Лекция 19 Квантовая природа света 1 Типы спектров

Лекция 19. Квантовая природа света 1. Типы спектров. Спектральный 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. анализ Инфракрасное и ультрафиолетовое излучение Законы теплового излучения Источники теплового излучения Фотоэффект. Поглощение света. Люминесценция Восприятие света

Поперечный срез обыкновенного коммерческого льда снятый в условиях поляризованного света

1. Типы спектров. Спектральный анализ § Совокупность простых, монохроматических § § электромагнитных волн, составляющих данное излучение, называется его спектром. Спектр, в котором представлены все длины волн, называется непрерывным Монохроматическое излучение характерно для атомов и дает спектр в виде узких линий Излучение, состоящее из различных монохроматических волн, дает линейчатый спектр. Если близко расположенные линии сливаются в более или менее широкие полосы, то спектр называется полосатым.

Спектры солнечного излучения, водорода, гелия, ртути

Типы спектров § Спектры, образуемые излучением нагретых тел или при электрическм разряде в атмосфере паров и газов, называются спектрами испускания, или эмиссионными. § Совокупность темных полос или линий, образующихся в сплошном спектре белого света при прохождении его сквозь данную среду, называется спектром поглощения, или абсорбционным спектром данной среды. § Пары или газы поглощают излучение тех же длин волн, которые они испускают. Подобные спектры называются обращенными.

Солнечный спектр с линиями поглощения

Спектральный анализ § Каждое вещество имеет специфический спектр § По спектру вещества может быть определен его качественный (по длине волны) и количественный (по интенсивности) состав. § Спектр поглощения называется зависимость интенсивности поглощения от длины волны поглощения.

2. Инфракрасное и ультрафиолетовое излучение § Инфракрасное излучение - широкая от 400 мкм до § § § 750 нм Не вызывает зрительных ощущений, но длительное воздействие на глаз может повредить. Поглощается обычным стеклом за исключением узкого интервала, примыкающего к видимой области, водой и парами воды, проходит через эбонит и каменную соль. В основном вызывает тепловое действие. Может стимулировать некоторые химические процессы. Действует на фотоэмульсию специального состава и используется для фотографирования в темноте.

Пейзаж в ближнем ИК (780 -820 нм) волновом диапазоне - водопад Tahquamenon

Пейзаж в расширенном (Видимый + ИК) (380 -820 нм) волновом диапазоне.

Пейзаж в заповеднике Кара-Даг (Крым). Снимок сделан на ИК черно-белую пленку, которая чуствительна к свету в ИК части светового спектра, невидимого невооруженным взглядом

Ультрафиолетовое излучение § Ультрафиолетовое излучение – широкая § § § область от 400 нм до 2 нм (граница рентгеновского излучения) Разделяется на ближнее – от 400 до 200 нм, и дальнее (вакуумное) – от 200 до 2 нм В значительной степени поглощается стеклом, но при длине волны короче 200 нм проходит через кварц, каменную соль, плавиковый шпат. При длине волны менее 180 нм поглощается воздухом, а короче 120 нм – практичски любыми веществами.

Ультрафиолетовое излучение § Не вызывает зрительного ощущения, но обладает сильным биологическим действием. § В ткани организма проникает неглубоко – от 0. 1 до 10 мм. Вызывает сложную биологическую воспалительную реакцию – эритема. § УФ излучение с длиной волны менее 300 нм сильно поглощается озоном.

Биологическое действие § Зона А – антирахитная. 315 - 380 нм. § Зона Б – эритемная. 280 - 315 нм. § Зона С – 200 - 218 нм. Дезинфекция

Свечение одуванчика в ближнем УФ

Появление эффекта цветовой двухзонности у цветов в ближнем УФ (330 -380 нм) волновом диапазоне.

Законы теплового излучения § Тело, способное поглощать полностью при любой температуре все падающее на него излучение, называется абсолютно черным телом. § Спектральная поглощательная способность черного тела для всех частот и температур тождественно равна единице.

