Поглощение света. Рассеяние света. Излучение Вавилова-Черенкова.

По мере распространения плоской световой волны в веществе ее интенсивность постепенно уменьшается. Это явление называется поглощением света в веществе. Энергия световой волны преобразуется во внутреннюю энергию вещества или энергию вторичного излучения, имеющего другой спектральный состав и другие направления распространения.

Поглощение света описывается законом Бугера – Ламберта: , где – коэффициент поглощения вещества, зависящий от химического состава поглощающего вещества, его состояния и длины волны , величины – значение интенсивности света при входе и выходе из слоя вещества толщиной х.

Для разбавленных растворов поглощающего вещества выполняется закон Бера: , где С – концентрация раствора, b – коэффициент пропорциональности В концентрированных растворах закон Бера нарушается из-за влияния взаимодействия между близко расположенными молекулами поглощающего вещества.

Рассеянием света называется процесс преобразования света веществом, сопровождающее изменением направления распространения света и проявляющееся как несобственное свечение вещества. Рассеяние может возникнуть только в оптически неоднородных средах, показатель преломления которых изменяется нерегулярно от точки к точке среды. Оптически неоднородная среда рассеивает свет по всем направлениям.

Рассеяние света в мутных средах с размерами неоднородностей не более 0,1 называется эффектом Тиндаля. Система электронов, совершающих вынужденные колебания в атомах электрически изотропной частицы малого размера, эквивалентна колебанию одного электрического диполя, который колеблется с частотой падающего на него света. Интенсивность излучаемого им света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны (закон Рэлея).

Молекулярное рассеяние света в чистых средах, не содержащих инородные примеси, обусловлено неоднородностями, которые возникают в процессе беспорядочного теплового движения частиц среды. Эти неоднородности связаны с флуктуациями плотности, а в средах с анизотропными (полярными) молекулами – с флуктуациями ориентации этих молекул (флуктуациями анизотропии). В растворах рассеяние света может происходить на флуктуациях концентрации.

Эффект Вавилова — Черенко́ва (излучение Вавилова — Черенкова) — свечение, вызываемое в прозрачной среде заряженной частицей, которая движется со скоростью, превышающей фазовую скорость распространения света в этой среде. Черенковское излучение широко используется в физике высоких энергий для регистрации релятивистских частиц и определения их скоростей.

Теория относительности гласит: ни одно материальное тело, включая быстрые элементарные частицы высоких энергий, не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме. Но к скорости движения света в прозрачных средах это ограничение не относится. В стекле или в воде, например, свет распространяется со скоростью, составляющей 60—70 % от скорости света в вакууме, и ничто не мешает быстрой частице (например, протону или электрону) двигаться быстрее света в такой среде.

В 1934 году Павел Черенков проводил исследования люминесценции жидкостей под воздействием гамма-излучения и обнаружил слабое голубое свечение (которое теперь названо его именем), вызванное быстрыми электронами, выбитыми из атомов среды гамма-излучением. Чуть позже выяснилось, что эти электроны двигались со скоростью выше скорости света в среде. Это был как бы оптический эквивалент ударной волны, которую вызывает в атмосфере сверхзвуковой самолёт. Представить это явление можно по аналогии с волнами Гюйгенса, расходящимися вовне концентрическими кругами со скоростью света, причём каждая новая волна испускается из следующей точки на пути движения частицы. Если частица летит быстрее скорости распространения света в среде, она обгоняет волны. Пики амплитуды этих волн и образуют волновой фронт излучения Черенкова.

Излучение расходится конусом вокруг траектории движения частицы. Угол при вершине конуса зависит от скорости частицы и от скорости света в среде. Это как раз и делает излучение Черенкова столь полезным с точки зрения физики элементарных частиц, поскольку, определив угол при вершине конуса, можно рассчитать по нему скорость частицы.

 

Вопрос 22

Основы голографии.

Голография основывается на двух физических явлениях - дифракции и интереференции световых волн.
Физическая идея состоит в том, что при наложении двух световых пучков, при определенных условиях возникает интерференционная картина, то есть, в пространстве возникают максимумы и минимумы интенсивности света (это подобно тому, как две системы волн на воде при пересечении образуют чередующиеся максимумы и минимумы амплитуды волн). Для того, чтобы эта интерференционная картина была устойчивой в течение времени, необходимого для наблюдения, и ее можно было записать, эти две световых волны должны быть согласованы в пространстве и во времени. Такие согласованные волны называются когерентными.
Если волны встречаются в фазе, то они складываются друг с другом и дают результирующую волну с амплитудой, равной сумме их амплитуд. Если же они встречаются в противофазе, то будут гасить одна другую. Между двумя этими крайними положениями наблюдаются различные ситуации сложения волн. Результирующая сложения двух когерентных волн будет всегда стоячей волной. То есть интерференционная картина будет устойчива во времени. Это явление лежит в основе получения и восстановления голограмм.

Обычные источники света не обладают достаточной степенью когерентности для использования в голографии. Поэтому решающее значение для ее развития имело изобретение в 1960 г. оптического квантового генератора или лазера - удивительного источника излучения, обладающего необходимой степенью когерентности и могущего излучать строго одну длину волны.

Вопрос 23