Можна показати, що 7 страница

Важливе значення світлової енергії проявляється і у його хі мічній дії:

1.Фотосинтез засвоєння рослинами вуглекислоти з повітря під дією світла. Листя рослин з допомогою хлорофілу поглинають вуглекислий газ та виділяють кисень.

2.Зорове відчуття. У сітчатці ока існує близько 120 мли. "паличок" - світлочутливих клітин. Речовина, яка заповнює їх під дією світла розкладається подразнюючи при цьому нервові закінчення та викликає зорові відчуття. Крім "паличок" у сітчатці міститься близько 6 млн. "колбочок" - світлочутливих клітин трьох видів, що реагують на світло одного з кольорів червоного, зеленого та синього.

3.Фотографування. Під дією світла відбувається розкладання бромистого срібла на частинки чистого срібла.

У 1887 р. Г.Герц спостерігав, що при опроміненні ультрафіолетовим промінням іскрового проміжку вібратора, іскри проскакують краще. Цей влив па розряд світла назвали фотоефектом. Явище фотоефекту можна спостерігати при опроміненні світлом зарядженої цинкової пластини па електроскопі. Якщо пластинка заряджена негативно, то заряд різко падал. Коли вона заряджена позитивно, то зміна заряду майже не спостерігається. Отже, при освітленні з пластинки вилітають електрони.

Зовнішнім фотоефектом називається виліт електронів з речовини під дією падаючого на неї світла. Фотоефект можна досліджувати з допомогою вакуумного приладу - фотоелементу (див. схему). Між катодом і анодом фотоелементу створюється електричне поле. Тому електрони, що

випускаються катодом під впливом падаючого па нього світла, рухаються до аноду, створюючи фотострум. Величину фотоструму фіксують гальванометром. Напругу між електродами фотоелементу регулюють потенціометром. Якщо при незмінному світловому потоці, що падає на катод, поступово збільшувати напругу, то фотострум спочатку збільшується, а потім встановлюється незмінним. Це відбувається, коли всі електрони, вирвані світлом з катоду, досягають анода.

Найбільша сила струму, що виникає при постійному світловому потоці називається фотострумом насичення. При збільшені світлового потоку величина фотоструму насичення збільшується, адже при цьому вибивається з катода більше електронів.

Перший закон фотоефекту: сила фотоструму насичення прямопропорційпа падаючому на фотокатод світловому потоку.

При зменшенні напруги між електродами до нуля, фотострум не припиняється. Отже, світло надає електронам кінетичної енергії і вони досягають анода. Якщо поміняти полярність на електродах, то створена напруга протидіятиме рухові електронів між електродами. При деякому значенні затримуючої напруги фотострум припиниться. Це значить, що навіть самі швидкі електрони не можуть подолати енергію електричного поля.

Кінетичну енергію електронів знаходять з рівняння:

Якщо на фотокатод направити випромінювання з більшою частотою хвилі, то фотострум знову з'являється.

Д ругий закон фотоефекту: кінетична енергія вирваних випромінюванням електронів не залежить від освітленості поверхні, а визначається лише частотою випромінювання.

Найменша частота ν_ч, або найбільша довжина хвилі λ_ч, при якій ще можна спостерігати фотоефект називається черво ною ме жею фотоефекту.

Червона межа різна для фотокатодів з різних матеріалів.

Третій закон фотоефекту: червона межа визначається тільки матеріалом електрода і не залежить від інтенсивності випромінювання.

Відповідно до теорії А.Ейнштейна енергія кванту світла повністю передасться електрону. Кожен квант світла передає свою енергію лише одному електрону. Ця енергія йде па роботу по виходу електрона з речовини та наданню йому кінетичної енергії.

Рівнянн я Ейнштейн а: або

Звідси розрахуємо червону межу фотоефекту (коли v=0):

У 1873р. англійські електрики Мей та Сміт при випробуваннях підводного човна в якості ізоляції використали селен. Мей замітив, що при освітленості опір селену зменшується. У звичайних умовах селен, як напівпровідник, струм пе проводить. При опроміненні світлом електронів, вони стають вільними носіями заряду.

