1,2. Геометрическая оптика. Явление полного внутреннего отражения света. Предельный угол полного отражения. Ход лучей. Волоконная оптика

Геометрическая оптика – раздел физики, в котором законы распространения света рассматриваются на основе представления о световых лучах (нормальных к волновым поверхностям линий, вдоль которых распространяется поток световой энергии).

Полное отражение света

Полное отражение света - явление, при котором луч, падающий на границу раздела двух сред, полностью отражается, не проникая во вторую среду.

Полное отражение света происходит при углах падения света на границу раздела сред, превышающих предельный угол полного отражения при распространении света из оптически более плотной среды в среду менее оптически плотную.

Явление полного отражения света в нашей жизни.

Это явление используется в оптоволоконной оптике. Свет, под определенным углом попадая в оптически прозрачную трубку, и многократно отражаясь от ее стенок изнутри выходит через другой ее конец (рис.5). Так передаются сигналы.

При прохождении света из оптически менее плотной среды в более плотную, например из воздуха в стекло или воду, ₁>₂; и согласно закону преломления (1.4) показатель преломления n>1, поэтому > (рис. 10, a): преломленный луч приближается к перпендикуляру к границе раздела сред.

Если направить луч света в обратном направлении – из оптически более плотной среды в оптически менее плотную вдоль бывшего преломленного луча (рис. 10, б), то закон преломления запишется так:

(1.8)

Преломленный луч по выходе из оптически более плотной среды пойдет по линии бывшего падающего луча, поэтому < , т. е. преломленный луч отклоняется от перпендикуляра. По мере увеличения угла  угол преломления  растет, оставаясь всё время больше угла . Наконец, при некотором угле падения значение угла преломления приблизится к 90 и преломленный луч пойдет почти по границе раздела сред (рис. 11). Наибольшему возможному углу преломления =90 соответствует угол паления ₀.

Рис. 11

Попробуем сообразить, что произойдет при >₀. При падении света на границу двух сред световой луч, как об этом уже упоминалось, частично преломляется, а частично отражается от нее. При >₀преломление света невозможно. Значит, луч должен полностью отразиться. Это явление и называется полным отражением света.

Для наблюдения полного отражения можно использовать стеклянный полуцилиндр с матовой задней поверхностью. Полуцилиндр закрепляют на диске так, чтобы середина плоской поверхности полуцилиндра совпадала с центром диска (рис. 12). Узкий пучок света от осветителя направляют снизу на боковую поверхность полуцилиндра перпендикулярно его поверхности. На этой поверхности луч не преломляется. На плоской поверхности луч частично преломляется и частично отражается. Отражение происходит в соответствии с законом отражения, a преломление – в соответствии с законом преломления (1.4).

Рис. 12

Если увеличивать угол падения, то можно заметить, что яркость (и следовательно, энергия) отраженного пучка растет, в то время как яркость (энергия) преломленного пучка падает. Особенно быстро убывает энергия преломленного пучка, когда угол преломления приближается к 90. Наконец, когда угол падения становится таким, что преломленный пучок идет вдоль границы раздела (см.рис. 11), доля отраженной энергии составляет почти 100%. Повернем осветитель, сделав угол падения большим ₀. Мы увидим, что преломленный пучок исчез и весь свет отражается от границы раздела, т. е. происходит полное отражение света.

На рисунке 13 изображен пучок лучей от источника, помещенного в воде недалеко от ее поверхности. Большая интенсивность света показана большей толщиной линии, изображающей соответствующий луч.

Рис. 13

Угол падения₀, соответствующий углу преломления 90, называют предельным углом полного отражения. При sin=1 формула (1.8) принимает вид

(1.9)

Из этого равенства и может быть найдено значение предельного угла полного отражения ₀. Для воды (n=1,33) он оказывается равным 4835', для стекла (n=1,5) он принимает значение 4151', а для алмаза (n=2,42) этот угол составляет 2440'. Во всех случаях второй средой является воздух.

Явление полного отражения легко наблюдать на простом опыте. Нальем в стакан водуи поднимем его несколько выше уровня глаз. Поверхность воды при рассматривании ее снизу сквозь стенку кажется блестящей, словно посеребренной вследствие полного отражения света.

Полное отражение используют в так называемой волоконной оптике для передачи света и изображения по пучкам прозрачных гибких волокон – световодов. Световод представляет собой стеклянное волокно цилиндрической формы, покрытое оболочкой из прозрачного материала с меньшим, чем у волокна, показателем преломления. За счет многократного полного отражения свет может быть направлен по любому (прямому или изогнутому) пути (рис. 14).

Рис. 14

Волокна набираются в жгуты. При этом по каждому из волокон передается какой-нибудь элемент изображения (рис. 15). Жгуты из волокон используются, например, в медицине для исследования внутренних органов.

Рис. 15

По мере улучшения технологии изготовления длинных пучков волокон – световодов все шире начинает применяться связь (в том числе и телевизионная) с помощью световых лучей.

Полное отражение света показывает, какие богатые возможности для объяснения явлений распространения света заключены в законе преломления. Вначале полное отражение представляло собой лишь любопытное явление. Сейчас оно постепенно приводит к революции в способах передачи информации.

Волоконная оптика

раздел оптики, в к-ром рассматривается передача света и изображения по световодам и волноводам оптич. диапазона, в частности по многожильным световодам и пучкам гибких волокон. В. о. возникла в 50-х гг. 20 в.

В волоконно-оптич. деталях световые сигналы передаются с одной поверхности (торца световода) на другую (выходную) как совокупность

Поэлементная передача изображения волоконной деталью: 1 — изображение, поданное на входной торец; 2 — светопроводящая жила; 3 — изолирующая прослойка; 4 — мозаичное изображение, переданное на выходной торец.

элементов изображения, каждый из к-рых передаётся по своей световедущей жиле (рис.). В волоконных деталях обычно применяют стеклянное волокно, световедущая жила к-рого (сердцевина) окружена стеклом-оболочкой из др. стекла с меньшим показателем преломления. Вследствие этого на поверхности раздела сердцевины и оболочки лучи, падающие под соответствующими углами, претерпевают полное внутр. отражение и распространяются по световедущей жиле. Несмотря на множество таких отражений, потери в световодах обусловлены гл. обр. поглощением света в массе стекла жилы. При изготовлении световодов из особо чистых материалов удаётся снизить ослабление светового сигнала до неск. десятков и даже единиц дБ/км. Диаметр световедущих жил в деталях разл. назначений лежит в области от нескольких мкм до нескольких мм. Распространение света по световодам, диаметр к-рых велик по сравнению с длиной волны, происходит по законам геометрической оптики; по более тонким волокнам (порядка длины волны) распространяются лишь отд. типы волн или их совокупности, что рассматривается в рамках волновой оптики.

Для передачи изображения в В. о. применяются жёсткие многожильные световоды и жгуты с регулярной укладкой волокон. Кач-во передачи изображения определяется диаметром световедущих жил, их общим числом и совершенством изготовления. Любые дефекты световодов портят изображение. Обычно разрешающая способность волоконных жгутов составляет 10—50 лин./мм, а в жёстких многожильных световодах и спечённых из них деталей — до 100 лин./мм.

Изображение на входной торец жгута проецируется с помощью объектива. Выходной торец рассматривается через окуляр. Для увеличения или уменьшения действит. изображения применяются фоконы — пучки волокон с плавно увеличивающимся или уменьшающимся диаметром. Они концентрируют на выходном узком торце световой поток, падающий на широкий торец. При этом на выходе возрастают освещённость и наклон лучей. Повышение концентрации световой энергии возможно до тех пор, пока числовая апертура конуса лучей на выходе не достигнет числовой апертуры световода (её обычная величина 0,4—1). Это ограничивает соотношение входного и выходного радиусов фокона, к-рое практически не превосходит пяти. Широкое распространение получили также пластины, вырезанные поперёк из плотно спечённых волокон. Они служат фронтальными стёклами кинескопов и переносят изображение на их внеш. поверхность, что позволяет контактно его фотографировать. При этом до плёнки доходит осн. часть света, излучаемого люминофором, и освещённость на ней создаётся в десятки раз большая, чем при съёмке фотоаппаратом с объективом.

Световоды и др. волоконно-оптич. детали применяют в технике, медицине и во многих др. отраслях научных исследований. Жёсткие прямые или заранее изогнутые одножильные световоды и жгуты из волокон диам. 15—50 мкм применяют в медицинских приборах для освещения внутр. полостей носоглотки, желудка, бронхов и т. д. В таких приборах свет от электрич. лампы собирается конденсором на входном торце световода или жгута и по нему подаётся в освещаемую полость. Использование жгута с регулярной укладкой стеклянных волокон (гибкий эндоскоп) позволяет видеть изображение стенок внутр. полостей, диагностировать заболевания и с помощью гибких инструментов выполнять простейшие хирургич. операции без вскрытия полости. Световоды с заданным переплетением применяют в скоростной киносъёмке, для регистрации треков яд. ч-ц, как преобразователи сканирования в фототелеграфировании и телевизионной измерит. технике, как преобразователи кода и как шифровальные устройства. Созданы активные (лазерные) в о л о к н а, работающие как квант. усилители и квант. генераторы света, предназначенные для быстродействующих вычислит. машин и выполнения ф-ций логич. элементов, ячеек памяти и др. Особо прозрачные тонкие волоконные световоды с затуханием в неск. дБ/км применяются как кабели телефонной и телевизионной связи как в пределах объекта (здание, корабль и т. п.), так и на расстоянии от него в десятки км. Волоконная связь отличается помехозащищённостью, малым весом линий передачи, позволяет сэкономить дорогостоящую медь и обеспечивает развязку электрич. цепей.

