Historia optyki fizycznej, częste warunki, prawa, aplikacje

Optyka fizyczna Jest to część optyki, która bada pocieszającą naturę zjawisk światła i fizycznych, które są rozumiane tylko z modelu nierozpuszczającego. Bada także zjawiska interferencji, polaryzacji, dyfrakcji i innych zjawisk, których nie można wyjaśnić z perspektywy geometrycznej.

Model wsteczowy definiuje światło jako falę elektromagnetyczną, której pola elektryczne i magnetyczne różnią się prostopadle do siebie.

Fala elektromagnetyczna [autor: Lennart czujny Raphaël Deknop (https: // commons.Wikimedia.org/wiki/plik: elektromagnetyczna_wave_color.Pdf)]

Pole elektryczne (I) Fala światła zachowuje się podobnie do ich pola magnetycznego (B), ale pole elektryczne na magnetyce przeważa związek Maxwella (1831–1879), które określa następujące:

I= CB

Gdzie C = Prędkość propagacji fali.

Optyka fizyczna nie wyjaśnia spektrum absorpcji i emisji atomów. Z drugiej strony optyka kwantowa, jeśli zajmujesz się badaniem tych zjawisk fizycznych.

[TOC]

Historia

Historia optyki fizycznej zaczyna się od eksperymentów przeprowadzonych przez Grimaldi (1613-1663), który zauważył, że cień rzutowany przez oświetlony obiekt był szerszy i był otoczony kolorowymi paskami.

Zaobserwowane zjawisko nazywało go dyfrakcją. Jego eksperymentalna praca doprowadziła go do podniesienia pofałdowanej natury światła, w opozycji do koncepcji Izaaka Newtona, która dominowała w XVIII wieku.

Paradygmat Newtonian ustalił, że światło zachowało się jak promień małych ciałek, który poruszał się z dużą prędkością w trajektoriach prostoliniowych.

Robert Hooke (1635-1703) bronił pofałdowanej natury światła, w swoich badaniach nad kolorem i załamaniem, stwierdzając, że światło zachowało się jak fala dźwiękowa, szybko rozprzestrzeniają.

Później Huygens (1629-1695), na podstawie pomysłów Hooke'a, skonsolidował w swoim pofałdowanej teorii światła I Care de la lumière (1690), w którym fale światła emitowane przez ciała świetlne są propagowane przez subtelne i elastyczne medium eter.

Teoria pofałdowania Huygensa wyjaśnia zjawiska odbicia, refrakcji i dyfrakcji znacznie lepiej niż teoria korpuskularna Newtona i pokazuje, że prędkość światła zmniejsza się, przechodząc od mniej gęstego do jednego bardziej gęstego ośrodka.

Pomysły Huygensa nie zostały przyjęte przez naukowców z dwóch powodów. Pierwszy był niemożność zadowalającego wyjaśnienia definicji eter, A drugi był prestiżem Newtona wokół jego teorii o mechanice, która wpłynęła na znaczną większość naukowców, aby zdecydować się na wsparcie paradygmatu korpusarkowego światła.

Renesans teorii pocieszającej

Na początku XIX wieku Tomas Young (1773–1829) społeczność naukową zaakceptowała model huygensów z wyników jego eksperymentu z interferencją światła. Eksperyment pozwolił na określenie długości fali różnych kolorów.

W 1818 r. Wyjaśnił także zjawisko Birrefringencia de la luz, co pozwoliło mu potwierdzić, że światło jest falą poprzeczną.

W 1808 r. Arago (1788–1853) i Malus (1775–1812) wyjaśnili zjawisko polaryzacji światła z modelu nieznacznego.

Eksperymentalne wyniki Fizeau (1819–1896) w 1849 r. I Foucalt (1819–1868) w 1862 r. Pozwoliło na sprawdzenie, czy światło rozprzestrzenia się szybciej w powietrzu niż w wodzie, zaprzeczając wyjaśnieniu podane przez Newton.

Może ci służyć: co to jest względne i absolutne szorstkość?