Генерування вільних носіїв зарядів у напівпровіднику при опроміненні його світлом називається внутрішнім фотоефектом.

ТЕМА: ОПТИКА

Лекція XХХХ

ПЛАН

1. Інтерференція монохроматичних хвиль.

2. Інтерференція світла у тонких плівках.

3. Кільця Ньютона.

1. Інтерференція - це явище накладання світлових хвиль, унаслідок чого в одних точках простору виникає підсилення цих хвиль, а в інших - їх послаблення.

Когерентним и називаються світлові хвилі з однаковою частотою та різницею фаз.

Досліди показують, що когерентними можуть бути тільки промені, що йдуть від одного джерела світла. Для отримання когерентних світлових променів використовують біпризму та бідзеркала Френеля, білінзу Бийє, щілини Юнга та ін.

Кут 2ω називають апертурою інтерференції.

Найбільш чітка інтерференційна картина спостерігається від монохроматичного світла (з однією частотою). Таке світло отримують з допомогою світлофільтра.

Інтерференція світла це утворення у просторі максимумів та мінімумів інтенсивності світла внаслідок накладання когерентних хвиль.

2. Відстань між максимумом і мінімумом ліній залежить від довжини світлових хвиль та різниці ходу хви ль від уявних когерентних

Інтерферувати можуть тільки когерентні хвилі. Запишемо умови когерентності хвиль:

1) монохроматичність - це хвилі з однаковою довжиною хвилі або з однаковою частотою: l₁ = l₂ =...= l_n = const,

w₁ = w₂ =... = w_n = const.

2) різниця фаз не змінюється з часом

D j = const;

Зробимо математичний опис умов інтерференції. Введемо оптичну довжину шляху L:

L = n S, (4)

n- відносний показник заломлення

S- геометрична довжина шляху.

Якшо один промінь проходить шлях L₁, а другий - L₂, тоді:

D = L₂ - L₁ - оптична різниця ходу.

Запишемо загальні умови інтерференції:

Якщо (5а), маємо інтерференційний максимум,

(5b), маємо інтерференційний мінімум

l - довжина хвилі,

К - ціле число, яке вказує на порядок максимуму або мінімуму.

3. Маємо плівку, на яку падає пучок паралельних променів під кутом a, товщина плівки d, показник заломлення речовини плівки n.

2 1’

1 a a Д 2’

A B₁ C

g

d, n gВ

Оптична різниця ходу променів має вигляд:

Втрата l/2 виникає за рахунок відбивання світла від оптично більш густішого середовища.

АВ = ВС = d/cosg

ДС = АС sina; AC = АВ₁ + В₁С = 2АВ₁

АВ₁ = d tgg

АС = 2 d tgg

ДС = 2 d tgg sina

D = 2dn/cosg - 2d tgg sina - l/2

З урахуванням , , маємо:

(6) - оптична довжина ходу.

Якщо , то маємо - max,

, то маємо - min у відбитому світлі, а в прохідному - буде навпаки.

Оскільки у даному випадкові інтерференційну картину одержано внаслідок падіння променів на плівку під одними і тими ж кутами (a = const), то одержані інтерференційні полоси мають назву полоси рівного нахилу. Необхідною умовою їх одержання є стала товщина плівки (d = const).

4. А якщо a ¹ const, тоді інтерференційна картина буде називатися полосами рівної товщини. Приклад цього - кільця Ньютона. Два промені, які вийшли з S будуть мати оптичну різницю ходу D за рахунок різного пройденого шляху.

K- номер кільця.R- радіус кривизни лінзи. *

2R

r_max =

r_min =

r d

Лекція XХХХІ

ТЕМА: ОПТИКА

ПЛАН

1. Дифракція на круглому отворі, дискові.

2. Дифракція на одній щілині. Дифракційна решітка.

1. Дифракція - це явище відхилення світла від прямого поширення, яке виникає у середовищи із різко вираженими неоднорідностями (а ~ l; l ³ а, де а - розмір перешкоди).

Основні положення принципу Гюйгенса:

а) кожна точка хвильового фронту хвилі є джерелом нових сферичних хвиль;

б) результуюча хвиля у будь-який час являє собою результат інтерференції всіх вторинних хвиль.