Волоконные детали изготовляются из особо чистых материалов. Из расплавов подходящих марок стёкол вытягиваются световод и волокно. Предложен новый оптич. материал — кристалловолокно, выращиваемое из расплава. Световодами в кристалло-волокне явл. нитевидные кристаллы, а прослойками — добавки, вводимые в расплав.

Рефрактометрия. Подробно объяснить ход опыта по определения показателя преломления прозрачной жидкости рефрактометром. Рефрактометрия

Рефрактометрия (от лат. refractus - преломленный и греч. metreo - измеряю) - это метод исследования веществ, основанный на определении показателя (коэффициента) преломления (рефракции) и некоторых его функций. Рефрактометрия (рефрактометрический метод) применяется для идентификации химических соединений, количественного и структурного анализа, определения физико-химических параметров веществ. Показатель преломления n, представляет собой отношение скоростей света в граничащих средах. Для жидкостей и твердых тел n обычно определяют относительно воздуха, а для газов - относительно вакуума. Значения n зависят от длины волны l света и температуры, которые указывают соответственно в подстрочном и надстрочном индексах. Например, показатель преломления при 20°С для D-линии спектра натрия (l = 589 нм) - n_D²⁰. Часто используют также линии спектра водорода С (l = 656 нм) и F (l = 486 нм). В случае газов необходимо также учитывать зависимость n от давления (указывать его или приводить данные к нормальному давлению).

В идеальных системах (образующихся без изменения объема и поляризуемости компонентов) зависимость показателя преломления от состава близка к линейной, если состав выражен в объемных долях (процентах)

n=n₁V₁+n₂V₂ ,

где  n, n₁ ,n₂ - показатели преломления смеси и компонентов,        V₁ и V₂ - объемные доли компонентов (V₁ + V₂ = 1).

Для рефрактометрии растворов в широких диапазонах концентраций пользуются таблицами или эмпирическими формулами, важнейшие из которых (для растворов сахарозы, этанола и др.) утверждаются международными соглашениями и лежат в основе построения шкал специализированных рефрактометров для анализа промышленной и сельскохозяйственной продукции.

Зависимость показателя преломления водных растворов некоторых веществ от концентрации:

Влияние температуры на показатель преломления определяется двумя факторами: изменением количества частиц жидкости в единице объема и зависимостью поляризуемости молекул от температуры. Второй фактор становится существенным лишь при очень большом изменении температуры.     Температурный коэффициент показателя преломления пропорционален температурному коэффициенту плотности. Поскольку все жидкости при нагревании расширяются, то их показатели преломления уменьшаются при повышении температуры. Температурный коэффициент зависит от величины температуры жидкости, но в небольших температурных интервалах может считаться постоянным.     Для подавляющего большинства жидкостей температурный коэффициент лежит в узких пределах от –0,0004 до –0,0006 1/град. Важным исключением является вода и разбавленные водные растворы (–0,0001), глицерин (–0,0002), гликоль (–0,00026).     Линейная экстраполяция показателя преломления допустима на небольшие разности температур (10 – 20°С). Точное определение показателя преломления в широких температурных интервалах производится по эмпирическим формулам вида: n^t=n⁰+at+bt²+…     Давление влияет на показатель преломления жидкостей значительно меньше, чем температура. При изменении давления на 1 атм. изменение n составляет для воды 1,48 ?10^-5, для спирта 3,95 ?10^-5, для бензола 4,8 ?10^-5. То есть изменение температуры на 1°С влияет на показатель преломления жидкости примерно также, как изменение давления на 10 атм.

Обычно n жидких и твердых тел рефрактометрией определяют с точностью до 0,0001 на рефрактометрах, в которых измеряют предельные углы полного внутреннего отражения. Наиболее распространены рефрактометры Аббе с призменными блоками и компенсаторами дисперсии, позволяющие определять n_D в "белом" свете по шкале или цифровому индикатору. Максимальная точность абсолютных измерений (10 ^-10) достигается на гониометрах с помощью методов отклонения лучей призмой из исследуемого материала. Для измерения n газов наиболее удобны интерференционные методы. Интерферометры используют также для точного (до 10 ^-7) определения разностей n растворов. Для этой же цели служат дифференциальные рефрактометры, основанные на отклонении лучей системой двух-трех полых призм.     Автоматические рефрактометры для непрерывной регистрации n в потоках жидкостей используют на производствах при контроле технологических процессов и автоматическом управлении ими, а также в лабораториях для контроля ректификации и как универсальные детекторы жидкостных хроматографов.

Определение показателя преломления жидкостей и неизвестной

концентрации раствора при помощи рефрактометра

Цель работы: освоить метод определения показателя преломления

прозрачных жидкостей с помощью рефрактометра.

Задачи исследования: изучить принцип действия рефрактометра и

определить зависимость показателя преломления водного раствора

глицерина от концентрации. Определить неизвестную концентрацию

раствора.

Рефрактометром называют прибор, служащий для определения

показателя преломления световых лучей в прозрачных жидкостях.

Принцип действия прибора основан на явлении полного внутреннего

отражения, возникающем на границе раздела двух сред, при переходе луча из

оптически более плотной в оптически менее плотную среду.

Главной частью рефрактометра является система двух прямоугольных

призм – осветительной (А1B1C1) и измерительной (АВС), сделанных из

стекла с большим показателем преломления (рис. 1).

У осветительной призмы грань А1B1 матовая, а грань АВ измерительной

призмы полированная. Призмы расположены так, что между гранями

остается узкое плоско-параллельное пространство, которое заполняется

исследуемой жидкостью. При работе в проходящем свете лучи от источника света проходят через

грань В1C1 осветительной призмы и падают на матовую поверхность грани

А1B1. Вследствие рассеяния света матовой поверхностью в исследуемую

жидкость входят лучи под всевозможными углами (см. точки а и b).

Благодаря этому, углы падения лучей, падающих на границу АВ жидкость-

стекло, будут иметь значения от 0° до 90°.

Для луча, скользящего по границе раздела, угол падения i0 = 90° и

согласно закону преломления:

1 2 0

= n n r sin ,

где n1 – показатель преломления жидкости, а n2 – показатель преломления

призмы (n1 < n2), r0 – предельный угол полного внутреннего отражения.

Рис.1. Если на пути лучей, выходящих из измерительной призмы, поставить

зрительную трубу, то нижняя половина её поля зрения будет освещена, а

верхняя остается темной. При этом положение границы светотени

определяется лучом, соответствующим предельному углу.

При работе в отраженном свете лучи света направлены на матовую грань

ВС измерительной призмы. Лучи на ней рассеиваются, попадают на грань

АВ под всевозможными углами и преломляются на границе стекло-жидкость.

Те лучи, которые падают на поверхность АВ под углом меньшим

предельного, пройдут в жидкость и далее в призму A1B1C1. Лучи, которые

упадут на границу под углом, большим предельного, претерпят в призме

ABC полное внутреннее отражение и выйдут через границу АС. В поле

зрения зрительной трубы будут наблюдаться две области: верхняя – ярко

освещенная и нижняя – темная.

При наблюдении в белом свете граница света и тени из-за дисперсии

будет размыта и окрашена. Для устранения окраски и получения резкого

изображения границы служит компенсатор, состоящий из двух призм

прямого зрения, которые могут вращаться во взаимно перпендикулярных

направлениях.

Призма прямого зрения (призма Амичи) склеена из трех трехгранных

призм (рис. 2), изготовленных из стекол разного сорта. Две крайних призмы

изготовлены из крона с показателем преломления nк, а средняя - из флинта

(nф, nф> nк). Такая призма, не меняя направления желтых лучей, отклоняет

синие и фиолетовые лучи в сторону основания средней призмы, а оранжевые

и красные – в сторону ее вершины.

Если на пути выходящего из измерительной призмы пучка цветных

лучей установить призму Амичи так, чтобы ее дисперсия оказалась равной

по величине и противоположной по знаку дисперсии измерительной призмы,

то суммарная дисперсия будет равна нулю, а пучок цветных лучей соберется

в белый луч. Практически удобнее использовать две призмы прямого зрения,

общую дисперсию которых легко регулировать, вращая их относительно

друг друга.

Смоделировать работу компенсатора можно следующим образом.

Возьмите у лаборанта две призмы Амичи. Установите их вдоль одной

оптической оси и посмотрите на хорошо освещенный предмет. Вы увидите,

что он имеет размытые, окрашенные границы. Вращайте призмы вдоль

оптической оси и добейтесь исчезновения радужной окраски.

белый

свет

ф

к

крон крон

флинт

ж

Рис. 2. Ход лучей в призме

Амичи. Данная лабораторная работа может быть выполнена с использованием

рефрактометров двух марок: РДУ и ИРФ-454Б. Ниже приводится их

описания и порядок выполнения работы. Выберете нужный вариант.

Описание рефрактометра РДУ и порядка выполнения измерений.

На основании 1 (рис. 3) установлена стойка 2, к которой крепится корпус

3. На корпусе укреплена зрительная труба 4 и микроскоп 5. Микроскоп

позволяет рассмотреть шкалу показателей преломления изучаемого

вещества. Перед зрительной трубой внутри корпуса установлен

дисперсионный компенсатор 6, который поворачивается вращением ручки 7.

