VUFF

Dalyko pavadinimas: Optika ir atomo fizika

Dėstytojas: Doc. Aidas Matijošius

Semestras: 4

Reikalavimai: Studentas jau turi būti išklausęs: tiesinę algebrą ir geometriją, matematinę analizę ir diferencialines lygtis, bendrąją fiziką (mechaniką).

Kreditai: 7,5

Studento darbo laikas:
Viso dalykui – 200 val.
Paskaitoms – 48 val.
Pratyboms – 32 val.
Laboratoriniams darbams – 32 val.
Savarankiškam darbui – 88 val.

Dėstomoji kalba: Lietuvių

Dalyko anotacija: Tai sutrumpintas optikos ir atomo fizikos kursas skirtas suteikti kurso klausytojams optikos ir atomo fizikos svarbiausių skyrių – geometrinė optika, poliarizacija, fotometrija, interferencija, difrakcija, kvantinė optika, kvantinė mechanika – teorinių žinių bei praktinių įgūdžių pagrindus, reikalingus tolimesnėms (gilinamosioms) studijoms.

Dalyko rezultatai: Sėkmingai baigęs šį kursą studentas gebės:

  • paaiškinti įvairius aplink mus vykstančius optinius procesus;
  • aprašyti elektromagnetines bangas, jų tarpusavio sąveikas bei sąveikas su medžiaga;
  • suprasti šviesos poliarizaciją ir paaiškinti jos gavimo būdus;
  • paaiškinti elektromagnetinės spinduliuotės sugerties, sklaidos, atspindžio reiškinius;
  • suprasti ir analizuoti įvairius šviesos interferencinius vaizdus;
  • apibūdinti įvairių difrakcinių vaizdų susidarymo sąlygas;
  • suprasti holografijos principus;
  • paaiškinti lazerinės fizikos pagrindus;
  • suprasti įvairių optinių prietaisų veikimo principus;
  • suprasti šiluminio spinduliavimo dėsningumus;
  • paaiškinti kvantinę šviesos prigimti;
  • suprasti kvantinės optikos ir kvantinės mechanikos pagrindus;
  • palyginti molekulinius ir atominius spektrus.