W 1872 roku Maxwell publikuje swoje Traktat o elektryczności i magnetyzmie, w którym oświadcza równania, które syntetyzują elektromagnetyzm. Z równań uzyskał równanie fali, które pozwoliło na analizę zachowania fali elektromagnetycznej.

Maxwell stwierdził, że prędkość propagacji fali elektromagnetycznej jest związana ze środkiem propagacji i pokrywa się z prędkością światła, stwierdzając, że światło jest fali elektromagnetycznej.

Wreszcie Hertz (1857–1894) w 1888 r. Udaje się wytworzyć i wykryć fale elektromagnetyczne i potwierdzić, że światło jest typem fali elektromagnetycznej.

Co studiuje optykę fizyczną?

Badania optyki fizycznej zjawiska związane z pofałdującym się naturą światła, takie jak zakłócenia, dyfrakcja i polaryzacja.

Ingerencja

Zakłócenia jest zjawiskiem, w którym dwie lub więcej fal światła nakładają się na współistniejące w tym samym regionie przestrzeni, tworząc jasne i ciemne opaski światła.

Jasne pasma występują, gdy dodaje się kilka fal, aby wytworzyć wyższą falę. Ten rodzaj zakłóceń nazywa się konstruktywną interferencją.

Kiedy fale nakładają się na wytwarzanie fali o niższej szerokości, zakłócenia nazywa się zakłóceniami niszczącymi i wytwarzane są pasma ciemnego światła.

Zakłócenia [przez inductiveload (https: // commons.Wikimedia.org/wiki/file: Constructive_interference.Svg)]

Sposób, w jaki rozkłada się kolorowe pasma nazywa się wzorem zakłóceń. Zakłócenia można zobaczyć w bąbelkach mydlanych lub w warstwach oleju mokrej drogi.

Dyfrakcja

Zjawiskiem dyfrakcji jest zmiana kierunku propagacji, której doświadcza fala światła poprzez wpływ na przeszkodę lub otwierając jej amplitudę i fazę.

Podobnie jak zjawisko zakłóceń, dyfrakcja jest wynikiem nakładania się spójnych fal. Dwa lub więcej fal światła są spójne, gdy wahają się o tej samej częstotliwości, utrzymując stały stosunek fazowy.

W miarę wzrostu przeszkody.

Polaryzacja

Polaryzacja jest zjawiskiem fizycznym, w którym fala wibruje w jednym kierunku prostopadłym do płaszczyzny zawierającej pole elektryczne. Jeśli fala nie ma ustalonego kierunku propagacji, mówi się, że fala nie jest spolaryzowana. Istnieją trzy rodzaje polaryzacji: polaryzacja liniowa, polaryzacja kołowa i polaryzacja eliptyczna.

Jeśli fala wibruje równolegle do stałej linii opisującej linię prostą w płaszczyźnie polaryzacji, mówi się, że jest liniowo spolaryzowana.

Kiedy fala elektryczna opisuje okrąg w płaszczyźnie prostopadłowy do tego samego kierunku propagacji, utrzymując swoją wielkość stałą, mówi się, że fala jest okrągłego spolaryzowana.

Jeśli wektor fali elektrycznego opisuje elipsę w płaszczyźnie prostopadłym do tego samego kierunku propagacji, mówi się, że fala jest spolaryzowana eliptycznie.

Częste warunki w optyce fizycznej

Polaryzacja

Jest to filtr, który pozwala tylko część światła zorientowana w jednym konkretnym kierunku, przechodzi przez niego bez braku fali zorientowanych w innych kierunkach.

Może ci służyć: bezpłatny schemat ciała

Fala przód

Jest to geometryczna powierzchnia, w której wszystkie części fali mają tę samą fazę.

Amplituda i faza falowa

Amplituda to maksymalne wydłużenie fali. Faza fali jest stan wibracji w chwili. Dwie fale są w fazie, gdy mają ten sam stan wibracji.

Brewster kąt

Jest to kąt występowania światła, przez który odbita fala światła jest całkowicie spolaryzowana.

