А.Н. Матвеев - Атомная физика (1120551), страница 8
Текст из файла (страница 8)
И. Вавиловым (1891 — 1951). Опыты Вавилова. Флуктуации интенсивности светового потока в опытах Вавилова регистрировались непосредственно человеческим глазом, обладающим чрезвычайно большой чувствительностью. Поэтому необходимо сделать несколько замечаний о возникновении зрительного ощущения. Оно возникает при попадании света на сетчатую оболочку ~лаза. В сетчатке глаза имеются воспринимаюшие элементы двух типов: колбочки и палочки. Колбочки в основном сосредоточены в областях сетчатой оболочки вблизи оптической оси глаза и обеспечивают цветовое зрение. Палочки же сосредоточены главным образом в периферических областях сетчатой оболочки глаза, дальше от оптической оси, и обеспечивают серое периферическое или сумеречное зрение, которое не различает цветов.
Однако чувствительность палочек во много раз больше, чем чувствительность колбочек. Человеческий глаз имеет определенный порог чувствительности. Это означает, что если на определенный участок сетчатой оболочки глаза попадают вспышки света с определенной длиной волны и определенной продолжительности, то сушествует некоторое минимальное число фотонов во вспышке, которое глаз еше 30 ! Корпускулярные свойства электромагнитных запн й 13 Схема опытов Вавилова воспринимает как вспышку и ниже которого глаз не ощущает вспышки. Это число фотонов и определяет порог чувствительности глаза для данных условий. Если в последовательности вспышек в среднем имеется число фотонов, существенно большее порога чувствительности, так что в результате флуктуаций оно не становится меньшим порога чувствительности, то глаз будет фиксировать каждую вспышку.
Однако если в глаз направляются вспышки, в которых среднее число фотонов находится на пороге чувствительности глаза, то вспышки, в которых число фотонов больше порога чувствительности, будут зафиксированы глазом, а вспышки, в которых число фотонов меньше порога чувствительности, не будут замечены. Следовательно, при наблюдении вспышек вблизи порога чувствительности глаза можно непосредственно глазом зафиксировать флуктуации числа фотонов во вспышках.
Вавиловым было ЕЗ Независимость флуктуаций интенсивности во взаимно когерентных волнах свидетельствует о корпускулярной природе излучения, Независимость флуктуаций интенсивности в обыкновенном и необыкновенном лучах, выщедщих из двоякопрвпомпяющей призмы, свидетельатвует о том. что понятие поляризации относится к отдельному фотону. Почему для исспедовзния фпуктузции концентреции фотонов необходимо пользовзться малыми плотностями потоков энергиит установлено, что порог чувствительности глаза в области сумеречного зрения составляет от нескольких десятков фотонов до нескольких сотен, испытывая значительные колебания для различных наблюдателей.
Свет от источника И в опытах Вавилова (рис. ! 3) проходит через отверстие в диске тт и попадает в фильтр Ф, который пропускает лишь волны с определенной длиной волны (в опытах использовался зеленый свет). Затем, пройдя через коллиматор К, свет попадает в глаз. Кроме того, на пути света поставлен фильтр, не изображенный на схеме, с помощью которого можно непрерывно изменять интенсивность света.
Глаз фокусируется на источник В слабого света. Благодаря этому луч света, проходящий через отверстие диска, попадает на периферический участок сетчатой оболочки глаза. Диск 0 с помощью двигателя вращается с частотой ! об/с. Форма и площадь отверстия в диске таковы, что свет может проходить в него в течение т/то вРемени обоРота диска, а в течение 0,9 времени оборота свет в глаз не попадает и глаз отдыхает. Таким образом, при вращении диска создается последовательность вспышек длительностью 0,1 с с интервалами 0,9 с между вспышками.
В момент возникновения зрительного ощущения вспышки наблюдатель нажатием ключа делает отметку на движуп1ейся ленте хронографа. На той же ленте отмечаются периоды времени прохождения отверстия диска перед глазом наблюдателя. Сопоставляя отметки вспышек на ленте, сделанные наблюдателем, с отметками периодов прохождения отверстия перед глазом наблюдателя, можно определить, возникае~ или нет зрительное ощущение вспышки. Вначале, когда яркость вспышек 1 3 Флуктуации интенсивности светового потока 31 не очень мала, наблюдатель отмечает каждую вспышку. При уменьшении яркости наступает такая стадия, когда соответствие между вспышками, отмечаемыми наблюдателем, и периодами времени прохождения отверстия диска перед глазом наблюдателя нарушается — наблюдатель отмечает не все вспышки.
Это означает, что в некоторых вспышках число фотонов ниже порога чувствительности, а в некоторых — выше. Математическая обработка полученного из наблюдений материала позволила установить, что в этих опытах действительно наблюдаются статистические флуктуации числа фотонов в отдельных вспышках светового потока. Флуктуации интенсивности во взаимно когерентных волнах. С помощью описанной методики Вавиловым были исследованы флуктуации интенсивности во взаимно когерентных волнах. Волна от источника 5 1рис. 14) бипризмой Френеля П разделяется на две взаимно когерентные волны. На экране Я в области пересечения волн возникает интерференционная картина, наличие которой свидетельствует о взаимной когерентности волн, т.
е. о существовании постоянных фазовых соотношений между ними. Здесь мы не принимаем во внимание некоторые тонкости, связанные с частичной когерентностью волн, поскольку это не вносит ничего сущесгвенного в принципиальную сторону обсуждаемого вопроса. Вне области пересечения волн 1на рис. 14 вне закрашенной области) интерференционная картина не образуется и можно наблюдать неинтерферирующее излучение от мнимых источников 5' и 5". Вспышки излучения источника 5 бипризмой Френеля трансформируются во вспышки взаимно когерентных излучений мнимых источников 5' и 5".