На одной оси с корпусом находится камера измерительной призмы 8,

связанная шарниром с камерой осветительной призмы 9. Для удобства

нанесения раствора на измерительную призму, корпус совместно с камерами

можно повернуть вращением ручки 10. Для направления светового потока на

входную грань осветительной призмы служит зеркало 11.

Микроскопия (МКС) (лат. μΙκροσ — мелкий, маленький и σκοποσ — вижу) — изучение объектов с использованием микроскопа. Подразделяется на несколько видов: оптическая микроскопия, электронная микроскопия, многофотонная микроскопия, рентгеновская микроскопия или рентгеновская лазерная микроскопия, отличающиеся использованием электромагнитных лучей с возможностью рассмотрения и получения изображений микроэлементов вещества в зависимости от разрешающей способности приборов (микроскопов). Оптическая микроскопия

Оптический микроскоп

Человеческий глазпредставляет собой естественную оптическую систему, характеризующуюся определённым разрешением, т. е. наименьшим расстоянием между элементами наблюдаемого объекта (воспринимаемыми как точки или линии), при котором они ещё могут быть отличены один от другого. Для нормального глаза при удалении от объекта на т. н. расстояние наилучшего видения (D = 250 мм), среднестатистическое нормальное разрешения составляет 0,176 мм. Размеры микроорганизмов, большинства растительных и животных клеток, мелкихкристаллов, деталей микроструктурыметаллови сплавов и т. п. значительно меньше этой величины. Для наблюдения и изучения подобных объектов и предназначены оптические микроскопы различных типов.

Немецкие ученые Штефан Хелль (англ.Stefan Hell) и Мариано Босси (англ.Mariano Bossi) из Института биофизической химии в 2006 году разработали наноскоп, позволяющий наблюдать объекты размером около 15 нм.

Для получения больших увеличений применяется микроскоп. Оптическая система микроскопа состоит из двух частей более или менее сложной конструкции: объектива (обращенного к объекту) и окуляра (обращенного к глазу). Ход лучей в микроскопе показан на рис. 251, причем объектив и окуляр заменены на рисунке простыми линзами. Как и лупа, микроскоп дает возможность рассматривать изображение предмета под большим углом, чем это возможно

Рис. 251. Ход лучей в микроскопе для невооруженного глаза. Небольшой предмет S1S2 помещается перед объективом 1 микроскопа на расстоянии, немного большем фокусного расстояния объектива; его действительное изображение S'1S'2 находится вблизи переднего фокуса F2 окуляра 2 — между окуляром и его передним фокусом. Это изображение рассматривается глазом через окуляр, как через лупу; на сетчатке глаза образуется изображение S'''1S'''2, которое воспринимается глазом как исходящее от мнимого увеличенного изображения S"1S"2. D — расстояние между задним фокусом объектива и передним фокусом окуляра — называется оптической длиной тубуса микроскопа; от нее зависит увеличение микроскопа. S'1S'2 находится в передней фокальной плоскости окуляра, т. е. изображение S"1S"2 лежит в бесконечности; при этом глаз находится в ненапряженном состоянии. Увеличением микроскопа, как и в случае лупы, называется отношение длины изображения какого-либо отрезка, получаемого на сетчатой оболочке глаза при помощи микроскопа, к длине изображения того же отрезка на сетчатке при рассматривании его невооруженным глазом. Действие микроскопа эквивалентно действию лупы с фокусным расстоянием f, равным фокусному расстоянию всего микроскопа. Пользуясь формулой (114.1), для увеличения микроскопа находим Фокусное расстояние микроскопа как системы из двух линз может быть сделано значительно меньше, чем фокусное расстояние объектива или окуляра в отдельности. В соответствии с этим увеличение микроскопа значительно больше увеличения, даваемого объективом или окуляром. Как показывает расчет, увеличение микроскопа равно произведению увеличения объектива и увеличения окуляра. Поэтому нередко применяют микроскопы с увеличением около 1000 и даже больше. Основные части  оптической  системы микроскопа — объектив 1 и окуляр 2 — размещаются на концах цилиндрической трубки, укрепленной в штативе (рис. 252). Объект 3 помещается на предметном столике 4 и освещается снизу с помощью зеркала 5 и конденсора 6. Оправы объектива и окуляра устанавливаются в металлической трубке — тубусе 7. Наводка на резкое изображение осуществляется с помощью винта кремальеры 8 (грубая наводка) или микрометрического винта 9 (точная наводка). Окуляры и объективы микроскопа делаются сменными, благодаря чему можно быстро менять увеличение системы. Быстрая смена объективов с разным увеличением производится с помощью револьвера 10. Тубус и столик укреплены на массивном штативе 11.

Рис. 252. Микроскоп Наличие действительного промежуточного изображения, даваемого объективом, расширяет область применения микроскопа. Оно делает возможным точные измерения размеров предмета, для чего в фокальную плоскость окуляра помещают шкалу, нанесенную на прозрачную пластинку. Можно получить проекцию этого изображения на экран, сфотографировать его и т. д. (см. упражнение 53 в конце этой главы).

6. Разрешающая способность оптических приборов, характеризует способность этих приборов давать раздельные изображения двух близких друг к другу точек объекта. Наименьшее линейное или угловое расстояние между двумя точками, начиная с которого их изображения сливаются, называется линейным или угловым пределом разрешения. Обратная ему величина обычно служит количественной мерой Р. с.

Разрешающая способность микроскопа: z = A/0.5 λ=n*sin(u/2)/ 0.5 λ

A-числовая апертура, A= n*sin(u/2); u/2- апертурный угол объектива,u- угол раскрытия объектива; λ – длина волны света

Предел разрешения микроскопа: D=1/z

Разрешающая способность глаза это минимальный диаметр пятна: которое рассматривается с расстояния наилучшего зрения (25-30 см) и. который человеческий глаз может отличить от остальных предметов.

Под полезным понимают такое увеличение наблюдаемого объекта, при котором можно выявить новые детали его строения, олезное увеличение обычно равно числовой апертуре объектива, увеличенной в 500-1000 раз.

7 Поляризация света – процесс упорядочения колебаний вектора напряжённости электрического поля световой волны при прохождении света сквозь некоторые вещества (при преломлении) или при отражении светового потока. Существует несколько способов получения поляризованного света.

1)Поляризация при помощи поляроидов. Поляроиды представляют собой целлулоидные пленки с нанесенным на них тончайшим слоем кристалликов сернокислого нодхинина. Применение полярой^ дов является в настоящее время наиболее распространенным способом поляризации света.

2)Поляризация     посредством отражения. Если естественный луч света падает на черную   полированную   поверх ность,  то  отраженный   луч    оказывается частично поляризованным. В качестве поляризатора и анализатора может быть употреблено зеркальное или достаточно хорошо отполированное  обычное   оконное   стекло, зачерненное с одной стороны асфальтовым лаком.

Степень поляризации тем больше, чем правильнее выдержан угол падения. Для стекла угол падения равен 57°.

3)Поляризация     посредством п р е л о м л е н и я. Световой луч   поляризуется не только при отражении, но и при преломлении. В этом случае в качестве поляризатора и анализатора используется стопка сложенных вместе 10—15 тонких стеклянных пластинок, расположенных к падающим на них световым лучам под углом в 57°.

Оптическая активность, способность среды вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через неё оптического излучения (света).

угол j поворота плоскости поляризации линейно зависит от толщины l слоя активного вещества (или его раствора) и концентрации с этого вещества — j = [a] lc (коэффициент [a] называется удельной О. а.); 2) поворот в данной среде происходит либо по часовой стрелке (j > 0), либо против неё (j < 0), если смотреть навстречу ходу лучей света

8. Рассеяние света, изменение характеристик потока оптического излучения (света) при его взаимодействии с веществом. Этими характеристиками могут быть пространственное распределение интенсивности, частотный спектр, поляризация света. Часто Р. с. называется только обусловленное пространственной неоднородностью среды изменение направления распространения света, воспринимаемое как несобственное свечение среды.

РАССЕЯНИЯ ПОКАЗАТЕЛЬ , величина, обратная расстоянию, на котором поток излучения, образующего параллельный световой пучок, ослабляется в результате рассеяния в среде в 10 раз или в е раз.

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 l. I_расс ~ 1/ ⁴

9. Поглощение света, уменьшение интенсивности оптического излучения (света), проходящего через материальную среду, за счёт процессов его взаимодействия со средой. Световая энергия при П. с. переходит в различные формы внутренней энергии среды или оптическое излучние др состава; она может быть полностью или частично переизлучена средой на частотах, отличных от частоты поглощённого излучения.

Закон Бугера.Физический смысл в том, что сам процесс потери фотонов пучка в среде не зависит от их плотности в световом пучке,т.е. от интенсивности света и от полудлины I.

I=I₀ exp(_λl); l – длина волн,_λ- показатель поглощения, I₀ – интенсивность поглощающего пучка.