Podczerwień

Światło nie widoczne przez ludzkie oko w 700 elektromagnetycznym widmie promieniowanianm 1000μm.

Prędkość światła

Jest to stała prędkości propagacji fali świetlnej w pustce, której wartość wynosi 3 × 10⁸SM. Światło światła zmienia się podczas rozprzestrzeniania się w materialnym medium.

Długość fali

Miara odległości między jednym grzebieniem a drugim grzebieniem lub między jedną doliną a drugą doliną falową do rozprzestrzeniania się.

Ultrafioletowy

Niewidoczne promieniowanie elektromagnetyczne z widmem długości fali mniejszej niż 400nm.

Przepisy dotyczące optyki fizycznej

Niektóre prawa optyki fizycznej opisujące zjawiska polaryzacji i zakłóceń są wspomniane poniżej

Prawo Fresnell i Arago

1. Dwie fale światła z polaryzacją liniową, spójną i ortogonalną nie zakłócają się, tworząc wzór zakłóceń.
2. Dwie fale światła z liniowymi, spójnymi i równoległymi polaryzacją mogą zakłócać obszar przestrzeni.
3. Dwie naturalne fale światła z polaryzacją liniową, niekrzemionymi i ortogonalnymi nie zakłócają się nawzajem, tworząc wzór zakłóceń.

Prawo malus

Prawo malus określa, że ​​intensywność światła przenoszona przez polaryzator jest bezpośrednio proporcjonalny do kwadratu cosinusu kąta, który tworzy oś przenoszenia polaryzatora i osi polaryzacji incydentu światła. Innymi słowy:

I = i₀sałata²θ

I =Itensywność światła przesyłana przez polaryzator

θ = Kąt między osą transmisyjną a osą polaryzacyjną wiązki padającej

Siema₀ = Intensywność światła padającego

MALUS LAW [autorstwa Freshneesz (https: // commons.Wikimedia.org/wiki/plik: malus_law.Svg)]

Prawo Brewster

Belka światła odbijana przez powierzchnię jest całkowicie spolaryzowana, w normalnym kierunku do płaszczyzny padania światła, gdy kąt, który tworzy wiązkę odbijaną z opóźnioną wiązką, jest równy 90 °.

Brewster Law [przez PAJS (https: // commons.Wikimedia.org/wiki/file: brewsters-kąt.Svg)]

Aplikacje

Niektóre z fizycznych zastosowań optycznych są badane w zakresie ciekłych kryształów, w projektowaniu układów optycznych i metrologii optycznej.

Ciekłe kryształy

Ciekłe kryształy to materiały między stanem stałym a stanem ciekłym, których cząsteczki mają moment dipolowy, który indukuje polaryzację światła, które na nie wpływa. Z tej właściwości opracowano ekrany kalkulatora, monitory, laptopy i telefony komórkowe.

Cyfrowy zegar z ekranem ciekłokrystalicznym (LCD) [przez BBCLCD (https: // commons.Wikimedia.org/wiki/file: casio_lcd_watch_f-e10.Jpg)]

Projekt systemów optycznych

Często systemy optyczne są używane w życiu codziennym, w nauce, technologii i zdrowia. Systemy optyczne umożliwiają przetwarzanie, rejestrowanie i przesyłanie informacji ze źródeł takich jak Słońce, LED, lampa wolframu lub laser. Przykładami układów optycznych są dyfraktometr i interferometr.

Metrologia optyczna

Jest odpowiedzialny za wykonanie pomiarów o wysokiej rozdzielczości parametrów fizycznych w oparciu o fala światła. Te pomiary są wykonane z interferometrów i instrumentów refrakcji. W obszarze medycznym metrologia służy do ciągłego monitorowania parametrów życiowych pacjenta.

