Лекции по физике. Оптика Взаимодействие света с веществом

2 При взаимодействии света с веществом наблюдаются следующие явления Изменение скорости света по сравнению с вакуумом Поглощение света Рассеяние света Изменение состояния поляризации

3 Дисперсия света Дисперсией света называется зависимость показателя преломления n вещества от длины волны Дисперсия света представляется в виде зависимости n=f( ) Из-за дисперсии наблюдается преломление лучей с разной длинной волны под разными углами

4 Дисперсия света Этот эффект используется для разложения светового пучка на монохроматические компоненты Для разложения в спектр обычно используют призмы

5 Дисперсия света В призме наибольшее отклонение испытывают фиолетовые лучи. Это связано с тем, что прозрачные вещества сильнее преломляют более коротковолновое излучение, чем длинноволновое (нормальная дисперсия) Дисперсией вещества называется величина:

6 Дисперсия света У прозрачных веществ показатель преломления n убывает с увеличением длины волны. Такая зависимость называется нормальной дисперсией Вблизи областей поглощения наблюдается аномальная дисперсия - когда n увеличивается с увеличением n, нм

7 Электронная теория дисперсии Согласно теории Максвелла показатель преломления связан с относительной диэлектрической проницаемостью и относительной магнитной проницаемостью среды: (1) В (1) величины и необходимо определять для электромагнитных волн соответствующей частоты. Они будут иными чем при статических измерениях. В оптическом диапазоне =1

8 Электронная теория дисперсии Объяснить зависимость величин n и от позволяет электронная теория дисперсии В этой теории рассматривается взаимодействие электромагнитной волны с электронами вещества, которые представляются осцилляторами. Их взаимодействие описывается уравнениями колебаний

9 Электронная теория дисперсии В веществе выделяются группы электронов имеющих различные колебательные характеристики – собственную частоту 0 и коэффициент затухания Без учёта затухания каждая группа электронов даёт вклад вида: (2) где m и е – масса и заряд электрона, n 0 и 0 - константы

10 Электронная теория дисперсии Зависимость (2) показывает, что показатель преломления, уменьшается с уменьшением частоты, как и должно быть в случае нормальной дисперсии Недостатком полученной зависимости является разрыв функции в области резонансной частоты

11 Электронная теория дисперсии В реальности из-за наличия поглощения разрыва функции n( ) не происходит, на ней появляется участок с аномальной дисперсией 1 n 0

12 Поглощение света Поглощением (адсорбцией) света называется уменьшение энергии световой волны при её распространении в среде Энергия поглощённой световой волны преобразуется в другие виды энергии: тепловую, химическую и др.

13 Поглощение света При прохождении тонкого слоя вещества dx, происходит изменение интенсивности света dI пропорциональное самой интенсивности I и толщине слоя: dI=- Idx(3) где - коэффициент поглощения, зависящий от длины волны света, химической природы поглотителя и внешних условий

14 Поглощение света Интегрируя уравнение (3) можно получить зависимость интенсивности света от глубины проникновения (Закон Бугера- Ламберта-Бера): I=I 0 exp(- x)(4) где I 0 – начальная интенсивность света Наибольший показатель поглощения ( см -1 ) наблюдается у металлов

15 Поглощение света Различают следующие спектры поглощения: Линейчатый. Наблюдается у разреженных газов. Представляет собой узкие линии поглощения Полосатый спектр поглощения обычно наблюдается у молекул в конденсированном состоянии Сплошной спектр поглощения наблюдается у конденсированных веществ. Он характеризуется отсутствием структуры

16 Поглощение света Линейчатые и полосатые спектры поглощения являются характерными для определённых веществ. На этом основан метод спектрального анализа веществ Анализ спектров поглощения позволяет так же исследовать процессы, происходящие в веществе и влияние на них внешних факторов

17

18 Действие света При поглощении света иногда наблюдаются следующие сопутствующие явления Фотопроводимость и возникновение фотоЭДС Люминесценция Фотохимические превращения Эти эффекты нашли широкое практическое применение

19 Фотоэлектрические эффекты Если осветить среду находящуюся в электрическом поле, то при определённых условиях наблюдается возрастание электрического тока в этой среде (фотопроводимость) Этот эффект используется для исследования свойств веществ, а так же для регистрации излучения

20 Фотоэлектрические эффекты При освещении неоднородной среды можно наблюдать появление разности потенциалов на её границах (возникновение фотоЭДС) Этот эффект используют для регистрации и исследования свойств излучения, а так же для преобразования световой энергии в электрическую

21 Люминесценция Фотолюминесценцией называется свечение среды в результате воздействия более коротковолнового излучения. Часть поглощённой энергии при этом переходит в тепло Люминесценция используется для визуализации невидимого коротковолнового излучения (медицина, дефектоскопия, криминалистика), а так же для создания изображений (телевидение)

22 Фотохимическое действие света В некоторых веществах под действием света начинают протекать химические превращения. Это проявление фотохимического действия света На фотохимическом эффекте основана фотография и различные способы оптической записи информации, а так же некоторые способы преобразования световой энергии в химическую (фотосинтез, зрение)

23 Рассеяние света Рассеянием света называют изменение направления распространения световых лучей в среде, содержащей мелкие (порядка длины волны и меньше) неоднородности Неоднородность среды является необходимым условием возникновения рассеяния Рассеяние света на мелких инородных частицах называют эффектом Тиндаля

24 Рассеяние света Индикатриссой рассеяния называют кривую, описывающую зависимость интенсивности рассеянного света от угла рассеяния. Для Тиндалевского рассеяния она описывается законом: I~1+cos 2 первичный луч

25 Рассеяние света Закон Рэлея: интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвёртой степени длины волны излучения: I~1/ 4 Интенсивность рассеяния пропорциональна квадрату объёма частицы или шестой степени её радиуса

26 Рассеяние света Особый случай представляет рассеяние на флуктуациях однородной среды. Оно особенно усиливается вблизи критической точки вещества Ещё один вид представляет комбинационное рассеяние при котором происходит изменение длины волны света за счёт обмена энергией с колебательными движениями молекул

27

28