Шпора по физике [3 семестр]. Интерференция света световая волна
 Скачать 1.6 Mb.
|
ПРИМЕНЕНИЕ ЯВЛЕНИЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ1) определение упругих напряжений в деформированных образцах. 2) исследование структуры твердых веществ в поляризованном свете. 3) Экспресс анализ с помощью явления вращения плоскости поляризации. 4) исследование быстро протекающих процессов с помощью явления Керра (запись и воспроизведение звука, кенетика химических процессов и т.д.). ЯВЛЕНИЕ ДИСПЕРСИИ СВЕТАДисперсия света (ДС) – явление обусловленное зависимостью показателя преломления от длины волны. Для простоты в дальнешем рассмотрим преломление света на границе вакуум-данная среда, т.е. будем рассматривать зависимость абсолютного показателя преломления от длины волны n=f(λ). Дисперсия вещества (ДВ) – физическая величина, показывающая как быстро показатель преломления изменится с изменением длины волны. Если для двух длин волн λ1 и λ2, показатель преломления n1 и n2, то средний дисперсией в этом интервале будет ν(в)=(n2-n1)/(λ2-λ1)=∆n/∆λ; ∆λ0, ν=dn/dλ. Для большинства прозрачных сред n монотонно убывает с увеличением длины волны. Из графиков следует, что n наиболее резко изменяется в области коротких длин волн => DB резко изменяется в области коротких длин волн. n=f(λ)=A+B/λ(c.2), где A и B – const, характеризующие природу вещества, ν= - 2B/λ(c.3). ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕОРИЯ ДИСПЕРСИИ СВЕТА Дисперсия света, как и поляризация света, объясняется взаимодействием света с веществом. Будем рассматривать свет в рамках электро-магнитной теории Максвелла, а вещество в рамках электромагнитной теории Лоренца. Согласно Лоренцу, вещество представляет собой совокупность зарядов (электронов и ионов), совершающих колебания около положения равновесия называются собственной частотой колебаний ω0. Электрон, совершающий колебания, испускает вторичные излучения => колебания электрона являются затухающими. Затухание колебаний электронов можно учесть, вводя коэффициент затухания, пропорциональный скорости колебания электрона. Предположим, что из вакуума в данную среду распространяется световая волна, напряженность которой меняется по закону: E=Eo sinωt (1). Световая волна вызвает вынужденные колебания электронов, уравнения которых можно записать в виде x=Asinωt (2). A – амплитуда вынужденных колебаний, ω – частота вынужденных колебаний. Из (2) следует, что частота вынужденных колебаний совпадает с частотой колебаний в падающей волне. A=e*Eo / m √(ω0(c.2) - ω(c.2))(c.2)+2β(c.2)ω(c.2)` (3). ω0 – частота собственных колебаний электрона в веществе, ω – частоты вынужденных колебаний, β – коэффициент затухания колебаний. tgφ=2βω/(ω0(c.2) – ω(c.2)) (4) – фаза колебаний. Электрон, совершающий вынужденные колебания, исспускает вторичные электро-магнитные волны той же частоты, что и частота падающего света. Это вторичное излучение налагается на падающею световую волну интерферирует с ней. В результате в веществе распространяется результирующая волна, скосроть которой ν отлична от скорости c в вакууме. Отличие между ν и c тем больше, чем сильнее амплитуда вынужденных колебаний => чем ближе частота падающей световой волны к частоте собственных колебаний электрона вещества. c/ν=n. Т.о. n зависит от частоты падающей световой волны опосредованно. Так качественно можно определить явление дифракции света. Установим кол-ую связь. Для простоты пусть в (3) β=0. Тогда A=e*Eo/m(ω0(c.2) – ω(c.2)) (5). Под действиям поля падающей световой волны электрон смещается на расстояние х. x=Asinωt (6). В следствии смещения электрона, атом приобретает дипольный момент p=ex (7). Если в единице объема вещества содержится N атомов, то она приобретает эл. момент. p(в)=N*p – N*e*x (8), который связан с диэлектрической восприимчивостью. p(в)=X*E(в) (9), ε=1+4π X= 1+4π р(в)/E(в)= 1+(4πN e A sinωt)/(E0 sinωt)= | =1+((4 π N e(c.2))/m)*(1/(ω0(c.2) – ω(c.2))) (10), n=√ε` (11), n( c.2)=ε=1+ ((4πN e(c.2))/m)*(1/(ω0(c.2) – ω(c.2))) (12) Если а том содержит не один электрон, а несколько с собственными частотами и ω0i; n(c.2)= 1+((4πN e(c.2))/m)*Σ(ni/(ω0i(c.2) – ω(c.2)) (13); ω=2πν=2πc/λ; n(c.2)=1+ (4πN e(c.2) / 4π(c.2)c (c.2)m) * *Σ(ni / (1/λ0i(c.2) – 1/λ(c.2))) (14) Анализ выражения (13), (14): 1. ω<<ω0, Σ0, n(c.2)1; 2. ω<ω0, n(c.2)+∞; 3. ω>ω0, n(c.2) - ∞; 4. ω>>ω0, n(c.2)const. При приближении частоты световой падающей волны к частоте собственных колебаний, амплитуда вынужденных колебаний резко возрастает и энергия поглощенной световой волны переходит в энергию внешних хаотических столкновений атомов и молекул, т.е. в тепловую энергию. Т.е. при совпадении ω=ω0 происходит max проглощение света веществом. Показатель преломления принимает конечное значение в областях, удаленных от линии поглощения. При приближении к линии поглощения слева (ω<ω0), n аномально резко возрастает до +∞, при приближении справа (ω>ω0), n - ∞. Зависимость n от ω между двумя линиями поглощения предает ход дисперсии для большинства оптически прозрачных веществ. Это область нормальной дисперсии. Аномальная дисперсия включает общий ход дисперсии, это аномальный ход дисперсии. ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА Световая волна несет с собой энергию. Проходя через вещество энергия частично переходит в энергию колебаний атомов и молекул, которые под действием этой энергии излучают вторичное излучение. Это излучение интерферирует с падающей волной и изменяет скосроть распростронения световой волны в веществе. Если среда идеальна, то вся поглощенная энергия световой волны излучается в виде вторичного излучения. В реальных средах не вся поглощенная энергия световой волны испускается в виде вторичного излучения. Часть ее переходит в другие виды энергии, в частности в тепловую. Т.о. свет, проходя через вещество, в той или иной мере поглощается веществом. Поглощение носит селективный (избирательный) характер. (пример: цветное стекло). Пропускает красный свет и поглощает остальные. Имеем слой поглощения вещества толщиной L, на который падает луч с Jo. Выделим в слое бесконечно тонкий, слой dL, ограниченный плоскостями, перпендикулярными к падающему излучению на слой падает свет с J’. – dJ’=kdLJ’; k – коэффициент поглощения, dJ’/J’= -- kdL, L=0, J’=Jo, L=L, J’=J; ∫[0 – L] dJ’/J’= --k∫[0 - L]dL ; lnJ – lnJo= --kL; k=ln(Jo/J)/L; J=Jo e(c. –kL) – закон Бугера (1). Как изменяется интенсивность излучения, прошедшего через слой поглощающего вещества толщиной L. Коэффициент поглощения характерен для данного вещества, имеет определенный физический смысл. k – величина, обратно пропорциональная толщине такого поглощающего слоя, при котором интенсивность падающего на слой излучения уменьшается в e раз. Если в качестве поглощающегося вещества используется раствор в прорзрачном растворителе, то интенсивность поглощенного излучения будет зависить от числа поглощающих молекул, приходящихся на единицу длины световой волны, т.е. от концентрации раствора. k=f(c), k=ε*c. ε – новый коэффициент поглощения, не зависящий от концентрации. ε – коэффициент экстинкции. В этом случае (1) будет J=Jo*e (c. – εcL) (2) – закон Ламберта-Бера. Утверждение, что ε не зависит от концентрации, носит название закона Бера. Закон Бера выполняется для таких растворов, в которых наличие всех остальных молекул поглощащего вещества не меняет свойств рассматриваемой молекулы. При увеличении концентрации раствора, соседние молекулы начинают оказывать влияние на данную молекулу. И в этом случае наблюдается отступление от закона Бера. ε=f(c). Отступление от закона Бера используется при излучении различных межмолекулярных взаимодействий в жидкостях и растворах. Как k, так и ε являются функцией длины волны. Если изобразить зависимость k от длины волны, то она представится совокупонстью областей с сильным поглощением. При рассматрении явления диспрсии света, выяснили, что в области аномальной дисперсии, там где происходит совпадение частоты или длины волны собственных колебаний электрона с длинной волны или частотой падающего света, происходит максимум поглощения света веществом. Т.о. вещество поглощает те частоты, которые совпадают с частотами собственных колебаний электронов вещества. Эта зависимость лежит в основе адсорбционного спектрального анализа. КВАНТОВО-ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ 1900г – Планк – гипотеза о квантах ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ СРЕДИ ДРУГИХ ТИПОВ ИЗЛУЧЕНИЯ Излучая любое тело теряет свою энергию. Для того, чтобы излучение длилось долго, необходимо восполнять убыль внутренней энергии. В зависимости от способа восполнения энергии от способа восполнения энергии можно классифицировать известные излучения по типам. Типы излучения: 1) хемолюминесценция. Свечение твердых тел в результате протекающей химической реакции. 2) фотолюминесценция. Свечение твердых и жидких тел под действием предварительного облучения. За счет этого облучения вещество преобретает энергию активаци, за счет которой происходит излучение. 3) электролюминестенция. Свечение газов и паров под влиянием протекающего электрического заряда. Энергия, необходимая для свечения поставляется атомам и молекулам газов и паров при соударении их с электронами боших энергий. 4) катодолюминесценция. Свечение твердых тел при бомбардировки их электронами. 5) электро-магнитное излучение нагретых тел (тепловое излучение). Занимает особое место среди всех известных типов излучения тем, что оно может быть равновестным. Пусть во внутрь замкнутой полости S с отражающими стенками поместили нагретое тело А. Излучение, испускаемое телом А, не будет распространяться в пространстве. Отражаясь от стенок полости оно частично поглощается телом так, что с течением времени распределение энергии между телом и полостью будет оставаться неизменным. Система называется РАВНОВЕСТНОЙ, если с течением времени распределение энергии между телом и системой не меняется. |