Искусственное черное тело

Параметры теплового излучения § Спектральная плотность энергетической светимости – мощность свечения с единицы площади поверхности тела в интервале частот единичной ширины § энергия ЭМ излучения, испускаемого за единицу времени с единицы площади поверхности тела в интервале частот от v до v+dv

Параметры теплового излучения § Способность тел поглощать падающее на них излучение характеризуют спектральной поглощательной способностью § показывает, какая доля всей энергии, приносимой за единицу времени на единицу площади поверхности тела падающими на нее электромагнитными волнами с частотой от v до v+dv , поглощается телом.

Закон Кирхгофа § Отношение спектральной плотности энергетической светимости к спектральной поглощательной способности не зависит от природы тела; оно является для всех тел универсальной функцией частоты волны и температуры

§ Распределение энергии по длинам волн в излучении абсолютно черного тела при заданной температуре T характеризуется излучательной способностью r (λ, T), равной мощности излучения с единицы поверхности тела в единичном интервале длин волн. § Произведение r (λ, T) Δλ равно мощности излучения, испускаемого единичной площадкой поверхности по всем направлениям в интервале Δλ длин волн. § Распределение энергии по частотам r (ν, T) называют спектральной светимостью,

Светимость тела § полный поток R (T) излучения всех длин волн называют интегральной светимостью тела

Тепловое излучение § Наиболее интенсивно излучают те тела, которые обладают наибольшей поглощающей способностью к поглощению данного излучения. § При данной температуре нагретое тело излучает волны, которые оно наиболее интенсивно поглощает.

Спектральное распределение r (λ, T) излучения черного тела при различных температурах

Закон Стефана-Больцмана § энергетическая светимость черного тела пропорциональна четвертой степени его термодинамической температуры

Закон смещения Вина § длина волны , соответствующая максимальному значению спектральной плотности энергетической светимости r черного тела, обратно пропорциональна его термодинамической температуре

5. Фотоэффект § Фотоэлектрический эффект был открыт в 1887 году немецким физиком Г. Герцем и в 1888– 1890 годах экспериментально исследован А. Г. Столетовым. § Наиболее полное исследование явления фотоэффекта было выполнено Ф. Ленардом в 1900 г. § К этому времени уже был открыт электрон (1897 г. , Дж. Томсон), и стало ясно, что фотоэффект (или точнее – внешний фотоэффект) состоит в вырывании электронов из вещества под действием падающего на него света.

Схема экспериментальной установки для изучения фотоэффекта

Зависимость силы фототока от приложенного напряжения. Кривая 2 соответствует большей интенсивности светового потока. Iн 1 и Iн 2 – токи насыщения, Uз – запирающий потенциал

§ При достаточно больших положительных напряжениях на аноде A фототок достигает насыщения, так как все электроны, вырванные светом из катода, достигают анода. § Ток насыщения Iн прямо пропорционален интенсивности падающего света. § Когда напряжение на аноде отрицательно, электрическое поле между катодом и анодом тормозит электроны. § Анода могут достичь только те электроны, кинетическая энергия которых превышает |e. U|. Если напряжение на аноде меньше, чем –Uз, фототок прекращается.

Кинетическая энергия фотоэлектронов § Измеряя Uз, можно определить максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов § Величина Uз не зависит от интенсивности падающего светового потока. § Запирающий потенциал линейно возрастает с увеличением частоты ν света

Зависимость запирающего потенциала Uз от частоты ν падающего света

Законы фотоэффекта 1. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты света ν и не зависит от его интенсивности. 2. Для каждого вещества существует так называемая красная граница фотоэффекта, т. е. наименьшая частота νmin, при которой еще возможен внешний фотоэффект. 3. Число фотоэлектронов, вырываемых светом из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности света. 4. Фотоэффект практически безынерционен, фототок возникает мгновенно после начала освещения катода при условии, что частота света ν > νmin.

