Лекция 8 / Лекция 8

7. ВЗАЄМОДІЯ СВІТЛА З РОЧОВИНОЮ

7.1 Дисперсія світла

Дисперсією світла називаються явища, обумовлені залежністю показника заломлення світла в речовини від довжини хвилі.

Д ля прозорих безбарвних речовин показник заломлення світла зменшується із збільшенням довжини хвилі (рис. 1.48).

Дисперсія світла є причиною розкладання білого світла в спектр при проходженні через призму (рис. 1.49). Це явище було відкрито Ньютоном в 1672 р. Саме дисперсія світла є причиною хроматичних аберацій в оптичних системах.

Така дисперсія отримала назву – нормальна дисперсія. Якщо речовина поглинає промені з деякими довжинами хвиль, то графік (рис. 1.48) набуває більш складного характеру, а дисперсія називається – аномальна.

7.2 Поглинання світла

При проходженні світлової хвилі через речовину частина енергії світла переходить у внутрішню енергію, інтенсивність світла зменшується. Кажуть світло поглинається в речовині. Дослідження показали що, зменшення інтенсивності світла пропорційно самій інтенсивності та довжині шляху в речовині.

На прозору речовину, довжина якої (рис. 1.50), падає пучок променів інтенсивністю . На нескінченно маленької ділянці інтенсивність зменшується від до . Швидкість зменшення інтенсивності з довжиною шляху пропорційна інтенсивності

, , .

, ,

,

де  інтенсивність падаючого пучка променів,  інтенсивність пучка променів на виході з речовини,  коефіцієнт поглинання,  довжина шляху світла в речовині.

Отримана залежність називається законом Бугера.

Інтенсивність паралельного монохроматичного пучка світла в речовині зменшується за експоненціальним законом.

Графік залежності інтенсивності світла від довжини шляху в речовині наведено на рис. 1.51.

Фізичний зміст коефіцієнта поглинання.

, якщо , то .

Коефіцієнт поглинання – це величина, обернена товщині шару речовини, при проходженні якого інтенсивність світла зменшується в разів.

– основа натурального логарифма (). Для скла .

Коефіцієнт поглинання залежить від довжини хвилі. Для різних речовин він різний. Наприклад, одноатомні гази і пари металів (тобто речовини, в яких атоми розташовані на значних відстанях один від одного і їх можна вважати ізольованими) мають близький до нуля коефіцієнт поглинання, і лише для дуже вузьких спектральних областей спостерігаються різкі максимуми (так званий лінійчатий спектр поглинання). Ці лінії відповідають частотам власних коливань електронів в атомах. Це явище використовують в спектральному аналізі. Спектральний аналіз дозволяє отримати інформацію про хімічний склад Сонця, оскільки певний набір спектральних ліній виключно точно характеризує хімічний елемент. Так, за допомогою спостережень спектру Сонця був відкритий гелій.

Видима частина сонячного випромінювання при вивченні за допомогою спектроаналізуючих приладів виявляється неоднорідною – в спектрі спостерігаються лінії поглинання, вперше описані в 1814 році Фраунгофером. За допомогою спектрального аналізу дізналися, що зірки складаються з тих же самих елементів, які є і на Землі.

Явище поглинання широко використовується в абсорбційному спектральному аналізі сумішей газів, заснованому на вимірах спектрів частот і інтенсивності ліній поглинання. Структура спектрів поглинання визначається складом і будовою молекул, тому вивчення спектрів поглинання є одним з основних методів кількісного та якісного дослідження речовин.

Коефіцієнт поглинання для діелектриків невеликий , однак у них спостерігається селективне поглинання світла в певних інтервалах довжин хвиль, коли різко зростає і спостерігаються порівняно широкі смуги поглинання, тобто діелектрики мають суцільний спектр поглинання. Це пов’язано з тим, що в діелектриках немає вільних електронів і поглинання світла обумовлено явищем резонансу при вимушених коливаннях електронів в атомах і атомів у молекулах діелектрика.

Коефіцієнт поглинання для металів має великі значення (приблизно ), і тому метали практично непрозорі для світла. У металах через наявність вільних електронів, що рухаються під дією електричного поля світлової хвилі, виникають струми і це супроводжуються виділенням теплоти. Тому енергія світлової хвилі швидко зменшується, перетворюючись у внутрішню енергію. Чим вище провідність металу, тим сильніше в ньому поглинання світла.

7.3 Розсіювання світла

Світло, проходячи через речовину, викликає коливання електронів в атомах. Електрони випромінюють вторинні хвилі, які поширюються у всіх напрямках. Вторинні хвилі є когерентними і в однорідному середовищі гасять одна одну в усіх напрямках крім напряму первинної хвилі. В цьому випадку розсіювання не відбувається.

В неоднорідному середовищі вторинні хвилі не гасять одна одну в бічних напрямках. Відбувається дифракція світла на неоднорідностях, яка характеризується майже рівномірним розподілом інтенсивності в усіх напрямках. Така дифракція на дрібних неоднорідностях називається розсіювання світла.

Розсіювання світла – процес перетворення світла речовиною, що супроводжується зміною напрямку його поширення і проявляє себе як невласне свічення речовини.

Середовища з помітною оптичною неоднорідністю називають каламутними. До таких середовищ відносяться:

1. дим – завись твердих частинок в газі;

2. туман – завись в газі дрібних крапель рідини;

3. суспензія – завись твердих частинок в рідині;

4. емульсія – завись в одній рідині дрібних крапель іншої рідини;

5. перламутрові та молочні стекла.

Якщо розміри неоднорідностей менше ніж , то інтенсивність розсіяного світла . В атмосфері завдяки хаотичному тепловому руху молекул постійно відбуваються флуктуації густини на яких розсіюється світло. Виявляється, сині промені, що падають на Землю від Сонця, розсіюються приблизно в шість разів сильніше червоних, і тому небо виглядає блакитним, а сонце тим червоніше, чим воно ближче до горизонту (рис. 1.52). Вперше блакитний колір неба пояснив в 1871 році англійський математик і фізик Релей, і з тих пір розсіювання світла на окремих атомах або молекулах і взагалі на маленьких частинках – з розмірами, набагато меншими довжини світлової хвилі, називають релеївськє розсіювання.

7.4 Ефект Доплера

Ефект Доплера – зміна частоти і довжини хвиль, які реєструються приймачем, викликане рухом їх джерела і (або) рухом приймача.

Ефект був вперше описаний Крістіаном Доплером в 1842 році. Частота прийнятого сигналу або відносна зміна частоти описується формулами

, .

За допомогою ефекту Доплера визначають швидкість зірок, галактик та інших небесних тіл. Зміна довжин хвиль світлових коливань призводить до того, що всі спектральні лінії в спектрі джерела зміщуються в бік довгих хвиль, якщо швидкість його направлена ​​від спостерігача (червоне зміщення), і в сторону коротких, якщо напрям швидкості – до спостерігача (фіолетовий зсув). В охоронні сигналізації ефект викорстовують для виявлення рухомих об’єктів. На цьому ефекті працюють доплеровські радари – прилади, що вимірюють зміну частоти сигналу, відбитого від об’єкта. По зміні частоти обчислюється радіальна складова швидкості об’єкта. Доплерівські радари застосовуються в самих різних областях: для визначення швидкості літальних апаратів, кораблів, автомобілів, хмар, морських і річкових течій, течії рідини в трубі та інших об’єктів.

В медицині доплерівські радари дозволяють вимірювати швидкість течії крові.

29