Qaytish (fizika)

Qaytish — to‘lqinlar yoki zarralarning sirt bilan o‘zaro ta’sirlashuvi natijasida yuz beradigan fizik jarayondir. Bunda turli xossalarga ega ikki muhit chegarasida to‘lqin frontining yo‘nalishi o‘zgarib, u kelgan muhitiga qaytadi. Muhitlar chegarasida to‘lqinlar qaytishi bilan bir vaqtda, odatda, ularning sinishi ham ro‘y beradi (faqat to‘liq ichki qaytish hollari bundan mustasno).

Bunda akustikada qaytish hodisasi aks-sadoga sabab bo‘ladi va gidrolokatsiyada qo‘llanadi. Geologiyada esa u seysmik to‘lqinlarni o‘rganishda muhim ahamiyatga ega. Qaytish hodisasi suv havzalaridagi sirt to‘lqinlarida ham kuzatiladi. Qaytish faqat ko‘rinadigan yorug‘likda emas, balki turli xil elektromagnit to‘lqinlarda ham ro‘y beradi: ultraqisqa radioto‘lqinlarning va undan yuqori chastotali radioto‘lqinlarning qaytishi radioeshittirish va radiolokatsiya uchun muhimdir. Hatto yuqori energiyali rentgen nurlanishi va gamma-nurlar ham sirtga kichik burchak ostida tushganda maxsus tayyorlangan ko‘zgular yordamida qaytarilishi mumkin. Tibbiyotda ultratovushning to‘qima va a’zolar chegaralaridan qaytishidan foydalanib, ultratovush tekshiruvi (UTT) o‘tkaziladi.

Tarixi

Qaytish qonuni birinchi marta «Katoptrika» asarining muallifi Yevklid tomonidan taxminan miloddan avvalgi 300-yilda qayd etilgan.

Qaytish qonunlari. Frenel formulalari

Yorug‘likning qaytish qonuni aks ettiruvchi sirt (ko‘zgu)ga kelib tushgan yorug‘lik nurining yo‘nalishi qanday o‘zgarishini belgilaydi: tushuvchi va qaytgan nurlar tushish nuqtasida sirtga o‘tkazilgan normal bilan bir tekislikda yotadi va bu normal ikki nur orasidagi burchakni teng ikkiga bo‘ladi. Keng tarqalgan «qaytish burchagi tushish burchagiga teng» degan ifoda unchalik aniq emas, chunki u qaytgan nurning yo‘nalishini to‘liq belgilamaydi. Buni quyidagicha tasvirlash mumkin:

Bu qonun aks ettiruvchi sirtga Fermat prinsipini qo‘llash natijasida kelib chiqadi va geometrik optikaning boshqa qonunlari singari to‘lqin optikasidan keltirib chiqariladi. Qonun nafaqat mukammal aks ettiruvchi sirtlar, balki yorug‘likni qisman qaytaruvchi ikki muhit chegarasi uchun ham amal qiladi; masalan, sindirish ko‘rsatkichi katta bo‘lgan shaffof modda sirtida. Bunday holda, xuddi yorug‘likning sinish qonuni singari, u qaytgan yorug‘likning intensivligini tavsiflamaydi.

Qonunning keltirib chiqarilishi

Faraz qilaylik, $\vec{k}$ chizma tekisligida yotsin. $x$ o‘qi gorizontal, $y$ o‘qi esa vertikal yo‘nalgan bo‘lsin. Simmetriya nuqtayi nazaridan $\vec{k}$ , $\vec{k^{'}}$ va $\vec{k^{″}}$ bir tekislikda yotishi kerak.

Qutblanmagan yorug‘likni qutblanish tekisliklari o‘zaro perpendikulyar bo‘lgan ikkita yassi qutblangan yorug‘lik oqimining yig‘indisi sifatida tasavvur qilish mumkin. Tushayotgan dastadan shunday yassi qutblangan tarkibiy qismni ajratamizki, unda $\vec{E}$ bilan tekislik orasidagi burchak ixtiyoriy bo‘lsin. Yorug‘lik tebranishining boshlang‘ich fazasini nol deb olsak, quyidagini hosil qilamiz:

E = E_{m} e^{i (ω t - \vec{k} \vec{r})} = E_{m} e^{ω t - k_{x} x - k_{y} y};

E^{'} = E'_{m} e^{i (ω^{'} t - \vec{k^{'}} \vec{r})} = E'_{m} e^{ω^{'} t - k'_{x} x - k'_{y} y + α^{'}};

E^{″} = E^{'}'_{m} e^{i (ω^{″} t - \vec{k^{″}} \vec{r})} = E^{'}'_{m} e^{ω^{″} t - k^{'}'_{x} x - k^{'}'_{y} y + α^{″}} .

