колокв 2

7. Поляризация света. Способы получения поляризованного сета. Оптическая активность .

Свет имеет двойственную природу : с одной стороны электромагнитная волна, с другой поток частиц – фотонов. В эмв частицы не колеблются, а вектора напряженности электрического поля Е и индукции магнитного поля В направлению перпендикулярно друг другу и направлению распространения волны Х. ( волновые х-и длинна волны (от 400 нМ для фиолетового и до 760 нМ для красного), квантовые х-и энергия фотона и импульс)

Естественный свет представляет собой совокупность волн, излучаемых множеством атомов и молекул источника света. Колебания световых векторов происходят во всевозможных направлениях и поэтому плоскости их колебаний постоянно изменяют свое положение в пространстве.

Если же направления колебаний светового вектора упорядочены каким – либо образом, то свет называется поляризованным.

При некоторых условиях можно получит свет, в котором плоскость колебаний вектора Е занимает постоянное положение в пространст-

ве – плоскополяризованный свет.

Так как человеческий глаз не может отличить естественный свет от поляризованного, то его обнаруживают по ряду свойственных только ему явлений.

. Поляризованный свет получают из естественного с помощью поляризатора (призма Николя, поляроид). Он пропускает колебания, параллельные только главной оптической плоскости (плоскость поляризатора) и полностью задерживает перпендикулярные этой плоскости.

Для того чтобы понять поляризованный свет или нет ставят анализатор ( для анализа проходящего света)

Е1 пройдет параллельно, Е2 пройдет перпендикулярно и будет задержана анализатором.

плоскость поляризации падающего света и плоскостью анализатора. Если при повороте анализатора относительно падающего луча, как оси вращения интенсивность прошедшего света не изменяется – свет естественный, если меняется – свет поляризованный.

Если плоскости поляризатора и анализатора параллельны cos= + 1, то экран за ними светлый, если поляризатор и анализатор скрещены cos =0 , то экран темный.

При прохождении поляризованного света через некоторые вещества наблюдается вращение плоскости поляризации. Это кристаллические тела, чистые жидкости и растворы некоторых веществ (водные растворы сахара, винной кислоты)

α угол поворота плоскости поляризации, α0 удельное вращение, l- путь луча, c – концентрация. Из этой формулы находим концентрацию.

8. Рассеяние света. Виды оптических неоднородностей. Показатель рассеяния . Закон Рэлея.

Рассеяние света — рассеяние электромагнитных волн видимого диапазона при их взаимодействии с веществом. При этом происходит изменение пространственного распределения, частоты, поляризации оптического излучения, хотя часто под рассеянием понимается только преобразование углового распределения светового потока.

Пусть ω и — частоты падающего и рассеянного света. Тогда

Если — упругое рассеяние

Если — неупругое рассеяние

— стоксово рассеяние

— антистоксово рассеяние

Рассеиваемый свет даёт информацию о структуре и динамике материала.

Рэлея закон, гласит, что интенсивность I рассеиваемого средой света обратно пропорциональна 4-й степени длины волны l падающего света (I ~ l-4) в случае, когда среда состоит из частиц- диэлектриков, размеры которых много меньше. Закон этот справедлив, если рассеивающие частицы или флуктуационные неоднородности малы по сравнению с длиной волны.

Рассеяния показатель - среды в оптике, величина, обратная расстоянию, на котором Поток излучения в виде параллельного пучка лучей ослабляется за счёт рассеяния света в среде в 10 (десятичный р. п.) или е (натуральный р. п.) раз. В общем случае существенно зависит от длины волны λ (частоты ν) рассеиваемого оптического излучения. Его значение для предельного случая 9. Поглощение света.

Закон Бугера. Закон БугераЛамберта – Бэра. Натуральный и молярный показатель поглощения. Коэффициент пропускания. Оптическая плотность, прозрачность.

ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА - уменьшение интенсивности оптического излучения при прохождении через какую – либо среду за счёт взаимодействия с ней, в результате которого световая энергия переходит в другие виды энергии или в оптическое излучение другого спектрального состава. Основным законом поглощения света, связывающим интенсивность I пучка света, прошедшего слой поглощающей среды толщиной l с интенсивностью падающего пучкаI0,

является закон Бугера Не зависящий от интен-

сивности света коэф. называется показателем поглощения, при-

чём как правило, различен для разных длин волн.

Закон Бугера — Ламберта — Бера — физический закон, опреде-

ляющий ослабление параллельного монохроматического пучка света при распространении его в поглощающей среде.

