27. Жарық сәулелерінің затпен әсерлесуі. Заттардың оптикалық қасеттері
Жарық сәулелерінің затпен әсерлесу барысында жарықтың толқындық және кванттық қасиеттеріне байланысты көптеген құбылыстар байқалады. Жалпы жарықтың қасиетінде екі жүзділік байқалады: толқындық және корпускулалық (бөлшектік). Бұл қасиеттер жарық толқындарының жиілігіне байланысты. Мәселен, жарық сәулелерінің кванттық қасиеті родиотолқындарға салыстырғанда аса жоғары басымдылықпен байқалатын болса, ал рентген сәулелеріне салыстырғанда нашар байқалады.
Кванттық ұғым бойынша жарық үздікүздік энергия порциялары (энергия кванттары) түрінде шығарылады немесе жұтылады. Жарық энергиясының кванты фотон деп аталады. Әрбір кванттың энергиясы жарықтың тербеліс жиілігіне пропорционал:
,
мұндағы
-Планк
тұрақтысы. Демек, жарық дегеніміз
кванттық түсінік бойынша энергиясы
,
импульсі
,
массасы бар фотон деп аталатын элементар
бөлшектердің ағыны.
жарық толқынының вакуумдағы ұзындығы.
Фотон тыныштық күйде болмайды.
Жарықтың заттың сыртқы бетінен немесе оның ішкі қабаттарынан шағылуын, сонымен қатар заттың ішімен өту барыснда бағыты өзеріске ұшырауын, яғни сынуын жарықтың толқындық қасиеті толық түсіндіреді. Ал, затпен әсерлесу барысында жарық энергиясының энергияның басқа тұрлеріне айналуын жарықтың кванттық қасиеттері арқылы қарастырамыз.
27.2. Жарықтың қысымы
Жарық
фотондары массасы, импульсі бар бөлшектер
болғандықтан олар затпен соқтығысқан
кезде күш әсері болады, қысым түсіреді.
Егер дененің
бетінің
ауданына
уақыт ішінде жарық сәулесі түссе, онда
оған жарық ағыны тарапынан
,
күш әсер етеді де нәтижесінде
қысым түсіреді. Енді осы қысымды
есептейік. Ол үшін жарық ағынының
энергиясы
немесе
,
ал жарық ағынының қарқындылығы
(интенсивтілігі)
,
сонымен қатар жарық фотондарының
бөлігі
кері шағылып, ал қалған
бөлігі жұтылатынын ескерейік. Әрбір
жұтылған фотон денеге
импульс береді, демек денеге шағылып
кері серпілген барлық фотондардың
беретін імпульсі
,
ал жұтылған фотондардың беретін імпульсі
.
Барлық импульсті
ауданға бөлсек, онда
,
(27.1)
мұндағы
фотонның
саны,
жарықтың
шағылу коэффициенті,
жарық
энергиясының көлемдік тығыздығы. Абсолют
қара дене үшін :
,
.
Жарық толық шағылса, онда
,
.
27.3. Жарықтың шашырауы
Жарықтың, ішінде бөгде бөлшектері бар оптикалық біртекті емес ортамен таралу барысында бағытының өзгеруін шашырау деп атайды. Жалпы жарық ішінде бөгде бөлшектері жоқ ортада да аздап шашырайды.
Шашыраған жарықтың қарқындылығы температураға тәуелді, оның себебі температура өзгергенде ортаның атомдары мен молекулаларының жылулық қозғалысы өзгеруіне байланысыты тығыздығы да өзгереді.
Тәжірибе
нәтижесіне қарағанда шашыраған жарықтың
қарқындылығы оның төрт дәрежеленген
толқын ұзындығына кері пропорционал
болады.
Егер жарық кванттары зат молекулаларымен серпімді соқтығысса, онда шашыраған жарық квантының энергиясы мен тербеліс жиілігі өзгермейді. Мұндай шашырауды Релейше шашырау дейді. Ал, егер бұл соқтығыс серпімді болмаса, онда шашыраған жарық квантының энергиясы мен тербеліс жиілігі өзгереді. Ондай шашырауды комбинациялық шашырау дейді.
Егер
атом бастапқы энергиясы
фотонмен соқтығысқан кезде энергиясы
негізгі күйден энергиясы
қозған күйге көшсе, онда фотон энергиясының
бөлігін атомға береді, шашыраған жарық
квантының энергиясы дәл осындай шамаға
кемиді:
.
(27.2)
Шашыраған жарық квантының тербеліс жиілігі:
,
(27.3)
сонымен, шашыраған жарық жиілігі кемиді, толқын ұзындығы артады. Оны шашырау спектрінің қызыл серігі деп атайды.
Егер атом фотонмен соқтығысқан кезде энергиясы қозған күйден энергиясы негізгі күйге көшсе, онда фотон атомнан энергия алады, шашыраған жарық квантының энергиясы дәл осындай шамаға артады:
.
(27.4)
Шашыраған жарық квантының тербеліс жиілігі:
,
(27.5)
сонымен, шашыраған жарық жиілігі артады, толқын ұзындығы кемиді. Оны шашырау спектрінің күлгін серігі деп атайды.
Қалыпты жағдайда қозған күйдегі атомдардың саны өте аз болатындықтан спектрдегі күлгін серіктің қарқындылығы өте бәсең болады да көбінесе қызыл серіктер ғана көрінеді.