wstep˛ do optyki i fizyki materii skondensowanej · cze˛s´c i: optyka, wykład 1´ wykład:...

Informacje ogólne Przypomnienie z optyki Promieniowanie, absorpcja i emisja swiatła

Wstep do Optykii Fizyki Materii Skondensowanej

Czesc I: Optyka, wykład 1

wykład: Piotr Fitapokazy: Andrzej Wysmołek

cwiczenia: Anna Grochola, Barbara Pietka

Wydział FizykiUniwersytet Warszawski

2013/14


Plan

1 Informacje ogólne

2 Przypomnienie z optyki

3 Promieniowanie, absorpcja i emisja swiatła


O czym bedzie ten wykład?

O oddziaływaniu swiatła z materia:

Absorbcja i emisja swiatłaRozpraszanieWzmocnienie swiatła (laser)Załamanie na granicy osrodkówPrzekaz pedu (chłodzenie atomów)Optyczne badania materii (spektroskopia)

Formuła wykładu:Tablica (wyprowadzenia praw) + rzutnik (rysunki i wnioski) +pokazy


O czym nie bedzie ten wykład?

O własnosciach samego swiatła:

DyfrakcjaInterferencjaSpójnoscStatystyka swiatłaStany kwantowe swiatła


Co trzeba wiedziec?

Niewiele z zakresu optyki(tyle, ile na kilku kolejnych slajdach)

Nieco z zakresu budowy materii:Podstawy mechaniki kwantowejStruktura atomu

Podstawy termodynamiki


Polecana literatura

W. Demtroder, Spektroskopia laserowa, PWN, Warszawa 1993

H. Haken, H. C. Wolf, Atomy i kwanty, PWN, Warszawa 1997

J. Ginter, Wstep do fizyki atomu, czasteczki i ciała stałego,PWN, Warszawa 1979

E. Hecht, Optyka, PWN, Warszawa 2012

J. R. Meyer-Arendt, Wstep do optyki, PWN, Warszawa 1979

T. Stacewicz, A. Witowski, J. Ginter, Wstep do optyki i fizyki ciałastałego, Wydawnictwa UW, Warszawa 2002

A. Hennel, W. Szuszkiewicz, Zadania z fizyki atomu, czasteczki iciała stałego, PWN, Warszawa 1985


Zasady zaliczenia

kolokwium: 28 kwietnia, godz. 9-13, P17(test 10 pytan/5 p-tów + 3 zadania/10 p-tów = 15 p-tów)połowa punktów zalicza cwiczeniaegzamin pisemny: 16 czerwca, godz. 9-13, P17(test 20 pytan/10 p-tów + 3 zadania/20 p-tów = 30 p-tów)na czesci zadaniowej kartka A4 z notatkami1 zadanie podobne do zadan domowych (3 serie)egzamin ustny: 18-19 czerwca


Pole elektryczne i wektor Poyntinga

Fala płaska w kierunku z:

−→E (z, t) = E0 cos(kz − ωt)x

−→B (z, t) =

1c

E0 cos(kz − ωt)y

Gestosc energii:

u =12

(ε0E2 +

1µ0

B2)

u = ε0E20 cos2(kz − ωt)

Strumien energii(wektor Poyntinga):

−→S =

1µ0

(−→E ×

−→B )

−→S = cuz


Natezenie swiatła

Interesuje nas usredniona po okresie wartosc wektoraPoyntinga:

〈u〉 = ε0E20 〈cos2(kz − ωt)〉 = 1

2ε0E2

0

〈−→S 〉 = 1

2cε0E2

0 z

Natezenie swiatła I:

I =12

cε0E20

[Wm2

](usredniona po okresie moc fali na jednostke powierzchni)


Notacja zespolona

Korzystamy ze wzoru Eulera:

eiφ = cosφ+ i sinφ

Dla fali o wektorze falowym−→k :

(Czesc urojona pomijamy "w pamieci")

−→E = E0e−i(

−→k ·−→r −ωt)n

Tu E0 moze byc zespolone, wtedy zawiera informace o fazie:E0 = |E0|eiφ

−→B =

1c

E0e−i(−→k ·−→r −ωt)(k × n)

Natezenie swiatła:

I =12

cε0E20 =

12

cε0|−→E |2 ∼ |

−→E |2


Fale płaskie a sferyczne

Fale ze zródła punktowego:

[media.learn.udi.edu]

W trzech wymiarach:

[ipodphysics.com]

−→E (−→r , t) =

−→E 0

re−i(kr±ωt)

I(−→r ) ∼ 1r2


Polaryzacja swiatła

polaryzacja liniowa polaryzacja kołowa

Dowolny stan polaryzacji swiatła moze byc uzyskany jakokombinacja liniowa (z odpowiednimi amplitudami i fazami):

Dwóch prostopadłych polaryzacji liniowychDwóch przeciwnych polaryzacji kołowych


Polaryzacja swiatła

polaryzacja kołowa

polaryzacja eliptyczna

Kierunek wektora−→E nie zalezy od połozenia w kierunku

poprzecznym do kierunku propagacji


Polaryzacja eliptyczna

Opis polaryzacji eliptycznej


"Nieklasyczne" polaryzacje

polaryzacja radialna

polaryzacja tangencjalna

Kierunek wektora−→E zalezy od połozenia w wiazce



Wytwarzanie polaryzacji radialnej:

[T. Nemoto et al, DOI: 10.1117/2.1201211.004549]



Wiazke spolaryzowana radialnie (HRP) mozna ciasniejzogniskowac niz wiazke o pol. liniowej (LP)(mikroskopia, mikroobróbka laserowa):

[T. Nemoto et al, DOI: 10.1117/2.1201211.004549]


Prawo promieniowania ciała doskonale czarnego

Gestosc energii promieniowana bedacego w równowadzetermicznej z otoczeniem:

Klasycznie (prawo Rayleigha-Jeansa):

ρ(ν)dν =8πν2

c3 kT dν

(Działa w podczerwieni, ale "katastrofa w nadfiolecie")Kwantowo (prawo Plancka)

ρ(ν)dν =8πν2

c3hν

ehν/kT − 1dν

To sa wyrazenia na Gestosc energii w przedziale czestosci dν, niena natezenie swiatła, czy moc wypromieniowana



Gestosc energii w całym zakresie czestosci (u):

u =

∫ ∞0

ρ(ν)dν

Gestosc energii→ szybkosc emisjii energii→ całkowanie→moc promieniowania ciała doskonale czarnego na jednostkepowierzchni (prawo Stefana-Boltzmanna)

P = σT 4

σ =2π5k4

15c2h3 = 5.67 · 10−8 Wm2K4



Długosc fali, przy której gestosc energii osiaga maksimum wtemp. T (prawo Wiena):

λmax =bT

b ≈ 2.9 · 10−3mK

Dla Słonca T ≈ 5800 K→ λmax ≈ 500 nm (zielony)


Absorpcja i emisja swiatła

absorpcja emisja spontaniczna

emisja wymuszona

B12

B21A21

1

2

Relacje miedzy współczynnikami Einsteina:

B12 = B21

A21

B21=

8πhν3

c3

(Wyprowadzenie - na cwiczeniach)


Prawo Lamberta - Beera

I0

dzz

I(z)

dI(ν0)

dz= −ε(ν0)c0I(ν0)

I(ν0, z) = I0(ν0)e−ε(ν0)c0z = I0(ν0)e−α(ν0)z

(Wyprowadzenie - na tablicy)

wstep˛ do optyki i fizyki materii skondensowanej · cze˛s´c i: optyka, wykład 1´ wykład:...

Documents