Dalyko sando turinys:
Vienmatės, harmoningosios bangos. Fazė ir fazinis greitis. Kompleksinis bangų vaizdavimas. Plokščiosios, sferinės ir cilindrinės bangos. Trimatė diferencinė banginė lygtis. Skaliarinė ir vektorinė bangos. Elektromagnetinė banga, banginės lygtis. (paskaitos – 3 val., savarankiškas darbas – 5 val.)
Spinduliuotės energija, slėgis ir judesio kiekis. Vienodo dažnio bangų sudėtis, algebrinis metodas. Stovinčiosios bangos. Skirtingo dažnio bangų sudėtis, bangų mūša, fazinis ir grupinis greitis. Neharmoninių periodinių bangų Furjė analizė. Koherentiškumo trukmė ir ilgis. (paskaitos – 3 val., savarankiškas darbas – 5 val.)
Interferencijos principai, konstruktyvioji ir destruktyvioji interferencija, jos atsiradimo sąlygos. Bangos frontą dalinantys interferometrai. Amplitudę skaidantys interferometrai, dviejų pluoštų interferencija dielektrinėje plėvelėje, vienodo nuosvyrio ir vienodo storio juostos, Niutono žiedai. Veidrodiniai interferometrai. Daugelio pluoštų interferencija, kokybės koeficientas, Fabri ir Pero interferometras, chromatinė skiriamoji geba, laisvoji spektrinė sritis. (paskaitos – 4 val., savarankiškas darbas – 8 val.)
Difrakcija. Hiuigenso principas. Frenelio ir Fraunhoferio difrakcijos, pavienis ir daugelis plyšių, stačiakampė ir apskrita kiaurymės. Optinių sistemų skiriamoji geba, difrakcinė gardelė, kampinė dispersija, chromatinė skiriamoji geba, ribinė skyra, laisvoji spektrinė sritis. Šviesolaidžių optika, skaitinė apertūra, vienmodžiai ir daugiamodžiai šviesolaidžiai, tarpmodinė dispersija. (paskaitos – 6 val., savarankiškas darbas – 11 val.)
Šviesos poliarizacija, tiesinė, apskritiminė ir eliptinė poliarizacijos, natūralioji šviesa, poliarizatoriai. Dvejopas šviesos lūžimas, dvejopai laužiantys kristalai ir poliarizatoriai, Frenelio išraiškos, atspindžio poliarizacija. (paskaitos – 4 val., savarankiškas darbas – 8 val.)
Šviesos dispersija. Elektromagnetinis spektras. Šviesos sugertis. Vaivorykštės samprata. Spalvų (RGB, CMYK) samprata, spalvų atimtis ir sudėtis. Šviesos sklaida. Relėjaus, Mie sklaidos. (paskaitos – 3 val., savarankiškas darbas – 5 val.)
Lazeris, užpildos apgrąža, kaupinimo būdai, optinis rezonatorius, išilginės ir skersinės rezonatoriaus modos, lazerių rūšys. Holografija, šviesa praleidžiančios ir atspindinčios hologramos. (paskaitos – 4 val., savarankiškas darbas – 8 val.)
Šiluminio spinduliavimo sąvokos. Prevo taisyklė. Kirchhofo dėsnis. Stefano Bolcmano dėsnis. Eksperimentinės žinios apie juodų kūnų spinduliavimą. Optinės pirometrijos sąvoka. Vino dėsnis. Poslinkių dėsnis dažniams ir bangų ilgiams. Relėjaus ir Džinso formulė. Planko kvantinė hipotezė. Planko konstantos eksperimentinis nustatymas. (paskaitos – 3 val., savarankiškas darbas – 5 val.)
Fotoelektrinis efektas. Išorinis fotoefektas ir jo dėsniai. Einšteino fotoefekto lygtis. Vidinis fotoefektas. Fotocheminės reakcijos. Fotono sklaida, Komptono efektas. Fotono masė ir judesio kiekis. Eksperimentai, patvirtinantys kvantinę šviesos prigimtį. Elektronų sklaida kristalinėje gardelėje: Tomsono ir Devisono eksperimentai. Kitų dalelių ir atomų difrakcija. De Broilio bangos ir jų savybės. Porų susidarymas ir anihiliacija. Stacionariosios elektrono orbitos ir De Broilio bangos. De Broilio bangų tikimybinė prasmė. Dvilypė dalelių prigimtis. (paskaitos – 5 val., savarankiškas darbas – 9 val.)
Heizenbergo neapibrėžtumo sąryšiai. Šredingerio lygties sprendiniai. Fizikinių dydžių kvantiniai operatoriai. Laisva dalelė, potencinė siena. Vienmatė ir trimatė potencinės duobės: išsigimusios būsenos. Šredingerio lygties sprendiniai. Potencinis šulinys: įsiskverbimo gylis. Potencinis barjeras: tunelinis efektas ir jo pavyzdžiai. Šredingerio lygties sprendiniai. Apibendrinto potencialo laukas. Harmoninis osciliatorius: nulinė energija ir didelių verčių funkcija. (paskaitos – 4 val., savarankiškas darbas – 8 val.)
Elektroninis mikroskopas. Radioaktyvumo sąvoka. Atomo sandara. Rezerfordo modelis ir eksperimentai. Emisijos ir absorbcijos spektrai. Atomų spektrai. Vandenilio spektro dėsningumai. Klasikinis ir Boro atomo modelis. Boro postulatai ir energijos lygmenis. Vandeniliškieji atomai kvantinėje mechanikoje. Šredingerio lygties sprendiniai. (paskaitos – 3 val., savarankiškas darbas – 5 val.)
Kvantiniai skaičiai. Erdvinis kvantavimas ir elektrono sukinys. Paulio principas. Mendelejevo periodinė elementų sistema. Elektronų sluoksniai, pogrupiai ir posluoksniai, konfigūracija. Spektro linijų smulkioji sandara. Vektorinis atomo modelis. Šviesos emisija ir absorbcija. Kvantmechaninė Boro postulatų prasmė. (paskaitos – 3 val., savarankiškas darbas – 6 val.)
Rentgeno spinduliai, jų absorbcija ir sklaida. Zėmano ir Štarko efektai. Magnetinio rezonanso reiškinys. Cheminiai ryšiai. Van der Vaalso jėgos. Molekulės ir atomo spektro palyginimas. Molekuliniai spektrai. Dviatomių molekulių molekulinių spektrų dėsningumai. Kieto kūno energijos lygmenų sąryšis su atomo spektru. (paskaitos – 3 val., savarankiškas darbas – 5 val.)