Birinchi va ikkinchi muhitdagi natijaviy maydonlar mos ravishda quyidagicha bo‘ladi:

E_{1} = E + E^{'} = E_{m} e^{ω t - k_{x} x - k_{y} y} + E'_{m} e^{ω^{'} t - k'_{x} x - k'_{y} y + α^{'}};

E_{2} = E^{″} = E^{'}'_{m} e^{ω^{″} t - k^{'}'_{x} x - k^{'}'_{y} y + α^{″}} .

Ma’lumki, tangensial tarkibiy qismlari $E_{1}$ va $E_{2}$ muhitlar chegarasida o‘zaro teng bo‘lishi kerak, ya’ni $y = 0.$

Shunda:

E_{m} e^{ω t - k_{x} x - k_{y} y} + E'_{m} e^{ω^{'} t - k'_{x} x - k'_{y} y + α^{'}} = E^{'}'_{m} e^{ω^{″} t - k^{'}'_{x} x - k^{'}'_{y} y + α^{″}} .

Oxirgi tenglama barcha $t,$ qiymatlarida bajarilishi uchun $ω = ω^{'} = ω^{″},$ bo‘lishi, barcha $x,$ qiymatlarida bajarilishi uchun esa quyidagi shart bajarilishi zarur:

k_{x} = k'_{x} = k^{'}'_{x} \Leftrightarrow k \sin α = k^{'} \sin α^{'} = k^{″} \sin α^{″} \Leftrightarrow \frac{ω}{v_{1}} \sin α = \frac{ω}{v_{1}} \sin α^{'} = \frac{ω}{v_{2}} \sin α^{″},

bu yerda

v_{1}

va

v_{2}

— mos ravishda birinchi va ikkinchi muhitdagi to‘lqinlarning tezliklari.

Bundan kelib chiqadiki, $α = α^{'} ◼ .$

Fyodorov siljishi

Fyodorov siljishi — to‘liq ichki qaytish vaqtida doiraviy yoki elliptik qutblangan yorug‘lik nurining yon tomonga to‘lqin uzunligidan kichik masofaga siljishi hodisasidir. Bu siljish natijasida qaytgan nur geometrik optikadagi yorug‘likning qaytish qonunida ko‘rsatilganidek, tushuvchi nur bilan bitta tekislikda yotmaydi.

Bu hodisaning mavjudligi nazariy jihatdan F. I. Fyodorov tomonidan 1954-yilda bashorat qilingan, keyinchalik esa tajriba orqali aniqlangan.

Qaytish mexanizmi

Klassik elektrodinamikada yorug‘lik Maksvell tenglamalari bilan tavsiflanadigan elektromagnit to‘lqin sifatida qaraladi.

Elektromagnit to‘lqin (masalan, yorug‘lik) dielektrik sirtiga tushganda, alohida atom va molekulalardagi elektronlar kichik tebranishlar hosil qiladi. Natijada har bir zarra barcha yo‘nalishlarda ikkilamchi to‘lqinlar tarqatadi (xuddi antenna-dipol kabi). Bu to‘lqinlarning barchasi qo‘shiladi va Gyuygens–Frenel prinsipiga muvofiq, ko‘zgusimon qaytish hamda sinishni yuzaga keltiradi^{[aniqlashtirish kerak]}^{[manba 3599 kundan beri ko‘rsatilmagan]}.
Elektromagnit to‘lqin (yorug‘lik) o‘tkazgich sirtiga tushganda, elektronlarning tebranishi (elektr toki) yuzaga keladi. Ushbu tokning elektromagnit maydoni tashqi ta’sirni kompensatsiyalashga intiladi. Natijada ko‘rinadigan yorug‘lik chastotalarida va undan past chastotalarda elektromagnit to‘lqin deyarli to‘liq qaytadi.