Цей принцип однак не дає методу знаходження результуючої амплітуди у будь-якій точці простору. Це дає метод зон Френеля.

Метод зон Френеля:

Відповідно до закону прямолінійного поширення світла за непрозорими тілами утворюється тінь. Якщо розміри перешкоди співрозмірпі з довжиною хьилі, то світло огинає краї перешкоди, відхиляючись від прямолінійного поширення. Явища прямолінійного

поширення світла та огинання ним перешкод пояснюється принципом Гюйгепса-Френеля. Згідно принципу Гюйгенса всі точки поверхні через яку проходить фронт хвилі, розглядаються як джерело вторинних хвиль. Отже, точки А, К і М фронту світлової хвилі є джерелами вторинних хвиль. Елементи хвиль від цих точок, що поширюються у зворотному напрямку "гасяться" наступними хвилями від джерела Я. Вторинні хвилі, що поширюються у бокових напрямках "гасяться" сусідами. Тому залишається можливий лише прямолінійний напрямок поширення хвиль, що і є підтвердженням закону прямолінійного поширення світла. Оскільки перешкода (наприклад, не прозорий круг) А В відсікає нижню частину фронту хвилі від джерела 8, то вторинні хвилі (утворені в точці А), що поширюються в межах кута САВ, гаситись не будуть.

Дифракція - це огинання світловими хвилями перешкод. Чим менша перешкода у порівнянні з довжиною хвилі, тим помітніше явище дифракції.

Френелем був доповнений принцип тим, що вторинні хвилі когерентні, а тому можуть іптерферувати. Прн прямоліній­ному поширені світла на екрані мала б бути тінь СД від круга АВ. Проте при достатній відстані від диска до екрана на ньому спостерігається інтерференції внаслідок накладання вторинних хвиль, що йдуть від точок А і В.

У точці О спостерігається їх максимум, оскільки ОА= OB і хвилі приходять з однаковою фазою. Підсилення світла спостерігається і в точці О₁, якщо різниця ходу променів до неї рівна цілому числу довжин хвиль:АО₁ – BO₁ = kλ

Для покращення умов спостереження явища дифракції користуються дифракційною решіткою.

Розглянемо дифракційну ґратку – систему щілин, розділених непрозорими проміжками:

Відстань між початками двох сусідніх щілин називається періодом решітки (стала решітки).

Нехай пучок променів перпендикулярно падає па решітку. З прямокутного трикутника ABC маємо: АВ~ВС sinφ. Для отримання

максимуму на екрані потрібно, щоб у точках А і С фази хвиль співпали, тобто АВ=кλ.

Умова максимуму: max: d sinj = ± 2k (l/2)

k = 0, 1, 2,...

Умова мінімуму (гасіння вторинних хвиль одна одної);

min: a sinj = ± 2k (l/2)

k = 1, 2, 3,...

Лекція XХХХІі

ТЕМА: ОПТИКА

ПЛАН

1. Полярізація світла

2. Дисперсія світла.

1. Поляризація - фізична характеристика оптичного випромінювання, що описує поперечну анізотропію світлових хвиль.

Звичайне світло - світло, яке випромінюється будь-якими тілами (з точки зору поширення світла, у цьому випадку ми вважаємо, що випромінювання поширюється від великої кількості атомних систем речовини, тому напрямки коливань будуть розташовані в просторі хаотично).

Поляризоване світло - це світло, у якому напрямки вектора підпорядковані.

Частково поляризоване світло - таке світло, у якому з‘являються пріоритетні напрямки коливань .

Плоскополяризоване світло - світло, у якому (Н) коливаються в одній площині. Площина, у якій відбуваються коливання Е (і Н), - площина коливань, а площина, їй перпендикулярна, - площина поляризації.

    Е p/2

u

H

Яким чином перетворити звичайне світло в поляризоване?

Найпростіший засіб одержання поляризованого світла ґрунтується на відбиванні або заломленні світла від діелектричного середовища. Ефект поляризації у цьому випадкові спостерігається в тому, що хвильовий фронт із різними напрямками коливань по-різному відбивається або заломлюється, але у кожному випадкові і відбитий, і заломлений промені будуть частково поляризовані.