Бугера — Ламберта — Бера закон, определяет постепенное ослабление параллельного монохроматического (одноцветного) пучка света при распространении его в поглощающем веществе. Если мощность пучка, вошедшего в слой вещества толщиной l, равна I_o, то, согласно Б.—Л.—Б. з., мощность пучка при выходе из слоя

I (l) = I_oe ^{- ccl,}

где c — удельный показатель поглощения света, рассчитанный на единицу концентрации с вещества, определяющего поглощение;

Поглощения показатель (k_l), величина, обратная расстоянию, на котором монохроматический поток излучения частоты n, образующий параллельный пучок, ослабляется за счёт поглощения в веществе в е раз или в 10 раз. Измеряется в см^-1 или м^-1. В спектроскопии и некоторых др. отраслях прикладной оптики термином "П. п." по традиции пользуются для обозначения коэффициента поглощения.

Молярный показатель поглощения

Коэффициент пропускания – отношение потока излучения, прошедшего через среду, к потоку,упавшему на ее поверхность . t = Ф/Ф₀

Оптическая плотность – мера непрозрачности слоя вещества для световых лучей D = lg(-F₀/F)

Прозра́чность среды́ — отношение величины потока излучения, прошедшего без изменения направления через слой среды единичной толщины к величине падающего потока (то есть без учёта эффектов рассеивания и влияния эффектов на поверхностях раздела).

Теплово́е излуче́ние — электромагнитное излучение с непрерывным спектром, испускаемое нагретыми телами за счёт их тепловой энергии.

Абсолютно чёрное тело — физическая идеализация, применяемая в термодинамике, тело, поглощающее всё падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах и ничего не отражающее. Несмотря на название, абсолютно чёрное тело само может испускать электромагнитное излучение любой частоты и визуально иметь цвет. Спектр излучения абсолютно чёрного тела определяется только его температурой.

Серое тело — это такое тело, коэффициент поглощения которого не зависит от частоты, а зависит только от температуры

 — для серого тела

СЕРОЕ ТЕЛО - тело, поглощения коэффициент к-рого меньше 1 и не зависит от длины волны излучения и абс. темп-ры Т. Коэф. поглощения (наз. также коэф. черноты С. т.) всех реальных тел зависит от (селективное поглощение) и Т, поэтому их можно считать серыми лишь в интервалах и Т, где коэф. прибл. постоянен. В видимой области спектра свойствами С. т. обладают каменный уголь ( = 0,80 при 400- 900 К), сажа ( = 0,94-0,96 при 370-470 К); платиновая и висмутовая черни поглощают и излучают как С. т. в наиб. широком интервале - от видимого света до 25-30 мкм ( = 0,93-0,99).

Основные законы излучения:

Закон Стефана — Больцмана — закон излучения абсолютно чёрного тела. Определяет зависимость мощности излучения абсолютно чёрного тела от его температуры. Формулировка закона:

Мощность излучения абсолютно чёрного тела прямо пропорциональна площади поверхности и четвёртой степени температуры тела:

где - степень черноты (для всех веществ , для абсолютно черного тела ). При помощи закона Планка для излучения, постоянную σ можно определить как

где  — постоянная Планка, k — постоянная Больцмана, c — скорость света.

Численное значение Дж·с⁻¹·м⁻² · К⁻⁴.

Закон излучения Кирхгофа — физический закон, установленныйнемецкимфизикомКирхгофомв1859 году.

В современной формулировке закон звучит следующим образом:

Отношение излучательной способности любого тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел при данной температуредля даннойчастотыи не зависит от их формы и химической природы.

Известно, что при падении электромагнитного излучения на некоторое тело часть его отражается, часть поглощается и часть может пропускаться. Доля поглощаемого излучения на данной частоте называется поглощательной способностью тела . С другой стороны, каждое нагретое тело излучает энергиюпо некоторому закону , именуемым излучательной способностью тела.

Величины и могут сильно меняться при переходе от одного тела к другому, однако согласно закону излучения Кирхгофа отношение испускательной и поглощательной способностей не зависит от природы тела и является универсальной функцией частоты (длины волны) и температуры:

Длина волны, при которой энергия излучения абсолютно чёрного тела максимальна, определяется законом смещения Вина:

где T — температура в кельвинах, а λ_max  — длина волны с максимальной интенсивностью в метрах.

Характеристики теплового излучения

Тела, нагретые до доста 424e43ie ;точно высоких температур, светятся. Свечение тел, обусловлен╜ное нагреванием, называется тепловым (температурным) излучением. Тепловое излуче╜ние, являясь самым распространенным в природе, совершается за счет энергии тепло╜вого движения атомов и молекул вещества (т. е. за счет его внутренней энергии) и свойственно всем телам при температуре выше 0 К. Тепловое излучение характеризу╜ется сплошным спектром, положение максимума которого зависит от температуры. При высоких температурах излучаются короткие (видимые и ультрафиолетовые) элект╜ромагнитные волны, при низких ≈ преимущественно длинные (инфракрасные).

Тепловое излучение ≈ практически единственный вид излучения, который может быть равновесным. Предположим, что нагретое (излучающее) тело помещено в по╜лость, ограниченную идеально отражающей оболочкой. С течением времени, в резуль╜тате непрерывного обмена энергией между телом и излучением, наступит равновесие, т. е. тело в единицу времени будет поглощать столько же энергии, сколько и излучать. Допустим, что равновесие между телом и излучением по какой-либо причине нарушено и тело излучает энергии больше, чем поглощает. Если в единицу времени тело больше излучает, чем поглощает (или наоборот), то температура тела начнет понижаться (или повышаться). В результате будет ослабляться (или возраста 424e43ie ;ть) количество излучаемой телом энергии, пока, наконец, не уста 424e43ie ;новится равновесие. Все другие виды излучения неравновесны.

Количественной характеристикой теплового излучения служит спектральная плот╜ность энергетической светимости (излучательности) тела ≈ мощность излучения с еди╜ницы площади поверхности тела в интервале частот единичной ширины:

где d ≈ энергия электромагнитного излучения, испускаемого за единицу време╜ни (мощность излучения) с единицы площади поверхности тела в интервале частот от n до n+dn.

Единица спектральной плотности энергетической светимости (R_n,T) ≈ джоуль на метр в квадрате (Дж/м²).

Записанную формулу можно предста 424e43ie ;вить в виде функции длины волны:

Так как c=ln, то

где знак минус указывает на то, что с возраста 424e43ie ;нием одной из величин (n или l) другая величина убывает. Поэтому в дальнейшем знак минус будем опускать. Таким образом,

═════════════════════════════════════════════════════════════(197.1)

С помощью формулы (197.1) можно перейти от R_n,T═ к R_l,T и наоборот.

Зная спектральную плотность энергетической светимости, можно вычислить интег╜ральную энергетическую светимость (интегральную излучательность) (ее называют про╜сто энергетической светимостью тела), просуммировав по всем частотам:

═════════════════════════════════════════════════════════(197.2)

Способность тел поглощать падающее на них излучение характеризуется спект╜ральной поглощательной способностью

показывающей, какая доля энергии, приносимой за единицу времени на единицу площади поверхности тела падающими на нее электромагнитными волнами с частота╜ми от n до n+dn, поглощается телом. Спектральная поглощательная способ╜ность ≈ величина безразмерная. Величины R_n,T ═и А_n,T зависят от природы тела, его термодинамической температуры и при этом различаются для излучений с различными частотами. Поэтому эти величины относят к определенным Т и n (вернее, к доста 424e43ie ;точно узкому интервалу частот от n до n+dn).

Тело, способное поглощать полностью при любой температуре все падающее на него излучение любой частоты, называется черным. Следовательно, спектральная поглощательная способность черного тела для всех частот и температур тождественно равна единице (). Абсолютно черных тел в природе нет, однако такие тела, как сажа, платиновая чернь, черный бархат и некоторые другие, в определенном интервале частот по своим свойствам близки к ним.

Идеальной моделью черного тела является замкнутая полость с небольшим отвер╜стием О, внутренняя поверхность которой зачернена (рис. 286). Луч света, попавший внутрь такой полости, испытывает многократные отражения от стенок, в результате чего интенсивность вышедшего излучения оказывается практически равной нулю. Опыт показывает, что при размере отверстия, меньшего 0,1 диаметра полости, пада╜ющее излучение всех частот полностью поглощается. Вследствие этого открытые окна домов со стороны улицы кажутся черными, хотя внутри комнат доста 424e43ie ;точно светло из-за отражения света от стен.

Наряду с понятием черного тела используют понятие серого тела ≈ тела, поглощательная способность которого меньше единицы, но одинакова для всех частот и зави╜сит только от температуры, материала и состояния поверхности тела. Таким образом, для серого тела =A_T = const<l.

Исследование теплового излучения сыграло важную роль в создании квантовой теории света, поэтому необходимо рассмотреть законы, которым оно подчиняется.

Абсолютно черное тело

Энергетическая светимость тела R_Т, численно равна энергии W, излучаемой телом во всем диапазоне длин волн (0<<) с единицы поверхности тела, в единицу времени, при температуре тела Т, т.е.

(1)

Испускательная способность тела r_,Т численно равна энергии тела dW, излучаемой телом c единицы поверхности тела, за единицу времени при температуре тела Т, в диапазоне длин волн от  до +d, т.е.

(2)

Эту величину называют также спектральной плотностью энергетической светимости тела.

Энергетическая светимость связана с испускательной способностью формулой

(3)

Поглощательная способность тела _,T - число, показывающее, какая доля энергии излучения, падающего на поверхность тела, поглощается им в диапазоне длин волн от  до +d, т.е.

. (4)

Тело, для которого _,T=1 во всем диапазоне длин волн, называется абсолютно черным телом (АЧТ).

