Дипломная работа: Фундаментальні досліди з квантової оптики та їх висвітлення в шкільному курсі фізики

· систематизування змісту навчального матеріалу з розділу „Квантова оптика”

Завдання дослідження:

· на виявлені теми курсу “Фізика” вивчення теми „Фундаментальні досліди з квантової оптики в шкільному курсі фізики”

· підвищити показники рівня знань учнів;

Розділ 1 Фундаментальні досліди з квантової оптики

1.1Випромінювання Вавілова – Черенкова

Вивчаючи явища люмінесценції, П. О. Черенков (1904-1990) у 1931 р. виявив випромінювання, що виникає в речовинах при русі електроні», швидкість яких перевищує: фазову швидкість Vсвітла в цих середовищах. Значні заслуги у встановленні природи цього випромінювання належать С. І. Вавилову, тому воно називається випромінюванням Вавилова - Черепкова. Теорію цього випромінювання розвинули І. Є. Гамм (1895-1971) та І. М. Франк (н. 1908 р.) у 1937 р.

Мал.1

Для встановлення суті випромінювання Вавилова - Черенкова вважатимемо, що електрон в однорідному середовищі рухається рівномірноі швидкістю V. Під дією електричного поля електрона атоми і молекули середовища збуджуються і стають центрами випромінювання електромагнітних хвиль. При рівномірному русі електрона хвилі когерентні й будуть інтерферувати між собою.

.Коли швидкість електрона Vбільша за фазову швидкість світла в середовищі, то хвилі, що випромінюються атомами в різні моменти часу за певних умов, зможуть приходити в точку спостереження (рис. 1) одночасно. Якщо електрон перебував у точках А і В оменти часу t₁ it₂ то хвилі досягнуть точки Р у моменти часу

та . Різниця цих часів

Для випадку, коли точка Р достатньо віддалена від точки А, можна вважати, що АР-ВРАС=АВcosӨ Оскільки то існує: кут Ө, який задовольняє умову

(1)

де с - швидкість світла у вакуумі; п - показник заломлення середовища.

У разі виконання умови (1) всі хвилі досягають точки Р одномасно й підсилюють одна одну. Отже, тільки в напрямі, що визначається умовою (1), поширюється випромінювання. З формули (1) видно, що випромінювання можливе на частотах ω, для яких , і неможливе на частотах, для яких

Випромінювання Вавилова - Черенкова спостерігається у видимій, ультрафіолетовій та інфрачервоній частинах спектра, а також урадіочастотному діапазоні Для рентгенівських променів n<1, тому таке випромінюваним для них неможливе.

Експериментально доведено, що випромінювання Павилова – Черенковачастково поляризоване й уїворюе суцільний спектр. Його електричний вектор лежить у площині, що проходить через напрям швидкості електрона І напрям поширення випромінювання. Випромінювання Вавилова - Черенкова поширюється головним чином у напрямі руху електрона і мас максимальну інтенсивність уздовж твірних конуса, вісь якої о збігається з напрямом швидкості електрона, а нахил твірної до осі визначається умовою (1).

Випромінювання Вавилова – Черенковашироко застосовується в ядерній фізиці для вимірювання швидкостей частинок високих енергій.

1.2 Ефект Доплера

При вивченні звукових хвиль встановлено, що коли джерело і приймач звуку нерухомі одне відносно одного, то частота звуку, яку генерує джерело, дорівнює частоті, яку реєструє приймач. Якщо ж вони рухаються назустріч одне одному, то частота, реєстрована приймачем звуку, вища, ніж частота, яку генерує джерело. З віддалянням джерела звуку від приймача частота звуку, яку реєструє приймач, буде нижчою від частоти коливань джерела звуку. Залежність частоти хвиль, які сприймаються приймачем, при русі джерела чи приймача, чи одного і другого разом називають ефектом Доплера. Розрізняють ефект Доплера в акустицч і в оптиці.

В акустиці частота сприйнятих хвиль залежить від швидкості руху джерела хвиль і швидкості руху приймача відносно середовища, в якому поширюється хвиля.

В оптиці ефект Доплера означає ту саму залежність частоти, але від відносної швидкості джерела і приймача. Цей ефект в оптиці вперше спостерігав А. Фізо. Він виявив зміщення спектральних ліній у випромінюванні деяких небесних світил. У лабораторних умовах дослідження ефекту Доплера вперше здійснили у 1900 р. А.А. Бєлопольський (1854-1934) і у 1907 р. Б. Б. Голіцин (1862-1916).

Ефект Доплера в оптиці добре узгоджується з гіпотезою X. Лоренца про нерухомий ефір. Оскільки існування ефіру заперечується теорією відносності, то доплерівське зміщення частоти світлових хвиль визначається тільки відносною швидкістю джерела і приймача.

Зв'яжемо початок координат системи К із джерелом світла, а систему К' - з приймачем світла. Осі Ох і О'х' спрямуємо вздовж вектора швидкості V, з якою одна система переміщується відносно іншої. Для спрощення математичних викладок вважатимемо, що світлова хвиля поширюється у вакуумі. Відомо, що при переході до будь-якої системи відліку за допомогою перетворень Лоренца одержуємо одне й те саме значення швидкості світла.

Напрям поширення світла і його частота в різних системах відліку будуть різними. Зміна частоти хвилі при переході від однієї системи відліку до іншої виражає ефект Доплера, а зміна напряму характеризується аберацією світла. Вважатимемо, що від джерела світла поширюється плоска хвиля. Рівняння цієї хвилі в системі К має вигляд

(1)

де – циклічна частота, що реєструється у системі відліку, зв'язаній з джерелом. У системі відліку, зв'язаній з приймачем, рівняння цієї хвилі має вигляд

(2)

де – циклічна частота, що реєструється приймачем у системі К'. Відповідно до принципу відносності закони природи мають однаковий вигляд в усіх інерціальних системах відліку. Оскільки йдеться про одну й ту саму хвилю, то в обох системах відліку фази коливань у рівняннях (1) і (2) однакові, тобто

(3)