Uchebnoe_posobie_Optika

УДК 53 (071)

Научные консультанты:

д.б.н., профессор Кириллов С.К. (зав. кафедрой медицинской и биологической физики СГМА)

д.п.н., профессор Волкова С.А. (ведущий научный сотрудник ГНУ ИСМО РАО)

Рецензенты:

кандидат физико-математических наук, доцент Цыганок В.И. (доцент кафедры экологии и природопользования Смоленского гуманитарного университета)

кандидат химических наук, доцент Дьяков М.Ю. (доцент кафедры общей и медицинской химии Смоленской государственной медицинской академии)

Авторы:

к.п.н., доцент кафедры медицинской и биологической физики СГМА Светлана Николаевна Деревцова старший преподаватель кафедры медицинской и биологической физики СГМА Ирина Николаевна Соловьёва

Материал, изложенный в пособии, соответствует программе курса “Физика” для студентов фармацевтических вузов (факультетов), составленной в соответствии с государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования.

В учебном пособии рассматриваются закономерности излучения, поглощения и распространения света, теория атома и элементы физики атомного ядра, элементарных частиц, атомная оптическая и рентгеновская спектроскопия. Особое внимание уделено связи физики с химией, фармацевтическими и медицинскими науками.

Физика в фармацевтических вузах и на фармацевтических факультетах являются предметом, необходимым для изучения химических и профильных дисциплин, которые преподаются параллельно с данным предметом или на последующих курсах. Физика является основой для изучения физической и коллоидной химии, органической, аналитической, фармацевтической, биофизической химии, а также анатомии и физиологии.

Фундаментальность, значимость и интегрирующая роль курса физики и биофизики способствует формированию профессиональных знаний и умений студентов фармацевтического факультета.

Пособие рекомендуется студентам очного и заочного отделений фармацевтического факультета в качестве учебного пособия для самостоятельной подготовки к учебной аттестации по дисциплине “Физика”.

Физика: Оптика. Квантовая природа излучения. Элементы физики атомов, атомного ядра и элементарных частиц/ Учебное пособие для студентов очного и заочного отделений фармацевтического факультета / С.Н. Деревцова, И.Н. Соловьёва – Смоленск, 2012, 120 с.

2

I. Оптика

Оптика (греч. optos – видимый) – раздел физики, в котором изучаются процессы распространения света и взаимодействие света с веществом.

Для распространения света не нужно никакой материальной среды. Это впервые установил Э. Торричелли. Он заметил, что предметы хорошо видны через верхнюю часть его барометра, в которой возникает вакуум.

Для понимания природы света много сделали X. Гюйгенс, разработавший волновую теорию света, и Ньютон, считавший, что свет – это поток маленьких частиц – корпускул.

То, что свет представляет собой электромагнитные волны очень малой длины ~ 0,5 мкм (1 микрометр = 10 -6м), было впервые предположено Максвеллом в 1865 г. Максвелл исходил из равенства скоростей распространения электромагнитных волн и света. Это предположение получило подтверждение в опытах Герца, который получил электромагнитные волны и Лебедева, который наблюдал дифракцию и интерференцию электромагнитных волн.

Планк в 1900 г. установил, что свет испускается и поглощается дискретно, отдельными порциями – квантами или фотонами. Таким образом, свет имеет двойственные корпускулярно-волновые свойства. Характеристиками световых волн являются: частота колебания векторов напряженности электриче-

ского E и индукции магнитного B полей, длина волны λ и т.д. Вектор E называется световым вектором. Длину волны можно вычислить по формулам:

ски равная скорости света в воздухе, – частота, Т – период колебаний светового вектора.

Исследования видимого света относятся не только к области физики, но и к физиологии. В этом отношении оптика подобна акустике.

1. Шкала электромагнитных волн. Характеристики световых волн.

Электромагнитные волны классифицируются подлине волныλ:

Единицы измерения: 1мкм = 10-6м – 1 микрометр, 1нм=10-6м– 1нанометр.

На рисунке диапазоны γ–лучей и рентгеновских лучей (открыл Рентген) перекрываются, т.к. в данном случае классификация идет не по длине волны, а по принципу получения лучей. Рентгеновские лучи возникают при переходах электроновнаорбитах атома, а γ–лучи излучаются из ядра при ядерных реакциях.

3

Видимый свет дает человеку 90% всей информации об окружающей среде. В зависимости от длины волны видимый свет вызывает в глазе качественно различныеощущения– цвет.