Закон выражается следующей формулой:

,

где I0 — интенсивность входящего пучка, l — толщина слоя вещества, через которое проходит свет, kλ — коэффициент поглощения (не путать с безразмерным показателем поглощения κ, который связан с kλ формулой kλ = 4πκ / λ, где λ - длина волны).

Показатель поглощения характеризует свойства вещества и зависит от длины волны λ поглощаемого света. Эта зависимость называется спектром поглощения вещества.

Для растворов поглощающих веществ в непоглощающих растворителях показатель поглощения может быть записан как

путать с законом Бэра). Его смысл состоит в том, что способность молекулы поглощать свет не зависит от состояния других окружающих молекул. Однако наблюдаются многочисленные отклонения от этого закона, особенно в случае больших концентраций C.

Плотность оптическая — мера поглоще-

ния светапрозрачными объектами (например, фотоплёнками, фотосенсорами, светофильтрами и т. д.) или отражения света непрозрачными объектами (такими, как фотографией, зеркалом, картиной живописи)

Плотность оптическая вычисляется как десятичный логарифм отношения потока излучения падающего на объект, к потоку излучения прошедшего через него (отразившегося), т.е. принято выражать ввиде логарифма от величины, обратной к коэффициенту пропускания (отражения) в связи с большими числовыми значениями величин.

+К примеру D=4 означает, что свет был ослаблен в 104=10 000 раз, т.е. для человека это полностью чёрный объект, а D=0 означает, что свет прошёл (отразился) полностью.

0. Тепловое излучение. Абсолютное черное, серое тело. Характеристики и законы теплового излучения. Спектр излучения черного тела.

Тепловое излучение – изучение присущее всем телам, которое возникает при любых температурах выше 0 К и испускаемое всеми телами. В зависимости от температуры тела изменяются интенсивность излучения и спектральный состав , поэтому далеко не всегда тепловое излучение воспринимается глазом как свечение.

Характеристики:

Среднюю мощность излучения за время значительно большее периода световых колебаний, принимают за поток излучения Ф {Вт}. Поток излучения, испускаемый 1 м2 поверхности, называют энергетической светимостью Re [Вт/м2].

Нагретое тело излучает электромагнитные волны различной длинны. Энергетическая светимость, соответствующая интервалу от λ до λ+d λ, пропорциональна ширине интервала:

dR λ=r λd λ (1)

где rλ – спектральная плотность энергетической светимости тела, равная отношению энергетической светимости узкого участка спектра к ширине этого участка, Вт/м3.

Зависимость спектральной плотности энергетической светимости от длины волны называют спектром излучения тела.

Проинтегрировав (1) получаем, что

Способность тела поглощать энергию характеризуют коэффициентом поглощения, равным отношению потока излучения, поглощенным данным телом, к потоку излучения, упавшего на него

Так как коэффициент поглощения зависит от длинны волны, то записывают для потоков монохроматического излучения, и тогда это соотношение определяет монохроматический коэффициент по-

глощения:

Коэффициенты поглощения могут принимать значения от 0 до 1. Особенно хорошо поглощают излучение тела черного цвета, плохо поглощают тела с белой поверхностью и зеркала.

Закон Кирхгофа: при одинаковой температуре отношение спектральной плотности энергетической светимости к монохроматическому коэффициенту поглощения одинаково для любых тел, в том числе и для черных:

Так как α λ < 1, то спектральная плотность энергетической зависимости любого тела меньше спектральной плотности энергетической светимости черного тела при той же температуре. Черное тело при прочих равных условиях является наиболее интенсивным источником теплового излучения. Пользуясь законом Кирхгофа можно найти спектр излучения тела:

Тело, коэффициент поглощения для которого равен 1 для всех частот, называют черным. Оно поглощает все падающее н него излучение (черных тел в природе нет – это физическая абстракция, моделью черного тела является маленькое отверстие в замкнутой непрозрачной полости, а луч, попавший в эту полость и многократной отразившийся от нее, будет поглощен).

Излучение черного тела имеет сплошной спектр. Графики спектров для разных температур:

Существует максимум спектральной плотности энергетической светимости, который с повышением температуры смещается в сторону коротких волн.

Энергетическая светимость черного тела:

Тело, коэффициент поглощения которого меньше 1 и не зависит от длины волны света, падающего на него, называют серым. Серых тел в природе нет, но некоторые тела в определенном интервале длин волн излучают и поглощают как серые, например тело человека считают серым - коэффициент поглощения приблизительно равен 0,9 для инфракрасной области спектра.