Тело, для которого _,T=const<1 во всем диапазоне длин волн называют серым.

11. Особыми физическими приборами, называемыми актинометрами, можно измерить количество солнечной энергии, получаемой на земной поверхности на единицу площади в единицу времени. Прежде чем лучи Солнца достигнут поверхности Земли и попадут в актинометр, они должны пройти всю толщу нашей атмосферы, вследствие чего часть энергии будет поглощена атмосферой. Величина этого поглощения весьма колеблется в зависимости от состояния атмосферы, так что получаемое на земной поверхности количество солнечной энергии в разное время весьма различно.

 

Солнечной постоянной называется количество энергии, получаемое одним квадратным сантиметром площади, выставленной на границе земной атмосферы перпендикулярно к лучам Солнца, в одну минуту в малых калориях. Из большого ряда актинометрических наблюдений многих геофизических обсерваторий для солнечной постоянной было получено следующее значение:

А = 1,94 кал/см2 • мин.

На 1 квадратный метр обращенной к Солнцу поверхности площадки в окрестностях Земли ежесекундно поступает 1400 Дж энергии, переносимой солнечным электромагнитным излучением. Эта величина называется солнечной постоянной. Иными словами, плотность потока энергии солнечного излучения составляет 1,4 кВт/м².

СОЛНЕЧНЫЙ СПЕКТР - распределение энергии электромагнитного излучения Солнца в диапазоне длин волн от нескольких долей нм (гамма-излучение) до метровых радиоволн. В видимой области солнечный спектр близок к спектру абсолютно черного тела при температуре около 5800 К; имеет энергетический максимум в области 430-500 нм. Солнечный спектр — непрерывный спектр, на который наложено более 20 тыс. линий поглощения (Фраунгоферовых линий) различных химических элементов.

Актинометр - прибор для измерения интенсивности прямой солнечной радиации. Принцип действия А. основан на поглощении падающей радиации зачернённой поверхностью и превращении её энергии в теплоту. А. является относительным прибором, т.к. об интенсивности радиации судят по различным явлениям, сопровождающим нагревание, в отличие от пиргелиометров — приборов абсолютных. Например, принцип действия актинометра Михельсона основан на нагревании солнечными лучами зачернённой сажей биметаллической пластинки 1, спрессованной из железа и инвара.При нагревании железо удлиняется, а инвар почти не испытывает теплового расширения, поэтому пластинка изгибается. Величина изгиба служит мерой интенсивности солнечной радиации. С помощью микроскопа наблюдают перемещение кварцевой нити, расположенной на конце пластинки.

Квантовая физика

1. Атомные спектры, оптические спектры, получающиеся при испускании или поглощении электромагнитного излучения свободными или слабо связанными атомами (например, в газах или парах). Являются линейчатыми, то есть состоят из отдельных спектральных линий, характеризуемых частотой излучения v, которая соответствует квантовому переходу между уровнями энергии Ei и Ek атома согласно соотношению: hv = Ei-Ek где h-постоянная Планка. Спектральные линии можно характеризовать также длиной волны = c/v (с - скорость света), волновым числом = v/c и энергией фотона hv. Частоты спектральных линий выражают в с -1, длины волн - в нм и мкм, а также в А, волновые числа - в см -1, энергии фотонов - в эВ. Типичные атомные спектры наблюдаются в видимой, УФ- и ближней ИК-областях спектра. Спектры испускания, или эмиссионные, получают при возбуждении атомов различными способами (фотонами, электронным ударом и т.д.), спектры поглощения, или абсорбционные, - при прохождении электромагнитного излучения, обладающего непрерывным спектром, через атомарные газы или пары. Для наблюдения атомных спектров применяют приборы с фотографической или фотоэлектрической регистрацией.

2. Атомные спектры обладают ярко выраженной индивидуальностью: каждому элементу соответствует свой спектр нейтрального атома (так называемый дуговой спектр) и свои спектры последовательно образующихся положительных ионов (так называемые искровые спектры). Линии в этих спектрах обозначают римскими цифрами, например линии FeI, FeII, FeIII в спектрах железа соответствуют спектрам Fe, Fe+, Fe2+.

3. Вид спектра зависит как от электронного строения данного атома, так и от внешних условий - температуры, давления, напряженностей электрического и магнитного полей и т. п. В зависимости от способа возбуждения атома могут возникать отдельные линии спектра, некоторые его участки, весь спектр нейтрального атома или его иона определенной кратности. Положение линий в таких спектрах подчиняется определенным закономерностям, которые наиболее просты для атомов с одним внешним электроном, то есть для атома Н и нейтральных атомов щелочных металлов, а также изоэлектронных с ними ионов. В спектрах таких атомов наблюдаются спектральные серии, каждая из которых (в случае спектров испускания) получается при возможных квантовых переходах с последовательных вышележащих уровней энергии на один и тот же нижележащий (в спектрах поглощения – при обратных переходах). Промежутки между линиями одной серии убывают в сторону больших частот, то есть линии сходятся к границе серии - максимальной для данной серии частоте, соответствующей ионизации атома. Для атома Н волновые числа линий всех серий с большой точностью определяются обобщенной формулой Бальмера

4. В атомных спектрах проявляются не все возможные квантовые переходы, а лишь разрешенные правилами отбора. Так, в случае атома с одним внеш. электроном разрешены лишь переходы между уровнями, для которых орбитальное квантовое число l изменяется на 1 , т. е. s-уровни (l = 0) комбинируют с р-уровнями (l=1), р-уровни - с d-уровнями (l = 2) и т.д. Количественная характеристика разрешенного оптического квантового перехода - его вероятность, определяющая интенсивность спектральной линии, соответствующей этому переходу. Вероятности переходов в простейших случаях могут быть рассчитаны методами квантовой механики. Под влиянием внешних электрических и магнитных полей происходит расщепление спектральных линий. Возмущающие факторы, существующие в излучающей среде, вызывают уширение и сдвиг спектральных линий. Методы, основанные на измерении частот и интенсивностей линий в спектре, применяют для решения различных задач спектроскопии: проведения общей систематики спектров многоэлектронных атомов; определения уровней энергии таких атомов (это существенно, в частности, при квантово-химических расчетах); нахождения вероятностей переходов и времен жизни возбужденных состояний; изучения механизмов возбуждения атомов; измерения ядерных моментов и т. п. Индивидуальность атомные спектры используют для качественного определения элементного состава вещества, а зависимость интенсивности линий от концентрации излучающих атомов - для количественного анализа.

Методы молекулярной спектроскопии, основанные на изучении М. с., позволяют решать разнообразные задачи химии, биологии и др. наук (например, определять состав нефтепродуктов, полимерных веществ и т. п.). В химии по М. с. изучают структуру молекул. Электронные М. с. дают возможность получать информацию об электронных оболочках молекул, определять возбуждённые уровни и их характеристики, находить энергии диссоциации молекул (по схождению колебательных уровней молекулы к границам диссоциации). Исследование колебательных М. с. позволяет находить характеристические частоты колебаний, соответствующие определённым типам химических связей в молекуле (например, простых двойных и тройных связей С-С, связей С-Н, N-Н, О-Н для органических молекул), различных групп атомов (например, CH2, CH3, NH2), определять пространственную структуру молекул, различать цис- и транс-изомеры. Для этого применяют как инфракрасные спектры поглощения (ИКС), так и спектры комбинационного рассеяния (СКР). Особенно широкое распространение получил метод ИКС как один из самых эффективных оптических методов изучения строения молекул. Наиболее полную информацию он даёт в сочетании с методом СКР. Исследование вращательных М. с., а также вращательной структуры электронных и колебательных спектров позволяет по найденным из опыта значениям моментов инерции молекул [которые получаются из значений вращательных постоянных, см. (7)] находить с большой точностью (для более простых молекул, например H2O) параметры равновесной конфигурации молекулы - длины связей и валентные углы. Для увеличения числа определяемых параметров исследуют спектры изотопических молекул (в частности, в которых водород заменен дейтерием), имеющих одинаковые параметры равновесных конфигураций, но различные моменты инерции.В качестве примера применения М. с. для определения химического строения молекул рассмотрим молекулу бензола C6H6. Изучение её М. с. подтверждает правильность модели, согласно которой молекула плоская, а все 6 связей С-С в бензольном кольце равноценные и образуют правильный шестиугольник (рис. 2, б), имеющий ось симметрии шестого порядка, проходящую через центр симметрии молекулы перпендикулярно её плоскости. Электронный М. с. поглощения C6H6 состоит из нескольких систем полос, соответствующих переходам из основного чётного синглетного уровня на возбуждённые нечётные уровни, из которых первый является триплетным, а более высокие - синглетными (рис. 5). Наиболее интенсивна система полос в области 1840 ?(E5 - E1= 7,0 эв), наиболее слаба система полос в области 3400 ?(E2 - E1 = 3,8 эв), соответствующая синглетно-триплетному переходу, запрещенному приближёнными правилами отбора для полного спина. Переходы соответствуют возбуждению т. н. p-электронов, делокализованных по всему бензольному кольцу (см. Молекула); полученная из электронных молекулярных спектров схема уровней рис. 5 находится в согласии с приближёнными квантовомеханическими расчётами. Колебательные М. с. C6H6 соответствуют наличию в молекуле центра симметрии - частоты колебаний, проявляющиеся (активные) в ИКС, отсутствуют (неактивные) в СКР и наоборот (т. н. альтернативный запрет). Из 20 нормальных колебаний C6H6 4 активны в ИКС и 7 активны в СКР, остальные 11 неактивны как в ИКС, так и в СКР. Значения измеренных частот (в см-1): 673, 1038, 1486, 3080 (в ИКС) и 607, 850, 992, 1178, 1596, 3047, 3062 (в СКР). Частоты 673 и 850 соответствуют неплоским колебаниям, все остальные частоты - плоским колебаниям. Особо характерны для плоских колебаний частота 992 (соответствующая валентному колебанию связей С-С, состоящему в периодическом сжатии и растяжении бензольного кольца), частоты 3062 и 3080 (соответствующие валентным колебаниям связей С-Н) и частота 607 (соответствующая деформационному колебанию бензольного кольца). Наблюдаемые колебательные спектры C6H6 (и аналогичные им колебательные спектры C6D6) находятся в очень хорошем согласии с теоретическими расчётами, позволившими дать полную интерпретацию этих спектров и найти формы всех нормальных колебаний.Подобным же образом можно при помощи М. с. определять структуру разнообразных классов органических и неорганических молекул, вплоть до весьма сложных, например молекул полимеров.