Методикой Вави- 14 Схема получения взаимно когерентных волн лсленнем волнового фронта с помощью бипрнзмы Френеля 15 Схема получения поляризованных лучей с помощью призмы Волластона лова можно изучить флуктуации числа фотонов во вспышках каждого из источников и корреляцию этих флуктуаций между собой. Эти исследования показали, что флуктуации числа фотонов во взаимно когерентных вспьппках излучения происходят независимо друг от друга.
Флуктуации интенсивности в поляризованных лучах. Другой важный опыт Вавилова касался флуктуаций в поляризованных лучах. Луч света 5, проходя сквозь призму Волластона В 1рис. 15), распадается на два луча 5' и 5", ко~орые линейно поляризованы в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Исследуя флуктуации чис- 32 1. Корпускупярные свойства апектромагнитных вопи Схема опыта Брауна и Твнсса Зависимость корреляции интенсивности потоков 6(т) ла фотонов в лучах о' и 5", Вавилов показал, что этн флуктуации пронсхоляе независимо друг от друга. Это означает, что поня~не поляризации относится к отдельному фотону, а процесс поляризации состоит в том, что некоторый фотон в луче 5, пройдя призму Волластона, движется дальше либо в луче У, либо в луче 5", приобретая соответствующую поляризацию.
Опыт Брауна и Твисса. В опыте была количественно исследована корреляция флуктуаций интенсивности в световом пучке вдоль направления его распространения. Световой пучок 5 (рис. 16) разделяется полупрозрачной пластиной А на два пучка, которые направляются к фотоприемникам П, и П, находящимся на разных расстояниях от А. Силы токов от фотоприемников, пропорциональные интенсивностям соответствующих световых потоков, в корреляторе К преобразуются в силу тока пропорционально произведению сил токов от фотоприемников П, и Пт.
Измеряются также силы тока 1, и 1, от этих фотоприемников. Средние значения этих сил токов равны: (1,) = (1 ) = = (1). Ясно, что 1, и 1, пропорциональны интенсивности светового потока 5 в различные моменты времени. Промежуток времени т между этими моментами определяется разностью Л хода лучей от А до фотоприемников (предполагается, что время движения сигнала от фотоприемников до коррелятора одинаково). Следовательно, т = Сх/с и силы токов можно записать в виде 1, = 1(г),1 = 1(г+ т).
Измеряемой в эксперименте величиной является т 1 1 С б(т) = — -~1(~)1(г+ т))к (З.)) (1') т) е На рис. 17 приведена зависимость 6(т), найденная в опытах Брауна н Твисса. При очень малых т значение 0(т) очень близко к единице, при увеличении т оно уменьшается. Прн больших т функция 6(т) практически постоянна. Для объяснения тако~о поведения 6(т) необходимо принять во внимание флуктуации интенсивности света в пучке. Если бы флуктуаций не было, то при всех значениях т было бы 6(т) =!.
Однако при наличии флуктуаций ситуация меняется. Для флуктуаций можно определить характерный масштаб времени, а следовательно, и расстояний вдоль пучка. Если т меньше характерного времени флуктуаций, то в корреляторе все время 4 4. Поляризация фотонов 33 регистрируются примерно одинаковые силы токов и 6(т) близка к единице. При увеличении т корреляция между силами токов в корреляторе нарушается, максимумы силы тока в одном канале попадают на минимумы в другом и т, д., в результате чего 6(т) уменьшается. Когда т превосходит характерное для флуктуаций время, его увеличение не вносит изменения в соотношение токов в каналах и значение 6(т) остается постоянным.
Функция 6(т) свидетельствует о наличии флуктуаций концентрации фотонов в световом пучке и дает информацию о статистических свойствах фотонов. 4. Поляряэацяя фотояов Обсуждаются экспериментальные доказательстаа применимости понятия поляризаиии к отдеяьному фотону. Ваодится понятие о состоянии движения фотона и обсуждается смысл суперпозидин состояний. Поляризация электромагнитных воли. Поляризация электромагнитных волн определяется поведением вектора напряженности электрического поля волны, который всегда перпендикулярен лучу.
При линейной поляризации конец вектора напряженности с началом на луче в фиксированный момент времени при перемещении по лучу описывает синусоиду на плоскости, в которой лежат луч и вектор напряженности. Эта плоскость называется плоскостью колебаний вектора напряженности электрического поля. Плоскостью поляризации называется плоскость (в которой колеблется вектор магнитной индукции волны), перпендикулярная плоскости колебаний вектора напряженности электрического поля.
Однако плоскость поляризации в этом смысле в настоящее время практически не используется и поля- з зи ризация описывается посредством характеристики электрического вектора волны. Кроме линейной поляризации имеются круговая и эллиптическая. При круговой поляризации конец вектора напряженности с началом на луче при перемещении по лучу в фиксированный момент времени описывает винтовую линию на круглом цилиндре, осью которого является луч, а при эллиптической †винтов линию на эллиптическом цилиндре, причем луч проходит через центры эллиптических сечений цилиндра (не через фокусы эллипсов в сечении!). В фиксированной точке пространства на луче при линейной поляризации конец вектора 8 колеблется по гармоническому закону по линии колебаний, при круговой и эллиптической поляризации конец вектора Ю описывает соответственно окружность и эллипс с центром на луче в плоскости, перпендикулярной лучу.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