Moddaning mikroskopik tuzilishidagi turli ossillyatorlarning rezonans chastotalariga qarab qaytish koeffitsiyenti yorug‘lik chastotasiga bog‘liq holda o‘zgaradi. Shu sababli deyarli barcha jismlar oq yorug‘lik bilan yoritilganda muayyan rangda ko‘rinadi. Biroq jismning idrok etiladigan rangi faqat qaytish spektriga emas, balki ko‘rishning fiziologik xususiyatlariga ham bog‘liq (qarang: Rangli ko‘rish).

Qaytish turlari

Yorug‘likning qaytishi ko‘zgusimon (ya’ni ko‘zgular yoki silliq sirtlardan kuzatiladigan qaytish) yoxud diffuz bo‘lishi mumkin. Diffuz qaytishda qaytish burchaklari turlicha bo‘ladi, shuning uchun tushuvchi nur va qaytgan nurlar bitta tekislikda yotmaydi.

Ko‘zgusimon qaytish

Ko‘zgusimon qaytish uchun quyidagi shartlar bajariladi:

1) qaytgan nur tushish tekisligida yotadi. Bu tekislik tushuvchi nur hamda tushish nuqtasida qaytaruvchi sirtga o‘tkazilgan normal orqali o‘tadi;

2) qaytish burchagi tushish burchagiga teng.

Qaytgan yorug‘likning intensivligi (qaytish koeffitsiyenti bilan tavsiflanadi) tushish burchagi va tushuvchi nurlar dastasining qutblanishiga (qarang: Yorug‘likning qutblanishi), shuningdek, sindirish ko‘rsatkichlari n₂ va n₁ bo‘lgan 2- va 1-muhitlarning nisbatiga bog‘liq. Bu bog‘liqlikni (qaytaruvchi muhit dielektrik bo‘lganda) miqdoriy jihatdan Frenel formulalari ifodalaydi. Ulardan, xususan, yorug‘lik muhitlar chegarasiga normal bo‘ylab tushganda qaytish koeffitsiyenti tushuvchi dastaning qutblanishiga bog‘liq emasligi va quyidagiga tengligi kelib chiqadi:

\frac{(n_{2} - n_{1})^{2}}{(n_{2} + n_{1})^{2}} .

Yorug‘lik havo yoki shishadan ularning chegarasiga tik tushadigan muhim xususiy holatda (havoning sindirish ko‘rsatkichi ≈1,0; shishaniki ≈1,5) bu koeffitsiyent 4 %.

To‘liq ichki qaytish

Bu hodisa elektromagnit yoki tovush to‘lqinlari uchun ikki muhit chegarasida, to‘lqin fazaviy tezligi kichikroq bo‘lgan muhitdan kelib tushganda kuzatiladi (yorug‘lik uchun bu sindirish ko‘rsatkichi yuqoriroq bo‘lgan muhit).

Tushish burchagi ortishi bilan sinish burchagi ham kattalashadi. Bunda qaytgan nurning intensivligi oshadi, singan nurning intensivligi esa kamayadi; ularning yig‘indisi tushuvchi nurning intensivligiga teng. Muayyan kritik $i = i_{k}$ qiymatda singan nurning intensivligi nolga tenglashadi va yorug‘likning to‘liq qaytishi kuzatiladi. Kritik tushish burchagini sinish qonunida sinish burchagini 90° ga teng deb olib topish mumkin:

\sin i_{k} = n_{2} / n_{1} .

Yorug‘likning diffuz qaytishi

Yorug‘lik g‘adir-budur sirtdan qaytganda, qaytgan nurlar turli yo‘nalishlarga tarqaladi (qarang: Lambert qonuni). Shu sababli ko‘zgudagidek tasvir hosil bo‘lmaydi. Notekisliklari to‘lqin uzunligidan katta bo‘lgan va tartibsiz joylashgan sirtlar yorug‘likni diffuz qaytaradi. Demak, ayni bir sirt ko‘rinadigan yoki ultrabinafsha nurlanish uchun xira va diffuz qaytaruvchi, ammo uzunroq to‘lqinlar uchun silliq hamda ko‘zgusimon qaytaruvchi bo‘lishi mumkin; bunga misol — infraqizil nurlanish.

ifazo.uz