Многоэлектронные атомы. В многоэлектронных атомах помимо кулоновского взаимодействия каждого Э с ядром имеются также взаимодействия Э друг с другом и обменное взаимодействие, связанное с неразличимостью Э при их квантовомеханическом описании. Движение каждого из Э можно рассматривать происходящим в нек-ром усредненном поле, создаваемом ядром и всеми др. Э. Для приближенного описания можно использовать квантовые числа n и l, однако в данном случае вырождение по l отсутствует даже в нерелятивистском приближении. Тем не менее каждый У.э. с данными n и l еще остается вырожденным по проекции орбитального и спинового МКД. Кратность этого вырождения равна (2s+1)(2l+1)=2(2l+1), т.к. для электрона s=1/2. Согласно принципу Паули, в каждом из этих состояний может находится только по одному Э. Поэтому максимально возможное число состояний в А с данными n и l равно 2(2l+1) и эти состояния, называемые эквивалентными, образуют электронную оболочку. Электронная оболочка наз. замкнутой, если все возможные состояния в ней заполнены. Совокупность 2n2 состояний с одним и тем же n, но разными l наз. электронным слоем (напр., K-слой, содержащий 2 Э при n=1, L-слой, содержащий 8 Э при n=2, M-слой, содержащий 18 Э при n=3). закономерностями в последовательном заполнении электронных оболочек объясняется периодичность изменения св-в элементов. Последовательность, в к-рой возрастают энергии Э с заданными n и l, следующая: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d, ... и т.д. (здесь буквы лат. алфавита, как и ранее, относятся к значениям орбитального МКД l=0, 1, 2, ...). Совокупность всех атомных Э, находящихся в определенных энергетич. состояниях, наз. электронной конфигурацией А. Для ее описания указывают, каким образом при возрастании n Э рапределяются по оболочкам. Для этого перечисляют все электронные оболочки, в к-рых есть Э, а именно: указывают главное квантовое число n, лат. буквуЮ соответствующую значению орбитального МКД l, и (сверху справа от этой буквы) число Э в данной оболочке. Напр., конфигурация 1s2 2s2 2p2 осн. состояния А углерода означает, что в первом электронном слое находится два s-электрона, во втором слое находится два Э в s-оболочке и два Э в p-оболочке. Электронная конфигурация определяет энергию А лишь приближенно. Для дальнейшего уточнения этой величины необходимо знать, какой тип связи МКД Э реализуется

3. Энергетические уровни молекул Основные типы движений в молекулах.В общем случае в молекуле (М) имеется три типа движений: электронное, колебательное и вращательное. Движение каждого Э в М происходит в электрическом поле атомных ядер и в поле всех других Э. Так же как и в атомах в М электроны образуют вполне определенные конфигурации, а электронная энергия квантуется. Состояние М, соответствующее определенному значению , наз. электронным состоянием. В отличие от атомов, в М в каждом электронном состоянии не явл. определенной постоянной величиной, но зависит от межъядерных расстояний (длин связи) и углов между ними (валентных углов). Эта функциональная зависимость наз. поверхностью потенциальной энергии (или кривой потенциальной энергии для двух атомной М). Поверхность потенциальной энергии, соответствующая связанному состоянию М, имеет минимум при некоторых значениях длин связи и валентных углов - эти значения наз. равновесными. Классификация электронных состояний многоатомных М проводится методами теории групп.

Наиболее простыми системами с точки зрения классификации энергетических состояний явл. линейные, или двухатомные М. В линейной М электрическое поле, действующее на Э, обладает аксиальной симметрией. Поэтому каждое электронное состояние характеризуется определенным значением проекции суммарного орбитального МКД всех Э на ось М. Эта величина обозначается . Различным значениям абс. величины соответствуют различные электронные состояния, или термы, к-рые обозначаются большими буквами греч. алфавита: -состояние, -состояние, -состояние и т.д. Электронные состояния характеризуются также суммарным спином всех электронов S. Спин-орбитальное взаимодействие приводит к расщеплению электронного терма с данным S на 2S+1 близко лежащих У.э. (тонкая структура). Число 2S+1 наз. мультиплетностью электронного терма и ставится слева вверху у греч. буквы, указывающей значение , напр., , . Опыт показывает, что осн. электронное состояние большинства М есть -состояние. Существует, однако, ряд М, в т.ч. такие межзвездные М как OH, NO, CH, осн. состояние к-рых характеризуется отличными от нуля значениями L или/и S. При возможны два состояния с одинаковой энергией, отличающиеся знаком проекции орбиального МКД на ось М (). Т.о., все состояния с двухкратно вырождены. -состояния не вырождены. Различают - и -состояния. Знаки обозначают четность состояния по отношению к операции отражения в плоскости, содержащей ось М. Если М обладает центром симметрии (напр., H2, O2, CO2, H2C2), то появляется дополнит. квантовое число - четность по отношению к инверсии пространства. Четные состояния обозначают индексом , а нечетные - индеском . Осн. св-ва кривых потенциальной энергии иллюстрируются рис. 3, где показаны такие кривые для трех электронных состояний молекулы H2 - (для наглядности масштабы по осям энергии и межъядерных расстояний не выдержаны точно). Кривые для состояний имеют минимумы при равновесных межъядерных расстояниях R=Re и соответствуют связанным состояниям М. При оба атома водорода свободны и Eэл равна сумме энергий обоих атомов. Величина наз. границей диссоциации. При сближении атомов образуется устойчивая М. Когда R < Re, потенциальная энергия растет, т.к. начинает сказываться кулоновское отталкивание ядер. Разность энергий наз. энергией диссоциации. Кривая потенциальной энергии для состояния не имеет минимума, т.е. это состояние не явл. связанным. Сближающиеся атомы с таким набором квантовых чисел после столкновения расходятся, и М не образуется. Колебания молекулы.

2. Люминесценция (от лат. lumen, род. падеж luminis — свет и -escent — суффикс, означающий слабое действие) — нетепловое свечение вещества, происходящее после поглощения им энергии возбуждения. Впервые люминесценция была описана в XVIII веке.Первоначально явление люминесценции использовалось при изготовлении светящихся красок и световых составов на основе так называемых фосфоров, для нанесения на шкалы приборов, предназначенных для использования в темноте. Особого внимания в СССР люминесценция не привлекала вплоть до 1948 года, когда советский учёный С. И. Вавилов на сессии Верховного совета предложил начать изготовление экономичных люминесцентных ламп и использовать люминесценцию в анализе химических веществ. В быту явление люминесценции используется чаще всего в люминесцентных лампах «дневного света» и электронно-лучевых трубках кинескопов. На использовании явления люминесценции основано явление усиления света, экспериментально подтверждённое работами В. А. Фабриканта и лежащее в основе научно-технического направления квантовой электроники, конкретно находящее своё применение в усилителях света и генераторах стимулированного излучения (лазерах).«Будем называть люминесценцией избыток над температурным излучением тела в том случае, если это избыточное излучение обладает конечной длительностью примерно 10−10 секунд и больше». Таково каноническое определение люминесценции, данное русским учёным С. И. Вавиловым в 1948 году. Это значит, что яркость люминесцирующего объекта в спектральном диапазоне волн его излучения существенно больше, чем яркость абсолютно чёрного тела в этом же спектральном диапазоне, имеющего ту же температуру, что и люминесцирующее тело.[1]

Первая часть определения позволяет отличить люминесценцию от теплового излучения, что особенно важно при высоких температурах, когда термоизлучение приобретает большую интенсивность. Важной особенностью люминесценции является то, что она способна проявляться при значительно более низких температурах, так как не использует тепловую энергию излучающей системы. За это люминесценцию часто называют «холодным свечением». Критерий длительности, введённый Вавиловым, позволяет отделить люминесценцию от других видов нетеплового излучения: рассеяния и отражения света, комбинационного рассеяния, излучения Черенкова. Длительность их меньше периода колебания световой волны (то есть <10−10 c).Физическая природа люминесценции состоит в излучательных переходах электронов атомов или молекул из возбуждённого состояния в основное. При этом причиной первоначального их возбуждения могут служить различные факторы: внешнее излучение, температура, химические реакции и др.

