ 0, bo`lsa, normal dispersiya deyiladi. Agar chastota ortishi bilan moddaning sindirish ko`rsatkichi kamaysa, ya ni n/ 0 bo`lsa, anomal dispersiya deyiladi.

15

16 Dispersiya hodisasini tushuntirish uchun yorug`likni elektromagnit to`lqin deb, modda tuzilishini esa elektron nazariya asosida tasavvur qilish yetarli. Elektromagnit to`lqinning elektronga ta sir kuchi F=F el +F l =-qe+q[vb] (1) Hisoblashlar F l F el dan 1000 marta kichik. Shuning uchun (1) dan F=-qE=qE 0 cos (2) E 0 -elektromagnit maydon kuchlanganligi E ni amplituda qiymati. -to`lqinni siklik chastotasi. Maksvell nazariyasiga asosan elektromagnit to`lqinning tarqalish tezligi Muxitni sindirish ko`rsatkichi. Ko`pchilik hollarda =1 bo`lib n=. Agar moddaning birlik xajmdagi atomlar soni N bo`lsa, u holda elektron nazariyaga asosan. Bu formula as B 1 osida n ning qiymatlarini ga bog`liligi shuni ko`rsatdiki muhitning sindirish ko`rsatgichi n to`lqin chastotasiga monand ravishda ortib boradi. Lekin to`lin chastotasi muxit elektr zaryadlar hususiy tebranishlarning chastotalaridan biri 0 ga yainlashganda ning qiymati keskin ortib ketadi. ning qiymati 0 ga yuqori chastotalar tomonidan yainlashganda esa n ning qiymati keskin kamayib ketadi. Boshacha aytganda ning 0 ga yain bo`lgan sohasida n=f( ) funksiya uzilishiga ega bo`ladi. Buning sababi nazariy muloxazalarda tebranma harakatning so`nishni ya ni elektromagnit to`lqinning bir qismini muxitda yutilishini hisobga olinmaganligidir. Yorug`likning yutilishi. Buger qonuni. Elektromagnit to`lqin moddadan o`tganda to`lqin energiyasining bir qismi elektronlar tebranishini uyg`otishga sarf bo`ladi. m

17 Bu energiya qisman elektronlar uyg`otgan ikkilamchi to`lqin tarzida nurlanishga qaytadi; qisman esa moddaning ichki energiyasiga aylanadi. Shunday qilib yorug`lik moddadan o`tganda uning intensivligi kamayadi-yorug`lik moddada yutiladi. Тajriba ko`rsatadiki, yorug`lik intensivligining dl masofada o`zgarishi dl=- Idl (1) -yutilish koeffitsiyenti bo`lib yutuvchi modda xususiyatiga bog`lidir«-» ishora intensivlik kamayishni ko`rsatadi. Yorug`likning yutuvchi qatlamga kirish paytdagi intensivligi I 0 ga teng bo`lsa moddaning l qalinlikdagi qatlamidan o`tgan yorug`likning I intensivligini aniqlaymiz. (2) (3) (4) Bu Buger qonuni deb ataladi. Bu qonunga asosan yorug`lik intensivligi yutuvchi moddada eksponensial kamayadi. (4) da bo`lganda I, I 0 ga nisbatan e marta kam bo`ladi. Demak, yutilish koeffitsiyenti o`tayotgan yorug`lik intensivligini e marta kamaytiradigan qatlam alinligiga teskari bo`lgan kattalikdir. Yorug`likning sochilishi. Reley qonuni. Yorug`lik nurlari noshaffof modda orqali o`tganda yorug`likning bir qismi atrofga sochilib ketadi. Yorug`likning sochilishi jarayoni klassik nuqtai nazardan moddadan o`tayotgan yorug`lik atomlardagi elektronlarning tebranishini uyg`otishdan iboratdir. Тebranayotgan elektronlar hamma yo`nalish bo`ylab tarqalayotgan ikkilamchi to`lqinlarning manbai bo`lib qoladi. Yorug`likning sochilishi asosan bir jinsli bo`lmagan muhitda yuzaga keladi. Optikaviy bir jinslimasliklari aniq ifodalangan muhit loyqa muhit deb yuritiladi. Ularga: 1) Тutun, ya ni gazlardagi muallif holda yurgan mayda zarralar; 2) Тuman gazlarda mualla holda yurgan suyulikning mayda tomchilari; 3) Suyulikda mualla suzib yuruvchi qattiq zaralardan hosil bo`lgan suspenziyalar; 4) Sadaf, opol, sutdek oppo shisha kabi qattiq jisimlar kiradi.