Może ci służyć: magnetyzacja: moment magnetyczny orbital i spin, przykłady

Ostatnie badania optyki fizycznej

Optomechaniczny efekt Kerker (a. V. Poshakinskiy1 i a. N. Poddubny, 15 stycznia 2019)

Poshakinskiy i Poddubny (1) wykazali, że cząsteczki nanometryczne o ruchu wibracyjnym mogą manifestować efekt optyczny-mechaniczny podobny do zaproponowanego przez Kerkera i in. (2) w 1983 r.

Efekt Kerkera jest zjawiskiem optycznym, które polega na uzyskaniu silnej kierunkowości światła rozproszonego przez magnetyczne cząstki sferyczne. Ta kierunkowość wymaga, aby cząstki miały reakcje magnetyczne o tej samej intensywności co siły elektryczne.

Efekt Kerkera jest teoretyczną propozycją, która wymaga cząstek materiału o charakterystyce magnetycznej i elektrycznej, które obecnie nie istnieją w naturze posthakinskiy i poddubny, osiągnęły ten sam wpływ na cząstki nanometryczne, bez znaczącej odpowiedzi magnetycznej, która wibruje w przestrzeni.

Autorzy wykazali, że wibracje cząstki mogą tworzyć polaryzacje magnetyczne i elektryczne, które zakłócają prawidłowo, ponieważ jest ona indukowana w cząstce magnetycznych i elektrycznych składników polaryzacji tego samego rzędu wielkości, gdy nieelastyczne rozproszenie światła jest uważane za.

Autorzy proponują zastosowanie efektu optycznego mechanicznego na nanometryczne urządzenia optyczne podczas wibracji przez zastosowanie fal akustycznych.

Pozasorporowa komunikacja optyczna (d. R. Dhatchayeny i y. H. Chung, maj 2019)

Dhatchayeny i Chung (3) zaproponują eksperymentalny system pozacoralowej komunikacji optycznej (OEBC), który może przekazywać informacje o życiowych oznakach ludzi za pośrednictwem aplikacji na telefony komórkowe z technologią Androida. System składa się z zestawu czujników i koncentratora diod (układ LED).

Czujniki są umieszczane w różnych częściach ciała w celu wykrywania, przetwarzania i komunikowania parametrów życiowych, takich jak impuls, temperatura ciała i szybkość oddechu. Dane są gromadzone przez układ LED i przesyłane przez kamerę telefonu komórkowego z aplikacją optyczną.

Układ LED emituje światło w zakresie długości fal rozproszonych Rayleight Gans Debye (RGB). Każde emitowane kombinacje kolorów i kolorów są powiązane z parlamentami życiowymi.

System zaproponowany przez autorów może niezawodnie ułatwić monitorowanie parametrów życiowych, ponieważ błędy w wynikach eksperymentalnych były minimalne.

Bibliografia

1. Optomechaniczny efekt Kerker. Poshakinskiy, A V i Poddubny, a n. 1, 2019, Physical Review X, vol. 9, str. 2160-3308.
2. Rozpraszanie elektromagnetyczne przez kulki magnetyczne. Kerker, M, Wang, D S i Giles, C L. 6, 1982, Journal of Optical Society of America, t. 73.
3. Optyczna komunikacja pozostawowa za pomocą kamer smartfonów do transmisji ludzkich znaków życiowych. Dhatchayeny, D i Chung, i. 15, 2019, Appl. Optować., Tom. 58.
4. Al-Azzawi, a. Zasady i praktyki optyki fizycznej. Boca Raton, Floryda: CRC Press Taylor & Francis Group, 2006.
5. Grattan-Guiness, tj. Encyklopedia Historii i filozofii nauk matematycznych. New York, USA: Routledge, 1994, t. Ii.
6. Akhmanov, S A i Nikitin, s yu. Optyka fizyczna. New York: Oxford University Press, 2002.
7. Lipson, A, Lipson, S G i Lipson, H. Optyka fizyczna. Cambridge, Wielka Brytania: Cambridge University Press, 2011.
8. Mickelson, r. Optyka fizyczna. New York: Springer Science+Business Media, 1992.
9. Jenkins, f a i biały, h e. Podstawy optyki. NY: McGraw Hill Higher Education, 2001.