Монохроматическим называют излучение какой-либо одной длины волны. По ощущению это определенный цвет спектра: красный, оранжевый, желтый, зе-

леный,голубой,синий,фиолетовый.

Белый свет содержит все волны видимого диапазона в определенном соотношениипоинтенсивности– это соотношениеопределяетсяСолнцем.

Луч – это линия, вдоль которой распространяется поток энергии волны; воображаемая линия, указывающая направление распространения световой волны.

Фронт световой волны – совокупность близлежащих точек, имеющих одинаковую фазуколебаний; поверхность, до которой световая волна распростра-

явления с точки зрения волновой природы света и геометрическую оптику, рассматривающую методы построенияизображенийвоптическихсистемах.

2. Элементы геометрической оптики

Раздел оптики, изучающий законы распространения световых волн в предельном случае нулевой длины волны = 0, называется геометрической опти-

кой.

В геометрической оптике пренебрегают явлениями, зависящими от длины волны, такими как интерференция, дифракция и т.д.

При переходе из одной среды в другую или из вакуума в вещественную среду световой поток: 1). Отражается от поверхности раздела сред; 2). Преломляясь, проходит внутрь второй среды.

Еще до установления природы света были известны следующие основ-

ные законы оптики: закон прямолинейного распространения света в оптически однородной среде; закон независимости световых пучков (справедлив только в линейной оптике); закон отражения света; закон преломления света.

Геометрическая оптика, оставаясь приближённым методом построения изображения в оптических системах, позволяет разобрать основные явления, связанные с прохождением через них света, и является основой теории оптических приборов.

4

2.1. Основные законы оптики и их использование

Закон прямолинейного распространения света: свет в оптически од-

нородной среде распространяется прямолинейно.

Доказательством этого закона является наличие тени с резкими границами от непрозрачных предметов при освещении их точечными источниками света (источники, размеры которых значительно меньше освещаемого предмета и расстоянии до него). Однако эксперименты показали, что этот закон нарушается, если свет проходит сквозь очень малые отверстия, причем отклонение от прямолинейности распространения тем больше, чем меньше отверстия.

Закон независимости световых пучков: эффект, производимый от-

дельным пучком, не зависит от того, действуют ли одновременно остальные пучки или они устранены. Разбивая световой поток на отдельные световые пучки (например, с помощью диафрагм), можно показать, что действие выделенных световых пучков независимо.

Если свет падает на границу раздела двух сред (двух прозрачных веществ), то падающий луч разделяется на два – отраженный и преломленный, направления которых задаются законами отражения и преломления.

Отражениесвета

Рассмотрим отражение света от гладких полированных поверхностей –

зеркальноеотражение.

Зеркальное отражение света наблюдается, если размер шероховатостей отражающей поверхности мал по сравнению с длиной волны падающего света. Если размер шероховатостей соизмерим или больше длины волны света, то отражение будет диффузным, а поверхность называется матовой. Например, отражение света от белого листа бумаги.

Законы отражения света:

1. Лучи падающий, отраженный и перпендикуляр в точку падения лежат в одной плоскости. 2. Уголпаденияравен углуотражения.

Угол падения – это угол между падающим лучом и перпендикуляром в точку падения луча, угол отражения – угол между отражённым лучом и перпендикуляром в точку падения луча.

Преломления света

При переходе света из одной среды в другую изменяется длина волны и скорость света, но частота остаётся постоянной, ν = const. Явление изменения направления световых лучей при переходе из одной среды в другую называется пре-

ломлением или рефракцией света. Абсолютным показателем преломления на-

зывается отношениескорости светаввакууме к скорости света в среде: n c . Аб-

солютныйпоказательпреломлениядля воздухаn~1.

5

Физический смысл абсолютного показателя преломления: абсолютный по-

казатель преломления показывает во сколько раз скорость света в среде меньше скоростисветаввакууме.

Относительный показатель преломления второй сре-

ды относительно первой равен отношению абсолютных показателейпреломлениясред:

Физический смысл относительного показателя преломле-

ния: относительный показатель преломления второй среды относительно первой равен отношению скорости света в первой среде к скоростисветавовторойсреде.

Законы преломления света:

1. Лучи падающий, преломленный и перпендикуляр в точку падения лежат в одной плоскости. 2. Отношение синуса угла падения света к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред, равная относительному показателю преломления второй среды относительно первой.

sin

n2,1 sin

Угол преломления – это угол между преломленным лучом и перпендикуляром в точку падения луча. Среда, у которой абсолютный показатель преломления больше, называется оптически более плотной, а среда с меньшим абсолютным показателем преломления – оптически менее плотной.