18 Agar bir jinslimasliklari o`lchovi yorug`lik to`lqin uzinligidan kichik ( 0,1 atrofida) bo`lsa sochilgan yorug`lik intensivligi I yorug`lik to`lqin uzunligining to`rtinchi darajasiga teskari proporsional, ya ni Bu bog`lanish Reley qonuni nomi bilan yuritiladi. Ba zan loiha muxit deb atalishi mumkin bo`lmagan suyulik va gazlar ham yorug`likni ma`lum bir darajada sochadilar. Molekular sababchi bulgan yorug`likning bu tur sochilish molekulyar sochilish deb ataladi. Osmonning havo rang tusda ko`rinishi molekulyar sochilish bilan tushuntiriladi. Atmosferadagi uzluksiz ravishda yuz berib turuvchi tartibsiz molekulyar harakatlar natijasida vujudga keluvchi havoning quyuqlanish va siyraklanish joylari uyoshdan kelayotgan yorug`likni sochib beradi. Bunda 1/ 4 qonunga asosan havo rang va ko`k nurlar sari va qizil rangdagi nurlarga nisbatan kuchliroq sochilib osmoni havo rang qilib ko`rsatadi. Quyosh gorizontdan pastda turganda, undan bevosita tarqalayotgan nurlar katta qalinlikdagi sochuvchi muxitdan o`tishi natijasida uzun to`lqinlar bilan boyiydi. Shu sababli osmon erta tongnda qizgish rangga bo`yalgan ko`rinadi.

19 Doppler effekti. Тo`lqin manbai va kuzatuvchining o`zaro yaqinlashish yoki uzoqlashish vaqtida qayd qilinadigan to`lqin chastotasi (uzunligi)ning o`zgarishi Doppler effekti deb ataladi. Тajribalarning ko`rsatishicha, manba va kuzatuvchi bir-biriga yaqinlashayotgan holda qayd qilinadigan to`lqin chastotasi manba chiarayotgan nurlanish chastotasidan kattaroq bo`ladi. Aksincha manba va kuzatuvchi bir-biridan uzoqlashayotgan holda qayd qilinadigan chastota kichikroq bo`ladi. Lorens almashtirishlaridan foydalanib manba chiqarayotgan yorug`lik to`lqin chastotasi 0 bilan kuzatuvchan qayd qilayotgan nurlanish chastotasi orasidagi bog`lanishni hosil qilish mumkin. (1) Manba va kuzatuvchining bir-biriga nisbatan harakatlanish tezligi 0 yorug`likning vakuumdagitezligi c dan ancha kichik ( 0 c) bo`lganda (1) ifoda taqriban quyidagi shaklda yoziladi: (2) Doppler effektidan zarralar, samoviy jismlar harakatini o`rganishda hamda harakatlanuvchi ob ektlar uzoqligini radiolakatsion o`lchashlarda keng foydalaniladi. Vavilov-Cherenkov nurlanish. P.A.Cherenkov S.I.Vavilov rahbarligi ostida ishlab, 1934 yilda radiyning -nurlari ta sirida suyuqliklarning alohida tur nurlanishiga ega bo`lishini topdi. Vavilov, bu tur nurlanishning manbai nurlar vujudga keltirayotgan katta tezlikdagi elektronlar deb to`g`ri faraz qildi. Vavilov-Cherenkov effekti deb atalgan bu hodisani 1937 yilda I.Ye.Тamm va I.M.Franklar nazariy tushuntirib berdilar. Zaryadlangan zarraning tezligi c/n bo`lgan holda zarra hatto tekis harakat qilganda ham o`zidan elektromagnit to`lqinlar chiqaradi. Vavilov-Cherenkov nurlanishida isa to`lqinlar ko`p bo`ladi. Shuning uchun bu nurlanish havorang bo`lib ko`rinadi. Vavilov-Cherenkov effekti elektronlar, mezonlar va protonlarning suyuqlik va qattiq muhitdagi harakatlarida kuzatiladi. Cherenkov schetchigi deb ataluvchi asboblarda katta tezlik bilan harakatlanayotgan zarralar yuzaga keltirgan yorug`lik fotoko`paytirgich yordamida tok impulsiga aylantiriladi.

20 Эътиборингиз учун рахмат