Вещества, имеющие делокализованные электроны (сопряжённые системы), обладают самой сильной люминесценцией. Антрацен, нафталин, белки, содержащие ароматические аминокислоты и некоторые простетические группы, многие пигменты растений и в частности хлорофилл, а также ряд лекарственных препаратов обладают ярко выраженной способностью к люминесценции. Органические вещества, способные давать люминесцирующие комплексы со слабо люминесцентными неорганическими соединениями, часто используются в люминесцентном анализе. Так, в люминесцентной титриметрии часто применяется вещество флуоресцеин.Первоначально понятие люминесценция относилось только к видимому свету. В настоящее время оно применяется к излучению в инфракрасном, видимом, ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах (см. шкала электромагнитных волн).Многие формы природной люминесценции были известны людям очень давно. Например, свечение насекомых (светлячки), свечение морских рыб и планктона, полярные сияния, свечение минералов, гниющего дерева и других разлагающихся органических веществ. В настоящее время к природным формам прибавилось много искусственных способов возбуждения люминесценции. Твердые и жидкие вещества, способные люминесцировать, называют люминофорами (от лат. lumen — свет и др.-греч. phoros — несущий).Чтобы вещество было способно люминесцировать, его спектры должны иметь дискретный характер, то есть его энергетические уровни должны быть разделены зонами запрещенных энергий. Поэтому металлы в твёрдом и жидком состоянии, обладающие непрерывным энергетическим спектром, не дают люминесценции. Энергия возбуждения в металлах непрерывным образом переходит в тепло. И лишь в коротковолновом диапазоне металлы могут испытывать рентгеновскую флуоресценцию, то есть под действием рентгеновского излучения испускать вторичные Х-лучи.

[править]

Типы люминесценции

Люминесцентное свечение тел принято делить на следующие виды:фотолюминесценция — свечение под действием света (видимого и УФ-диапазона). Она, в свою очередь, делится на

флуоресценцию (время жизни 10−9−10−6 с);фосфоресценцию (10−3−10 с);

хемилюминесценция — свечение, использующее энергию химических реакций;

катодолюминесценция — вызвана облучением быстрыми электронами (катодными лучами);

сонолюминесценция — люминесценция, вызванная звуком высокой частоты;

рентгенолюминесценция — свечение под действием рентгеновских лучей.

радиолюминесценция — при возбуждении вещества γ-излучением;триболюминесценция — люминесценция, возникающая при растирании, раздавливании или раскалывании люминофоров. Триболюминесценция вызывается электрическим разрядами, происходящими между образовавшимися наэлектризованными частями — свет разряда вызывает фотолюминесценцию люминофора.электролюминесценция- возникает при пропускании электрического тока через определенные типы люминофоров.

Кандолюминесценция — калильное свечение.

В настоящее время наиболее изучена фотолюминесценция.У твердых тел различают три вида люминесценции:мономолекулярная люминесценция — акты возбуждения и испускания света происходят в пределах одного атома или молекулы;метастабильная люминесценция — акты возбуждения и испускания света происходят в пределах одного атома или молекулы, но с участием метастабильного состояния;рекомбинационная люминесценция — акты возбуждения и испускания света происходят в разных местах.

Спектры люминесценцииСпектром люминесценции называют зависимость интенсивности люминесцентного излучения от длины волны испускаемого света. Наиболее простые — атомные спектры, в которых указанная выше зависимость определяется только электронным строением атома. Спектры молекул гораздо более сложные вследствие того, что в молекуле реализуются различные деформационные и валентные колебания. При охлаждении до сверхнизких температур сплошные спектры люминесценции органических соединений, растворенных в определенном растворителе, превращаются в квазилинейчатые. Это явление получило название эффекта Шпольского. Это ведёт к снижению предела обнаружения и повышению избирательности определений, расширению числа элементов, которые можно определять люминесцентным методом анализа.

Правило Стокса — ЛоммеляСпектр люминесценции, как правило, сдвинут относительно спектра поглощения в сторону длинных волн. Данное правило принято объяснять потерей некоторой части поглощённой энергии на тепловое движение молекул. Отметим, что существует антистоксовский люминофор излучающий более коротковолновое излучение чем падающее. Как правило одно и тоже вещество способно испускать излучение как в стоксовой, так и в антистоксовой областях спектра, относительно частоты возбуждающего люминесценцию излучения.

3. Спектрофотометрия (абсорбционная) — физико-химический метод исследования растворов и твёрдых веществ, основанный на изучении спектров поглощения в ультрафиолетовой (200—400 нм), видимой (400—760 нм) и инфракрасной (>760 нм) областях спектра. Основная зависимость, изучаемая в спектрофотометрии зависимость интенсивности поглощения падающего света от длины волны. Спектрофотометрия широко применяется при изучении строения и состава различных соединений (комплексов, красителей, аналитических реагентов и др.), для качественного и количественного определения веществ (определения следов элементов в металлах, сплавах, технических объектах). Приборы спектрофотометрии — спектрофотометры. Спектрофлуориметрия. Принцип - испускание света, длина волны которого больше чем длина волны поглощенного света. . Применение - количественный анализ, кинетика, качественный анализ.

4. 1) ВременнАя (продольная) когерентность определяется временнЫм промежутком, в пределах которого разность фаз колебания в некой точке, взятая в любые два момента, постоянна.

Чтобы свет обладал временной когерентностью, он должен состоять из волн одной строго определенной длины (одного цвета); иными словами, это должен быть строго монохроматический свет.Временная когерентность: а — высокая степень когерентности; б — низкая степень когерентности.2) Пространственная (поперечная) когерентность определяется расстоянием (взятым на плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны), в пределах которого разность фаз колебания, взятая в любых двух точках, постоянна.

Таким образом, рассматривая два колебания в одной точке в разные моменты времени (1), или в разных точках одновременно (2), для признания их когерентными необходимо потребовать постоянства разности фаз.

Очевидно, что для этого требуется:

а) равенство длины волны (или частоты, что эквивалентно) колебаний;

б) постоянство разности начальных фаз колебаний.

Монохроматичный свет - свет одной частоты. Строго монохроматичная волна в каждой точке пространства имеет не зависящую от времени амплитуду и начальную фазу. Как амплитуда так и фаза реальной световой волны испытывают некоторые случайные изменения во времени, или как говорят физики, "шумят". Шумы фазы можно рассматривать как шумы частоты. Если шумы частоты невелики и шумы амплитуды достаточно медленные (их частота мала по сравнению с оптической частотой ), то говорят, что волна квазимонохроматическая. Можно дать и другое более удобное с математической точки зрения определение квазимонохроматической волны. Любую волну можно представить как суперпозицию монохроматических плоских волн (Фурье разложение по частотам и волновым векторам). Квазимонохроматическая волна имеет узкий спектр частот. Частоты составляющих ее волн находятся в узком диапазоне , таком что .

Лазер оптический квантовый генератор — устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.

Это распределение по энергиям частиц (атомов, молекул) идеального газа в условиях термодинамического равновесия. Распределение Больцмана было открыто в 1868 - 1871 гг. австралийским  физиком Л. Больцманом. Согласно распределению, число частиц ni с полной энергией Ei    равно:

ni =A•ωi •e­Ei /Kt 

где ωi  - статистический вес (число возможных состояний частицы с энергией ei). Постоянная А находится из условия, что сумма ni по всем возможным значениям i равна заданному полному числу частиц N в системе (условие нормировки): ∑ni=N

Накачка создает инверсную заселенность в активных средах, причем для каждой среды выбирается наиболее удобный и эффективный способ накачки. В твердотельных и жидкостных лазерах используют импульсные лампы или лазеры, газовые среда возбуждают электрическим разрядом, полупроводники – эл.током.

Вынужденное излучение, индуцированное излучение — генерация нового фотона при переходе квантовой системы (атома, молекулы, ядраи т. д.) из возбуждённого в стабильное состояние (меньший энергетический уровень) под воздействием индуцирующего фотона, энергия которого была равна разности энергий уровней. Созданный фотон имеет ту же энергию, импульс, фазу и поляризацию, что и индуцирующий фотон (который при этом не поглощается). Оба фотона являются когерентными.

Рабочее тело является основным определяющим фактором рабочей длины волны, а также остальных свойств лазера. Существует большое количество различных рабочих тел, на основе которых можно построить лазер. Рабочее тело подвергается «накачке», чтобы получить эффект инверсии электронных населённостей, что вызывает вынужденное излучение фотонов и эффект оптического усиления.

Накачка химических лазеров происходит посредством протекания в их активной среде химических реакций. При этом инверсия населённостей возникает либо непосредственно у продуктов реакции, либо у специально введённых примесей с подходящей структурой энергетических уровней. Накачка полупроводниковых лазеров происходит под действием сильного прямого тока через p-n переход, а также пучкомэлектронов. Существуют и другие методы накачки (газодинамические, заключающиеся в резком охлаждении предварительно нагретых газов; фотодиссоциация, частный случай химической накачки и др.) Классическая трёхуровневая система накачки рабочей среды используется, например, в рубиновом лазере. Рубинпредставляет собой кристалл корунда Al2O3, легированный небольшим количеством ионов хрома Cr3+, которые и являются источником лазерного излучения. Из-за влияния электрического поля кристаллической решётки корунда внешний энергетический уровень хрома E2 расщеплён (см. эффект Штарка). Именно это делает возможным использование немонохроматического излучения в качестве накачки

Все лазеры состоят из трёх основных частей:

активной (рабочей) среды;

системы накачки (источник энергии);

оптического резонатора (может отсутствовать, если лазер работает в режиме усилителя).