§ Свет имеет прерывистую (дискретную) структуру. § § § Электромагнитная волна состоит из отдельных порций – квантов, впоследствии названных фотонами. При взаимодействии с веществом фотон целиком передает всю свою энергию hν одному электрону. Часть этой энергии электрон может рассеять при столкновениях с атомами вещества. Кроме того, часть энергии электрона затрачивается на преодоление потенциального барьера на границе металл–вакуум. Для этого электрон должен совершить работу выхода A, зависящую от свойств материала катода. Наибольшая кинетическая энергия, которую может иметь вылетевший из катода фотоэлектрон, определяется законом сохранения энергии:

6. Поглощение света § Процесс постепенного уменьшения мощности световой волны при прохождении через вещество за счет возбуждения колебаний электронов. § Закон Бугера: Поглощение монохроматического параллельного пучка света происходит таким образом, что в каждом последующем слое вещества одинаковой толщины поглощается одна и та же часть падающего на него светового потока независимо от его абсолютной величины

Свет (интенсивности I 0) проходит через раствор толщины l

Поглощен света § I 0 — интенсивность входящего пучка, l — толщина слоя вещества, через которое проходит свет, kλ — показатель поглощения (часто неправильно именуется коэффициентом поглощения). § Показатель поглощения характеризует свойства вещества и зависит от длины волны λ поглощаемого света. Эта зависимость называется спектром поглощения вещества

7. Люминесценция § Люминесценция - неравновесное излучение, избыточное при данной температуре над тепловым излучением тела, и имеющее длительность, большую периода световых колебаний

В зависимости от способов возбуждения § фотолюминесценция (под действием света), § рентгенолюминисценция (под действием § § § рентгеновского излучения), катодолюминисценция (под действием электронов), электролюминесценция (под действием электрического поля), радиолюминисценция (при возбуждении гаммаизлучением, нейтронами, протонами), хемилюминисценция (при химических превращениях), биолюминисценция (при химических реакциях биологических объектов).

По длительности свечения § флуоресценцию (t<10 -8 с) § фосфоресценцию - свечение, продолжающееся заметный промежуток времени после прекращения возбуждения

Правило Стокса § Д. Стокс в 1852 г. сформулировал правило: длина волны люминесцентного излучения всегда больше длины волны света, возбудившего

Люминесцирующее насекомое рядом с соплодием гравилата

8. Восприятие света § Человеческий глаз способен работать при очень больших колебаниях яркости. Приспособление глаза к различным уровням яркости называется адаптацией. § Различают световую и темновую адаптации. § Световая адаптация — снижение чувствительности глаза к свету при большой яркости поля зрения. Механизм световой адаптации: работает колбочковый аппарат сетчатки, зрачок суживается, зрительный пигмент подымается с глазного дна.

Восприятие цвета § Темновая адаптация — повышение чувствительности глаза к свету при малой яркости поля зрения. Механизм темновой адаптации: работает палочковый аппарат, зрачок расширяется, зрительный пигмент опускается ниже сетчатой оболочки. При яркостях от 0, 001 до 1 кд/кв. м происходит совместная работа палочек и колбочек. Это так называемое сумеречное зрение. § Яркость спектральных цветов, воспринимаемая зрением, (видность) зависит от их цветового тона. Самым ярким (светлым) нам кажется желтый цвет, самыми темными — красный и фиолетовый.

Относительная спектральная чувствительность глаза к излучениям различных длин волн (так называемая кривая видности)

Зависимость цветового тона от освещенности (яркости). § При нормальной дневной освещенности рассеянным светом хорошо воспринимаются все цвета спектра. § Если освещенность снижается (сумеречное состояние), то красный, зеленый и синий цвета сохраняют свой цветовой тон, а промежуточные между ними изменяются в направлении сближения с основными.

Явление Бецольда — Брюкке, Эбнея § В сгущающихся сумерках последним исчезает синий цвет, превращаясь в белесый, а красный превращается в черный. Изменение цветов при уменьшении их яркости называют явлением Бецольда — Брюкке. § При сильном увеличении яркости происходит сдвиг цветового тона всех спектральных цветов к голубому и желтому; это называется явлением Эбнея

Спектр оптического пропускания синтетического кварцевого стекла Suprasil 300, оптического стекла BK 7 и обычного стекла. Спектр видимого света лежит примерно в пределах от 400 нм до 800 нм