Явлениеобразованияпредельногоуглапреломления

Рассмотрим падение света из среды оптически менее плотной на среду оптически более плотную(n2>n1),например,извоздуханастекло.

Если свет падает из среды оптически менееплотнойнасредуоптическиболее плотную, то угол падения больше угла преломления >β. Если угол падения достигает 90°, то закон преломления имеет вид:

дельный угол преломления – максимальный угол, который для данных двух сред можетиметьуголпреломленияприпадениисвета изсредыоптическименееплотнойна средуоптически более плотную.Предельныйуголпреломленияможнонайтипоформуле:

sin пред n1 .

n2

6

Явлениеполноговнутреннегоотражения

Рассмотрим падение света из среды оптически более плотной на среду оптически менее плотную, например, из стекла в воздух. Если свет падает из среды оптически более плотной на среду оптически менее плотную, то угол па-

дения меньше угла преломления <β.

Если угол преломления β достигает 90°, то угол падения становится равным пред. Этот уголможнонайтипоформуле:

угол отражения.

Если свет падает под углом больше пред, то он полностью отражается от границы раздела сред и не выходит в оптически ме-

нее плотную среду – явление полного внутреннего отражения. Для двух данных сред пред = βηρед. Чтобы найти синус предельного угла преломления или отражения для двух данных сред нужно меньший абсолютный показатель преломления разделить на больший.

Дляграницы разделасред вода– воздух пред = 48°35’,стекло – воздух пред = 41°50’, алмаз – воздух пред = 24°40’. Малый предельный угол отражения алмаза объясняет его особые оптические свойства. Свет, пройдя в алмаз, многократно отражается от его

граней, прежде чем выйдет из него.

Явление полного внутреннего отражения используется, например, для поворота лучей на 90°. Свет не выходит за пределы наклонной грани призмы, так как угол падения = 45° больше предельного.

Явление полного внутреннего отражения используется в гибких светопроводах, состоящих из множества отдельных световолокон, которые применяются в приборах с волоконной оптикой. Например, в фиброгастроскопах (fibre – волокно). В светопроводе гибкое прозрачное световолокно окружено прозрачным веществом с меньшим показателем преломления. При

n1 n2 свет будет передаваться по гибкому светопроводу практически без потерь, претерпевая полное внутренне отражение.

С помощью фиброгастроскопа изображение внутренних поверхностей желудочнокишечного тракта или других полостей передается по светопроводу врачу-наблюдателю. Кроме того, осуществляется освещение внутрен-

них поверхностей от источника расположенного снаружи, что предотвращает перегрев слизистых оболочек.

7

Особую ценность представляет информационный светопровод, т.к. в нем используется правильная укладка отдельных световолокон. Для получения изображения необходимо, чтобы расположение отдельных световолокон на входе и на выходе светопровода было одинаковым.

РефрактометрАббе

Прибор для определения концентрации вещества в растворе на основе измерения его показателя преломления называется рефрактометр.

Принципиальная оптическая схема рефрактометра Аббе показана на рисунке. В рефрактометре используется зависимость между показателем преломления исследуемого вещества n1 и предельным углом преломления βпред.

Луч света от источника 1, пройдя через

осветительную призму 2, рассеивается на ее нижней матовой поверхности. Исследуемый раствор с показателем преломления п1 помещается очень тонким слоем между гранями осветительной призмы 2 и измерительной призмы 3 с

показателем преломления n2. На рисунке слой раствора показан утолщённым. Так как слой раствора очень тонкий, имеются лучи, распространяющиеся практиче-

ски вдоль грани измерительной призмы, т.е. под углом падения 90° к этой грани. Преломляясь на зеркальной поверхности измерительной призы, эти лучи образуют предельный угол преломления βпред. Далее, по выходу из призмы, лучифокусируются линзой 4 на измерительном поле 5. Часть измерительного поля освещена, а остальная часть затемнена. Затемнение части измерительного поля связано с тем, что отсутствуют лучи, имеющие после преломления угол больше предельного βпред. На освещенную часть поля попадают лучи, имеющие угол преломления меньше(илиравный)предельного.Нарисункепоказанпример такоголуча.

Положение границы раздела освещенной и затемненной частей поля зависит от величины предельного угла преломления. Значение этого угла можно вычислить поформуле:

sin пред n1

n2

Так как показатель преломления вещества измерительной призмы n2 величина постоянная,тоизмеривпредельныйуголпреломленияβпред,можнонайтипоказательпреломленияисследуемогораствораn1,аследовательно,иегоконцентрацию.