Ступінь поляризації визначається кутом падіння й описується законом Брюстера:

tg a _Бр = n₂₁ (1)

Відбитий промінь буде максимально поляризований (повністю плоскополяризований), якщо tg a = n_21.

Перетворення звичайного світла в плоскополяризоване можливе за допомогою поляризаторів - приладів, які пропускають коливання тільки одного пріоритетного напрямку. Із природних кристалів слід указати турмалін.

Якщо обертати аналізатор відносно напрямку поширення світла, можна змінювати його інтенсивність. Кількісна залежність зміни інтенсивності описується законом Малюса:

I = I₀ cos²a (2)

Інтенсивність світла І, яке вийшло з аналізатора дорівнюється інтенсивності світла І₀, яке вийшло з поляризатора, помножене на квадрат косинуса кута між оптичними осями кристалу (між площинами поляризації).

Властивості поляризації вико­ристовують:

1.Для захисту водіїв від осліплення фарами зустрічних автомобілів. При цьому на лобове скло та фари наклеюють поляроїдні плівки, так щоб вони були в паралельних площинах та під кутом 45 ⁰ до горизонту.

2.У приладах (цукрометрах) для визначення концентрації у розчинах оптично активних речовин (цукру).

3. Для визначення механічних напруг у прозорих тілах. Зразки (органічне скло) розміщують між поляроїдами. При пропусканій світла через них на екрані з'являються контури зразку. При деформаціях пластинки її оптична однорідність порушується і на екрані спостерігається кольорова картина деформацій

2. І.Нью­тон встановив, що біле світло має суцільний спектр з різних кольорів, які можна отримати за допомогою скляної призми.

Скляна призма розкладає біле світло на спектор кольорів. При цьому червоні промені відхиляються найменше, а фіолетові -найбільше від прямолінійного поширення. Це означає, що показник заломлення для променів різних кольорів відрізняється.n_чер< n_фіол

Отже і різна швидкість цих променів у середовищі v_чер >v_фіол, адже показник заломлення обернено пропорційний швидкості поширення світла.

Залежність показника заломлення середовища світлової хвилі (частоти) називається дисперсією світла.

n = f(l) (4) l = c/n

Дисперсією світла пояснюється поява веселки. Весел­ка спостерігається ко­ли у повітрі містяться краплі води. При певному куті падіння відбувається повне відбивання світла від внутрішньої сторони краплі. При цьому світло два рази заломлюється на границі новітря-вода. Оскільки промені різних кольорів заломлюються на різні кути, то ми бачимо розкладання світла на кольори спектру.

При змішуванні всіх кольорів видимого спектру ми можемо знову отримати біле світло. Це підтверджує дослід з кругом Ньютона, сектори якого пофарбовано у сім кольорів.

Проходження світла через прозорі тіла обумовлюється їхнім кольором. Світлофільтри кольорове скло, що пропускає промені лише одного кольору. Ми бачимо тіларізного кольору через те, що вони по різному відбивають білесвітло, що на них падає.

Лекція XХХХІіі

ТЕМА: ОПТИКА

ПЛАН

1. Спектри.

2. Спектральний аналіз.

Чутливі електричні термометри фіксують наявність теплової енергії за червонімо межею спектра.

Невидимі промені, що знаходяться у спектрі за червоними променями називаються інфрачервоними (тепловими). їх довжина хвиль змінюється у межах від 0,76 до 350 мкм та мають теплову дію.

За фіолетовою межею спектру також фіксується незначне нагрівання. Але в цій зоні більш вираженою є дія па світлочутливі фотопластинки.

Невидимі промені, що розташовані за фіолетовою частиною спектру називаються ультрафіолетовими. їх довжина від 0,4 до 0,005 мкм, вони мають значну хімічну дію.

Для спостереження спектрів користуються спектроскопами.

Прилад для фотографування спектрів називається спектрографом.

Спектри отриманні від тіл, що випромінюють світло, називаються спектрами випромінювання. Види спектрів: суцільний, лінійчатий, смугастий.