Каждая из них обеспечивает для работы лазера выполнение своих определённых функций.

Лазер отличается от обычных источников света (например, лампы с вольфрамовой нитью) двумя важными свойствами излучения. Во-первых, оно когерентно, т.е. пики и провалы всех его волн появляются согласованно, и эта согласованность остается неизменной в течение достаточно длительного времени. Все обычные источники света эмиттируют некогерентное излучение, в котором нет согласованности между пиками и провалами различных волн. В некогерентном процессе световые волны излучаются независимо друг от друга, энергия излучаемого пучка рассеивается по пространству и быстро убывает по мере удаления от источника. При когерентном излучении волны испускаются не хаотично и могут усиливать друг друга. Лучи лазерного пучка почти параллельны между собой, поэтому он расходится незначительно даже на больших расстояниях от излучателя. Так, лазерный пучок диаметром 30 см направили на Луну, и он образовал на ее поверхности световое пятно диаметром всего 3 км (до Луны около 386 000 км; на таком расстоянии свет от обычного источника дал бы пятно диаметром 402 000 км). Вторая особенность лазерного излучения - монохроматичность, т.е. одноцветность; это значит, что от конкретного лазера исходят волны одной и той же длины. В свете почти всех существующих источников обычно присутствуют все длины волн видимого спектра и соответственно все цвета, поэтому такой свет нам кажется белым. Лишь немногие традиционные источники (например, лампы низкого давления, наполненные разреженными парами натрия) светят почти монохроматично, но их излучение некогерентно и малоинтенсивно.

Радиоактивность — это испускание ядрами некоторых элементов различных частиц, сопровождающееся переходом ядра в другое состояние и изменением его параметров. Явление радиоактивности было открыто опытным путем французским ученым Анри Беккерелем в 1896 г. для солей урана. Беккерель заметил, что соли урана засвечивают завернутую во много слоев фотобумагу невидимым проникающим излучением.

 а-Распад представляет собой излучение а-частиц (ядер гелия) высоких энергий. При этом масса ядра уменьшается на 4 единицы, а заряд — на 2 единицы.           B-Распад — излучение электронов, заряд которых возрастает на единицу, массовое число не изменяется.           у-Излучение представляет собой испускание возбужденным ядром квантов света высокой частоты. Параметры ядра при у-излучении не меняются, ядро лишь переходит в состояние с меньшей энергией. Распавшееся ядро тоже радиоактивно, т. е. происходит цепочка последовательных радиоактивных превращений. Процесс распада всех радиоактивных элементов идет до свинца. Свинец — конечный продукт распада.

Закон радиоактивного распада — физический закон, описывающий зависимость интенсивности радиоактивного распада от времени и количества радиоактивных атомов в образце. Открыт Фредериком Содди и Эрнестом Резерфордом, каждый из которых впоследствии был награжден Нобелевской премией. Они обнаружили его экспериментальным путём и опубликовали в 1903 году в работах «Сравнительное изучение радиоактивности радия и тория» и «Радиоактивное превращение», сформулировав следующим образом

Во всех случаях, когда отделяли один из радиоактивных продуктов и исследовали его активность независимо от радиоактивности вещества, из которого он образовался, было обнаружено, что активность при всех исследованиях уменьшается со временем по закону геометрической прогрессии.

из чего с помощью теоремы Бернулли учёные сделали вывод

Существует несколько формулировок закона, например, в виде дифференциального уравнения:

,

которое означает, что число распадов , произошедшее за короткий интервал времени , пропорциональнoчислуатомовв образце.

Альфа-излучение представляет собой потокальфа-частиц — ядер гелия-4. Альфа-частицы, рождающиеся при радиоактивном распаде, могут быть легко остановлены листом бумаги. Бета-излучение — это поток электронов, возникающих при бета-распаде; для защиты от бета-частиц энергией до 1 МэВ достаточно алюминиевой пластины толщиной в несколько миллиметров. Гамма-излучение обладает гораздо большей проникающей способностью, поскольку состоит из высокоэнергичных фотонов, не обладающих зарядом; для защиты эффективны тяжёлые элементы (свинец и т.д.), поглощающие МэВ-ные фотоны в слое толщиной несколько см. Проникающая способность всех видов ионизирующего излучения зависит от энергии.

Взаимодействие гамма-излучения со средой. -лучи, проходя через вещество, теряют свою энергию главным образом за счет следую¬щих явлений. 1. Комптон-эффект, или рассеяние - квантов на электронах, при котором фотоны передают часть своей энергии электронам атома. 2. Фотоэффект, или поглощение - кванта атомом, когда вся энергия фотона передается электрону, вылетающему в результате этого из атома. 3. Образование электрон-позитронных пар — процесс, который может происходить в поле ядра или другой частицы при энергиях -квантов  4. Ядерные реакции, возникающие обычно при энергиях -квантов, превышающих 10 МэВ. Во многих физических экспериментах применяются пучки электронов, причем энергия электронов может быть самой раз¬ной — от долей электронвольта до миллионов электронвольт. В ядерной физике используются как пучки электронов, полученные на ускорителе, так и пучки электронов, возникающих при бета-распаде радиоактивных ядер - "бета-частицы". В обоих случаях могут быть получены сведения о свойствах атомных ядер и стро¬ении вещества. Знание энергии бета-излучения необходимо для многих научных и практических целей. В отличие от альфа-частиц бета-частицы, испускаемые каким-либо радиоактивным веществом, имеют непрерывный, энергети¬ческий спектр, в котором представлены бета-частицы, имеющие все значения кинетической энергии от нуля до некоторого макси¬мального значения. Бета-распадом называется самопроизвольное превращение атомного ядра, при котором его заряд (Z) меняется на единицу, а массовое число (А) остается неизменным.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ АЛЬФА-ЧАСТИЦ С ВЕЩЕСТВОМ

История открытия и изучения альфа-частиц связана с именем Резерфорда. При помощи альфа-частиц Резерфорд проводил исследования большинства атомных ядер.

Альфа-частицы это атомы гелия, потерявшие два электрона, т.е. ядра атома гелия

Ядро гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов устойчиво, частицы связаны в нем прочно.

В настоящее время известно более 200 альфа активных ядер, главным образом тяжёлых (А > 200, Z > 82 ), исключение составляют редкоземельные элементы (А=140-160). Примером альфа распада может служить распад изотопов урана:

Скорости, с которыми альфа-частицы ,, вылетают из распавшегося ядра, очень велики и колеблются для разных ядер в пределах от 1,4 х 107 до 2,0x10' м/с, что соответствует кинетическим энергиям этих частиц 4—8,8 МэВ. Альфа-частицы в состав ядра не входят, и, по современным представлениям, они образуются в момент радиоактивного распада при встрече движущихся внутри ядра 2-х протонов и 2-х нейтронов.

Пролетая через вещество, альфа-частицы постепенно теряют свою энергию, затрачивая ее на ионизацию газов. Причём в начале пути, когда энергия альфа-частиц велика, удельная ионизация меньше, чем в конце пути.

Под пробегом частицы в веществе понимается толщина слоя этого вещества, которую может пройти эта частица до полной остановки. Пробег частиц в основном определен для тяжелых частиц, т.к. их путь представляет прямую линию с наименьшим рассеянием. Пробег альфа-частиц зависит как от энергии частиц, так и от плотности вещества, в котором они движутся.

По пробегу альфа частицы можно определить ее энергию.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ БЕТА-ЧАСТИЦ С ВЕЩЕСТВОМ

Бета-распад происходит, когда замена в атомном ядре ( нейтрона на протон энергетически выгодна, и образующееся новое ядро имеет большую энергию связи. Бета-излучение состоит из бета-частиц (электронов или позитронов), которые испускаются при бета-распаде радиоактивных изотопов. Электроны не входят в состав ядра и не выбрасываются из оболочки атома, при электроном бета- распаде происходит превращение нейтрона в протон с одновременным образованием электрона и вылетом антинейтрино. При этом заряд ядра и его порядковый номер увеличиваются на единицу. Электронный распад характерен для ядер с избыточным числом нейтронов. Примером электронного бета-распада может служить распад стронция:

При позитронном бета-распаде происходит превращение протона в нейтрон с образованием и выбросом из ядра позитрона. Заряд и порядковый номер ядра уменьшаются на единицу. Позитронный бета-распад наблюдается для неустойчивых ядер с избыточным числом протонов. Примером позитронного бета-распада может служить распад радионуклида натрия:

К бета-распаду относится также электронный захват (е-захват), т.е. захват атомным ядром одного из электронов своего атома. При этом один из протонов ядра превращается в нейтрон и испускается нейтрино. Возникшее ядро может оказаться в возбужденном состоянии.

Переходя в основное состояние оно испускает гамма-фотон. Место в электронной оболочке, освобожденное захваченным электроном, заполняется электронами из вышестоящих слоев, в результате возникает рентгеновское излучение.

Ионизи́рующее излуче́ние — в самом общем смысле — различные виды микрочастиц и физических полей, способные ионизировать вещество. В более узком смысле к ионизирующему излучению не относят ультрафиолетовое излучение и излучение видимого диапазона света, которое в отдельных случаях также может быть ионизирующим. Излучение микроволнового и радиодиапазонов не является ионизирующим.