ОПТИКА РАЗВИТИЕ ВЗГЛЯДОВ НА ПРИРОДУ СВЕТА XVII

ОПТИКА РАЗВИТИЕ ВЗГЛЯДОВ НА ПРИРОДУ СВЕТА

XVII век Возникли две теории света: корпускулярная (И. Ньютон) и волновая (Х. Гюйгенс). СВЕТ представляет собой поток световых частиц (корпускул), испускаемых светящимися телами СВЕТ – упругая волна, распространяющаяся в мировом эфире

XIX век 1864 г. - создание электромагнитной теории света СВЕТ – электромагнитные волны с длинной волны от λ=400 нм до λ=750 нм. О. ФРЕНЕЛЬ МАКСВЕЛЛ

XX век Сформулирована теория квантов, согласно которой свет излучается и поглощается квантами.

По современным представлениям свет - диалектическое единство частицы и волны. Шкала электромагнитных волн. (1 нанометр = 10 -9 м = 10 -3 мкм)

Спектр пропускания атмосферы

ВИН Вильгельм 1864 -1928 Нобелевская премия по физике (1911) Он не был внимательным учеником, предпочитая вместо подготовки домашних заданий бродить по полям, и учился плохо, особенно по математике.

Формула Планка Интенсивность излучения нагретого тела в зависимости от температуры и частоты определяется формулой: где I (ν)d ν — мощность излучения на единицу площади излучающей поверхности на единицу телесного угла в диапазоне частот от ν до ν+dν. Зависимость интенсивности излучения нагретого тела от длины волны

Зеркальное и рассеянное отражение

Закон Снелла (1621 год)

При переходе из вакуума в среду n=c/v (показатель преломления)

Поглощение света Поглощением света называется уменьшение интенсивности света при прохождении через вещество вследствие превращения энергии света в другие виды энергии. Интенсивность света это энергия, переносимая распространяющейся световой волной через единицу поверхности, перпендикулярной направлению распространения волны за единицу времени.

– натуральный коэффициент поглощения - доля энергии, поглощенной слоем вещества толщиной dx.

(1) Закон поглощения: в каждом последующем слое одинаковой толщины поглощается одинаковая часть потока энергии падающей на него световой волны независимо от его абсолютной величины.

(2)

Закон Ламберта-Бугера: Интенсивность прошедшего света прямо пропорциональна интенсивности падающего света и убывает по экспоненциальному закону с увеличением толщины слоя среды.

натуральный монохроматический коэффициент поглощения - величина, обратная толщине слоя вещества при прохождении через который интенсивность света уменьшается в е раз Единица измерения в системе СИ:

Закон Бера: При поглощении света веществом, растворенном в прозрачном растворителе (т. е. в растворителе, который не поглощает свет исследуемой длины волны) коэффициент поглощения пропорционален концентрации вещества. (3) - молярный коэффициент поглощения раствора единичной концентрации Закон Бера выполняется для растворов малой концентрации (при условии, что растворитель прозрачен).

Объединенный закон поглощения света: Поглощающая способность растворов определяется также 1. Коэффициентом пропускания: Коэффициент пропускания - отношение интенсивности света, прошедшего через раствор, к интенсивности падающего света.

2. Оптическая плотность среды:

Колориметрия C 0 d 0 Cx dx C 0 d 0=Cxdx

Рассеяние света. Закон Рэлея. Понятие о нефелометрии Рассеяние света наблюдается при наличии в среде оптических неоднородностей: 1. Мелкие инородные частицы в однородном прозрачном веществе. Такие среды называются мутными (дым, туман, пыль – эффект Тиндаля).

2. Флуктуации плотности вещества – оптические неоднородности, возникающие в чистом веществе из-за статистического отклонения молекул от равномерного распределения (молекулярное рассеяние) где, k - коэффициент поглощения k’ – коэффициент рассеяния света.

- закон Рэлея Интенсивность рассеянного света прямо пропорциональна частоте в четвертой степени (или обратно пропорциональна длине волны в четвертой степени). Закон справедлив при условии, что размеры неоднородностей порядка λ/5 или менее Для крупных неоднородностей:

Согласно Эйнштейну, голубой цвет неба объясняется статистическими колебаниями плотности молекул воздуха; Рэлей первоначально связывал это с дифракцией на самих (неравномерно распределенных) молекулах воздуха.

Нефелометрия: а) Метод определения концентрации вещества в коллоидном растворе (в узком смысле). б) Метод измерения рассеянного света с целью получения информации о направлении рассеянного света, его поляризации, спектре и др. (в широком смысле).

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА Световые волны поперечны, т. е. векторы напряженности электрического поля и индукции магнитного поля взаимно перпендикулярны и перпендикулярны направлению распространения света. Вектор называют световым вектором.

Естественный свет – это совокупность электромагнитных волн, в которых световой вектор ( ) колеблется по всем направлениям в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения света. Свет, в котором колебания светового вектора упорядочены каким-либо образом, называется поляризованным.