Энергетическая светимость серого тела :

Закон Стефана – Больцмана: энергетическая светимость черного тела пропорциональна четвертой степени его термодинамической

температуры. Величину σ называют постоянной Стефана –

Больцмана

Закон смещения Вина: при комнатной температуре тепловое излучение тел в основном приходится на инфракрасную область и человеческим глазом не воспринимается. Если температура повышается, то тела начинают светится темно-красным светом, а при очень высокой температуре – белым с голубоватым оттенком, возрастает ощущение нагретости тела ( b= 0,28978*10-2 м*К постоянная Вина) Этот закон выполняется и для серых тел.

+Эти законы позволяют, измеряя излучение тел, определять их температуры ( оптическая пирометрия).

Излучение Солнца. Спектр излучения, солнечная постоянная. Актинометр.

Наиболее мощным источником теплового излучения, обуславливающим жизнь на Земле, является Солнце.

Спектр Солнца непрерывный, в нем наблюдается множество темных фраунгоферовых линий. Фраунгофер был первым, кто описал темные линии на фоне непрерывного спектра в 1814 году. Эти линии в спектре Солнца образуются в результате поглощения квантов света в более холодных слоях солнечной атмосферы.

Наибольшую интенсивность непрерывный спектр имеет в области длин волн 430–500 нм. В видимой и инфракрасной областях спектр электромагнитного излучения Солнца близок к спектру излучения- абсолютно черного тела с температурой 6000 К. Эта температура соответствует температуре видимой поверхности Солнца – фотосферы. В видимой области спектра Солнца наиболее интенсивны линии Н и К ионизованного кальция, линии бальмеровской серии водорода Нα, Нβ и Нγ.

Около 9 % энергии в солнечном спектре приходится на ультрафиолетовое излучение с длинами волн от 100 до 400 нм. Остальная энергия разделена приблизительно поровну между видимой (400– 760 нм) и инфракрасной (760–5000 нм) областями спектра.

Солнца. Солнечная корона излучает радиоволны как абсолютно черное тело с температурой T = 106 К. Переменная составляющая радиоизлучения Солнца проявляется в виде всплесков, шумовых бурь. Шумовые бури длятся от нескольких часов до нескольких дней. Через 10 минут после сильной солнечной вспышки радиоизлучение Солнца возрастает в тысячи и даже миллионы раз по сравнению с радиоизлучением спокойного Солнца; это состояние длится от нескольких минут до нескольких часов. Это радиоизлучение имеет нетепловую природу.

Плотность потока излучения Солнца в рентгеновской области (0,1– 10 нм) весьма мала (~5∙10–4 Вт/м2 и сильно меняется с изменением уровня солнечной активности. В ультрафиолетовой области на длинах волн от 200 до 400 нм спектр Солнца также описывается законами излучения абсолютно черного тела.

В ультрафиолетовой области спектра с длинами волн короче 200 нм интенсивность непрерывного спектра резко падает и появляются эмиссионные линии. Наиболее интенсивна из них водородная линия лаймановской серии (λ = 121,5 нм). При ширине этой линии около 0,1 нм ей соответствует плотность потока излучения около 5∙10– 3 Вт/м2. Интенсивность излучения в линии приблизительно в 100 раз меньше. Заметны также яркие эмиссионные линии различных атомов, важнейшие линии принадлежат Si I (λ = 181 нм), Mg II и Mg I, O II, O III, C III и другие.

Коротковолновое ультрафиолетовое излучение Солнца возникает вблизи фотосферы. Рентгеновское излучение исходит из хромосферы (T ~ 104 К), расположенной над фотосферой, и короны (T ~ 106 К)

– внешней оболочки Солнца. Радиоизлучение на метровых волнах возникает в короне, на сантиметровых – в хромосфере.

Поток солнечной радиации, приходящийся на 1 м2 площади земной границы атмосферы, составляет 1350 Вт. Эту величину называ-

ют солнечной постоянной.

+Интенсивность прямой солнечной радиации измеряют актинометром. Принцип действия его основан на использовании нагревания зачерченных поверхностей тел, происходящего от солнечной радиации. В термоэлектрическом актинометре Савинова

– Янишевского приемной часть радиации является тонкий, зачерченный с наружной стороны диск 1. К диску с электрической изоляцией припаяны спаи термоэлементов 2, другие спаи 3 прикреплены к медному кольцу внутри корпуса и затенены. Под действием солнечной радиации возникает электрический ток в термобатарее, сила которого прямо пропорциональна потоку радиации.