Pratybų turinys:
1. Geometrinė optika. (5 val.)
2. Poliarizacija. (5 val.)
3. Fotometrija. (4 val.)
4. Interferencija. (5 val.)
5. Difrakcija. (4 val.)
6. Atomo fizika. (5 val.)
Kontroliniai darbai (4 val.)

Laboratoriniai darbai – 24 val. (6 atsitiktine tvarka parenkami darbai):
1. Optinių sistemų parametrai
2. Optinių sistemų ydos
3. Frenelio lęšio tyrimas
4. Mikroskopas
5. Prizmės parametrų nustatymas
6. Šviesos interferencijos tyrimas biprizme
7. Šviesos interferencijos tyrimas bilęšiu
8. Oro lūžio rodiklio matavimas Reilio interferometru
9. Skysčio lūžio rodiklio matavimas Abės refraktometru
10. Fabri ir Pero interferometras
11. Chromatinės poliarizacijos tyrimas
12. Erdvinis filtravimas ir optinių atvaizdų susidarymo tyrimas
13. Interferencinio filtro tyrimas
14. Plonų sluoksnių optinio storio matavimas
15. Šviesos difrakcijos tyrimas
16. Difrakcinė gardelė
17. Šviesos atspindžio tyrimas
18. Briusterio kampo nustatymas
19. Poliarizuotosios šviesos tyrimas
20. Poliarizacijos plokštumos sukimo tyrimas poliarimetru
21. Faradėjaus reiškinys
22. Tyrimai poliariskopu
23. Pokelso reiškinys
24. Kvantinių šviesos savybių tyrimas
25. Šiluminio spinduliavimo tyrimas pirometru

Darbų gynyba – 8 val.

Savarankiškas darbas pasirengti pratyboms, kontroliniams ir laboratoriniams darbams 88 val.

Pagrindinės literatūros sąrašas:
1. E.Hecht, Optics, Addison-Wesley, Reading 1990, p. 1-676.
2. V.Šalna, Optika, Vilnius, 2004, p.1-270.
3. B.Javorskis, A.Detlafas, Fizikos kursas 3, Vilnius, p. 1975, 1-582.
4. A.Matveev, Optics, Moscow, 1987, p. 1-447.

Papildomos literatūros sąrašas:
1. F.Pedrotti, L.Pedrotti, Introduction to optics, New Jersey, 1993, p. 1-602.
2. P.Brazdžiūnas, Bendroji fizika III, Vilnius, 1963, p. 1-359.

Mokymo metodai:
Paskaitos su demonstraciniais bandymais. Savarankiškos studijos. Paskaitų ir savarankiško darbo medžiaga įtvirtinama per pratybas ir laboratorinius darbus.
Studentai gali savarankiškai ruošti nesudėtingą optikos projektą.
Rašomi kontroliniai darbai.
Ginami laboratoriniai darbai.

Lankomumo reikalavimai:
Paskaitų lankomumas 70%
Pratybų lankomumas 70% (kontrolinių darbų rašymas 100%)
Laboratorinių lankomumas 100%

Atsiskaitymo reikalavimai:
Apginti visi laboratoriniai darbai, parašyti ir įvertinti visi kontroliniai darbai.
Baigiamasis egzaminas arba optikos projekto pristatymas. Egzaminavimo būdas – pasiruošimas raštu ir atsakymai į klausimus žodžiu.

Vertinimo būdas:
Baigiamojo egzamino arba optikos projekto vertinimas sudaro 50% galutinio pažymio.
Pratybų (kontrolinių darbų) vertinimas sudaro 25% galutinio pažymio.
Laboratorinių darbų įvertinimai sudaro 25% galutinio pažymio.