1. Линейно поляризованный свет – это совокупность электромагнитных волн, в которых колебания светового вектора совершаются по одной линии в плоскости, перпендикулярной направлению распространения света. v

y 2. Эллиптически поляризованный свет Ex Ey x y 3. Свет, поляризованный по кругу x

СПОСОБЫ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА 1. Двойное лучепреломление о е Все распространяющиеся в кристалле плоские монохроматические волны полностью линейно поляризованы в направлениях, которые определяются структурой кристалла.

В кристалле существует направление, вдоль которого нет двойного лучепреломления. Это направление называют оптической осью кристалла. Плоскость, проведенная через оптическую ось и падающий луч, называется главной плоскостью кристалла.

В анизотропном кристалле поглощение света зависит от ориентации светового вектора, т. е. обыкновенный и необыкновенный лучи поглощаются неодинаково. Это явление носит название дихроизма.

J 0 ½ J 0 Р – поляризатор Р А – анализатор

φ J 0 По закону Малюса:

2. Поляроиды 3. Призма Николя. е о исландский шпат канадский бальзам Обыкновенный луч испытывает полное внутреннее отражение от канадского бальзама, т. к. падает под углом, большим предельного на оптически менее плотную среду (n шпата =1, 66, а бальзама – 1, 55).

4. Поляризация света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков. Закон Брюстера. А В

А Угол В называется углом полной поляризац и определяется законом Брюстера:

Оптическая активность. При прохождении плоско поляризованного света через некоторые вещества наблюдается вращение плоскости поляризации света. Вещества, обладающие такой способностью, называются оптически активными Они подразделяются на 1. правовращающие; 2. левовращающие.

Свойством оптической активности обладают: некоторые кристаллы, например, кварц, органические кислоты, алкалоиды, сахара, белки, гормоны и некоторые антибиотики. В кристалле угол поворота плоскости поляризации пропорционален его толщине l : - постоянная вращения, которая зависит от природы оптически активного вещества и длины волны света.

Постоянная вращения численно равна углу поворота плоскости поляризации при = 1 м. В растворах оптически активных веществ: С – концентрация раствора; – удельная постоянная вращения величина, равная углу поворота плоскости поляризации в растворе толщиной 1 м при концентрации 1 Моль/л; Зависимость угла поворота плоскости поляризации от длины волны света называется вращательной дисперсией

Применение поляризованного света. Определение направления и величины угла вращения плоскости поляризации применяется при качественном и количественном анализе различных веществ.

Принципиальная схема сахариметра И СФ Л Р И - источник света Л – линза И СФ Л Р А СФ – светофильтр А

ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ МИКРОСКОП Поле зрения Микроскоп Анализатор Поляризатор Линза Источник света Гистологический срез ткани

ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ Все виды «холодного» свечения в отличие от излучения нагретых тел называются люминесценцией Люминесценцией называется излучение, избыточное над тепловым при условии, что это избыточное излучение обладает конечной длительностью (10 -10 и более секунд) (С. И. Вавилов).

ВИДЫ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ 1) хемилюминесценция; 2) катодолюминесценция; 3) электролюминесценция; 4) рентгенолюминесценция; 5) радиолюминесценция; 6) фотолюминесценция… При люминесценции энергия электромагнитных волн (механическая, электрическая, химическая) преобразуется в энергию света.

Фотолюминесценция 10 -8 с. поглощение флюоресценция

Т фосфоресценция

Правило Стокса. Вещество испускает свет, имеющей большую длину волны, чем свет, который вызывает явление фотолюминесценции. I

Применения люминесценции 1. Люминофоры 2. Люминесцентный анализ – определение природы и состава вещества по его спектру люминесценции 3. Люминесцентный микроскоп.

Оптические квантовые генераторы (лазеры) и их применение в медицине Е 2 Е 1

2 1 Е 2 Е 1 Условие усиления света: населенность уровня 2 должна быть больше населенности уровня 1.

Системы, в которых на более высоком уровне располагается больше атомов, чем на нижнем, называют системами с инверсной заселенностью уровней. лампа зеркальная поверхность полупрозрачное зеркало лампа

2 3 1 Т

Лазерное излучение характеризуется: 1. монохроматичностью; 2. когерентностью; 3. большой мощностью; 4. узостью пучка.

Применение лазерного излучения в медицине: • В хирургии; • В офтальмологии; • В онкологии.

РАДУГА Показатель преломления воды для длинноволнового (красного) света меньше, чем для коротковолнового (фиолетового), поэтому красный свет меньше отклоняется при преломлении.

Схема образования радуги 1) сферическая капля, 2) внутреннее отражение, 3) первичная радуга, 4) преломление, 5) вторичная радуга, 6) входящий луч света, 7) ход лучей при формировании первичной радуги, 8) ход лучей при формировании вторичной радуги, 9) наблюдатель, 10 -12) область формирования радуги. Чаще всего наблюдается первичная радуга, при которой свет претерпевает одно внутреннее отражение. Ход лучей показан на рисунке справа вверху. В первичной радуге красный цвет находится снаружи дуги, её угловой радиус составляет 40— 42°.