Обычно, на измерительном поле нанесена шкала в единицах показателя преломленияисследуемоговещества.

Рефрактометр широко применяется в фармакопейных целях для установления подлинности жидких лекарственных веществ. Он используется в санитарной гигиенедля выяснения концентрации жидкихбесцветныхвеществвводе.

8

Тонкие линзы. Изображения предметов с помощью линз.

Линза – одно из древнейших устройств, используемых человеком. Первые письменные упоминанияоб очковыхлинзахпоявилисьвмедицинскойлитературев XIII веке. Но множество линзоподобных прозрачных тел из горного хрусталя и стеклабылообнаруженоприраскопкахвМесопотамии,вЕгипте,в Троеи т.д.

Линзы представляют собой прозрачные тела, ограниченные двумя поверхностями (одна из них обычно сферическая, иногда цилиндрическая, а вторая – сферическая или плоская), преломляющими световые лучи, способные формировать оптические изображения предметов.

Материалом для линз служат стекло, кварц, кристаллы, пластмассы и т. п. По внешней форме линзы делятся на: 1) двояковыпуклые; 2) плосковыпуклые; 3) двояковогнутые; 4) плосковогнутые; 5) выпукло-вогнутые; 6) вогнутовыпуклые. По оптическим свойствам линзы

делятся на собирающие и рассеивающие.

Линза называется тонкой, если ее толщина (расстояние между ограничивающими поверхностями) значительно меньше по сравнению с радиусами поверхностей, ограничи-

вающих линзу. Прямая, проходящая через центры кривизны поверхностей линзы, называется главной оптической осью.

Для всякой линзы существует точка, называемая оптическим центром линзы, лежащая на главной оптической оси и обладающая тем свойством, что лучи проходят сквозь нее не преломляясь. Оптический центр О линзы для простоты будем считать совпадающим с геометрическим центром средней части линзы (это справедливо только для двояковыпуклой и двояковогнутой линз с одинаковыми радиусами кривизны обеих поверхностей; для плосковыпуклых и плосковогнутых линз оптический центр О лежит на пересечении главной оптической оси со сферической поверхностью).

Собирающие линзы

Принцип построения собирающих линз с помощью пересекающихся сфер и плоскостейпоказаннарисунке.

Собирающей называется линза, отклоняющая падающие на нее лучи к главной оптической оси. Существует три вида собирающих линз: 1 – двояковы-

пуклая линза, 2 – плосковыпуклая линза, 3 – вогнуто-выпуклая линза. Последнее слово в названии собирающей линзы – выпуклая.

Прямая O'О, проходящая через центры кривизны поверхностей, образующих линзу,

называетсяглавнойоптическойосьюлинзы.

9

Рассеивающиелинзы

Принцип построения рассеивающих линз с помощью непересекающихся сфер и плоскостей показан на рисунке.

Рассеивающей называется линза, отклоняющая падающие на нее лучи от главной оптической оси.

Существует три вида рассеивающих линз: 4 – двояковогнутая линза, 5 – плосковогнутая линза, 6 – выпукло-вогнутая линза.

Последнее слово в названии рассеивающей линзы – вогнутая.

Линзы 3 и 6 называются менисковыми и применяются в очках. Лучи, падающие на линзу параллельно главной оптической оси, называют аксиальными. Параксиаль-

ным называется узкий пучок лучей, падающий на линзу под небольшим углом к ее главной оптической оси.

Геометрические характеристики линзы

Рассмотрим геометрические характеристики линзы на примере собирающей линзы.

На рисунке гпл – главная плоскость линзы, гоо – главная оптическая ось линзы, оцл – оптический центр линзы – это точка пересечения

гоо и гпл, поо – побочная оптическая ось линзы – это любая линия, проходящая через оцл.

Точка F2, в которой сходятся лучи света, идущие на линзу параллельно главной оптической оси, называется

главным фокусом линзы.

У линзы два главных фокуса: передний F1 (со стороны источника света) и задний F2. При построении хода лучей через линзу используют также

двойной фокус 2F. Фп – фокальная плоскость – плоскость, проходящая через фокус и перпендикулярная гоо,

пф – побочный фокус – точка пере-

сечения поо и фп.

Рассмотрим построение изображения с помощью двух лучей в собирающей линзе, где Пр – предмет, Из – изображение, d – расстоя-

ние от линзы до предмета, f – расстояние от линзы до изображения.

10