Неперервий спектр - випромінюють тіла в твердому та рідкому стані.

Лінійчатий спектр – випромінюють всі тіла в газоподібному атомарному стані.

Смугастий спектр – випромінюють всі тіла в молекулярному стані.

При проходженні білою світла через прозорі речовини деякі кольори поглинаються. Отримані при цьому спектри називаються спектрами поглинання.

Закон Кірхгофа: речовина поглинає промені тих довжин

світлових хвиль, які сама може випромінювати.

Кожен хімічний елемент має свій спектр випромінювання. Тому по лінійчатому спектру можна встановити склад речовин. Такий метод називається спектральним аналізом.

Лекція XХХХІv

ТЕМА: ОПТИКА

ПЛАН

1. Інфрачервоне випромінювання.

2. Ультрафіолетове випромінювання.

Чутливі електричні термометри фіксують наявність теплової енергії за червонімо межею спектра.

Невидимі промені, що знаходяться у спектрі за червоними променями називаються інфрачервоними (тепловими). їх довжина хвиль змінюється у межах від 0,76 до 350 мкм та мають теплову дію.

Їх випромінюють будь – які нагріті тіла, навіть коли вони не світиться. Наприклад батареї водяного опалення.

Використання:

- сушка деревини;

- В медицині;

- Прилади нічного бачення;

- Сигналізація;

- Тепловізори;

За фіолетовою межею спектру також фіксується незначне нагрівання. Але в цій зоні більш вираженою є дія па світлочутливі фотопластинки.

Невидимі промені, що розташовані за фіолетовою частиною спектру називаються ультрафіолетовими. їх довжина від 0,4 до 0,005 мкм, вони мають значну хімічну дію. Велику чуттєвість до цих променів відчувають фотоемульсія. Ці промені не викликають зорових відчуттів, але їх дія на сітчатку ока та шкіру дуже руйнівна. Ультрафіолетове випромінювання Сонця повністю поглинається атмосферою. Тому високо у горах не можна довго залишатися без темних окулярах та верхнього одягу.

Використання:

- Засмага;

- Під дією виробляється в організмі вітамін D;

- Бактерицидна дія на організм;

Лекція XХХХv

ТЕМА: ОПТИКА

ПЛАН

1.Рентгеновське випромінювання.

2.Шкала електромагнітного випромінювання.

1. Відкриття Х-променів у 1895р. приписується німецькому фізику В.Рентгену. Проте вчений українського походження Іван Пулюй ще у 1882 році проводив досліди з цим випромінюванням.

Х-промені невидимі, але викликають свічення деяких речовин та засвічують фотоматеріали. Ці промені отримують при гальмуванні швидко рухаючихся електронів. Під час руху електрони мають магнітне поле, оскільки їх рух є електричним струмом. При різкому гальмуванні в момент удару по перешкоді (анод), їх магнітне поле швидко змінюється, що викликає випромінювання електромагнітних хвиль. Довжина хвиль залежить від швидкості руху електронів до удару. Розганяють електрони у рентгенівській трубці дією потужного електричною поля. Воно створюється за рахунок напруги на катоді і аноді порядку 50000 -200000 В. Електрони випускаються розжареним катодом.

Оскільки швидкість електронів різна, то спектр випромінювання Х – променів суцільний. При ударах по аноду з його атомів можуть вибиватися електрони. На вільне місце переходять електрони з більш віддалених рівнів. Це зумовлює додаткове рентгенівське випромінювання з певною довжиною хвилі, що залежить від хімічного елементу. Таке

випромінювання називають характе­ристичним. Чим більший порядковий номер елемента в таблиці Менде­лєєва, тим коротша довжина хвилі. Легкі елементи не дають характе­ристичного випромінювання.

Характеристикою рентгенів­ського випромінювання є їх жорсткість чим менша довжина хвилі, тим випромінювання більш жорстке. Проникаюча здатність променів зростає із збільшенням їх жорсткості.

Властивості променів:висока проникаюча здатність, не відхиляються в електромагнітних полях, показник заломлення рівний одиниці.

Використовується рентгенівське випромінювання:

Дата добавления: 2014-01-04