Поглощение электромагнитного излучения веществом. Закон Бугера-Ламберта Бэра.

При прохождении через в-во эл.-магнитная волна возбуждает колебания электронов в атомах и молекулах в-ва, на что затрачивается энергия, и мощность волны постепенно уменьшается. Этот процесс называется поглощением света.

Закон Бугера - Ламберта - Бера определяет постепенное ослабление параллельного монохроматического (одноцветного) пучка света при распространении его в поглощающем веществе:

, где

I (l) - интенсивность параллельного монохроматического пучка света;

I₀ - интенсивность входящего пучка,

l - толщина слоя вещества, через которое проходит свет,

k_λ - показатель поглощения.

№40.

Какие волны называются когерентными? Что такое когерентные источники.

Когерентные волны — это волны, имеющие одинаковые частоты, постоянную разность фаз, а колебания происходят в одной плоскости. Источники, удовлетворяющие этим условиям, т.е. испускающие такие волны, также называются когерентными.

41. Интерференция волн — взаимное усиление или ослабление амплитуды двух или нескольких когерентных волн, одновременно распространяющихся в пространстве.[1] Сопровождается чередованием максимумов и минимумов (пучностей) интенсивности в пространстве. Результат интерференции (интерференционная картина) зависит от разности фаз накладывающихся волн.

Е=Е1+Е2=А cos(ω0t+φ) - амплитуда и фаза Ф опр.

А в2 = А1 в2 +А2 в2 + 2А1А2 cos(φ2-φ1)

A - амплитуда

ф - фи... - начальная фаза

42.

E=cos Ф=acos(ωt−k1z1+δ1)

E2=bcoos(Ф+δ)=bcos(ωt-k2z2+δ2)

Здесь Ф – фаза первого колебания, δ – разность фаз, k1=2π/λ1=2πn1/λ0 - волновое

число в среде с показателем преломления n1, k2=2π/λ=2πn2/λ0

∆=-z1n1-z2n2+λ0(δ2/2π-δ1/2π)

Первое слагаемое в этой формуле представляет собой разность оптических длин пути

лучей 1 и 2. Величина ∆ называется оптической разностью хода.

Из формул разность фаз δ и разность хода ∆ связаны между собой

следующим соотношением:

δ/2π=∆/λ0

№ 43

Дифракция световых волн – это огибание волной краёв препятствия, расположенных на пути распространения волны.

Дифракция проявляется преимущественно при прохождении волны сквозь узкое отверстие или около узкого препятствия.

Принцип Гюйгенса-Френеля.

«Каждый элемент волнового фронта можно рассматривать, как центр вторичного возмущения, порождающего вторичные сферические волны, а результирующее световое поле в каждой точке пространства будет определяться интерференцией этих волн»

Принцип Гюйгенса объясняет распространение волн, но не может объяснить явлений дифракции. Френель в 1815 году дополнил принцип Гюйгенса, введя представления о когерентности и интерференции элементарных волн.

Таким образом принцип Гюйгенса-Френеля в рамках волновой теории ответил на вопрос о прямолинейности распространении света.

Лучом называется линия, указывающая направление распространения световой волнеы.

Волновой фронт – это поверхность, до которой дошли колебания к данному моменту времени.

44. Дифракция плоской волны на одиночной щели. Принцип Френеля для определения результата интерференции вторичных когерентных волн.

 

Немецкий физик И. Фраунгофер рассмотрел дифракцию плоских световых волн, или дифракцию в параллельных лучах. Дифракция Фраунгофера, имеющая большое практическое значение, наблюдается в том случае, когда источник света и точка наблюдения бесконечно удалены от препятствия, вызвавшего дифракцию. Чтобы этот тип дифракции осуществить, достаточно точечный источник света поместить в фокусе собирающей линзы, а дифракционную картину исследовать в фокальной плоскости второй собирающей линзы, установленной за препятствием.

 

Рассмотрим дифракцию Фраунгофера от бесконечно длинной щели (для этого практически достаточно, чтобы длина щели была значительно больше ее ширины). Так как свет на щель падает нормально, то плоскость щели совпадает с волновым фронтом; следовательно, все точки волнового фронта в плоскости щели будут колебаться в одинаковой фазе. Амплитуды вторичных волн в плоскости щели будут равны, так как зоны Френеля имеют одинаковые площади и одинаково наклонены к направлению наблюдения. При интерференции света от каждой пары соседних зон Френеля амплитуда результирующих колебаний равна нулю, так как колебания от каждой пары соседних зон взаимно гасят друг друга.

 

Учет амплитуд и фаз вторичных волн позволяет в каждом конкретном случае найти амплитуду (интенсивность) результирующей волны в любой точке пространства, т. е. определить закономерности распространения света. В общем случае расчет интерференции вторичных волн довольно сложный и громоздкий, однако, для некоторых случаев нахождение амплитуды результирующего колебания осуществляется алгебраическим суммированием.

 

Принцип Гюйгенса - Френеля в рамках волновой теории должен был ответить на вопрос о прямолинейном распространении света. Френель решил эту задачу, рассмотрев взаимную интерференцию вторичных волн и применив прием, получивший название метода зон Френеля.

 

Амплитуда результирующих колебаний в произвольной точке М определяется как бы действием только половины центральной зоны Френеля. Следовательно, действие всей волновой поверхности на точку М сводится к действию ее малого участка, меньшего центральной зоны.

 

А=А1/2, где А1 - амплитуды колебаний, возбуждаемых 1-й зоной.

 

45. Условие возникновения максимумов и минимумов при дифракции от одиночной щели.

 

Условие минимума освещенности при дифракции на одной щели:

 

b∙sinβ = k∙ λ/2, где k = 2m – четное число, m = ±1, ±2, …;

 

условие максимума освещенности при дифракции на одной щели:

 

b∙sinβ = k∙ λ/2, где k = 0 и k = 2m + 1 – нечетное, m = 0, ±1, ±2, …,

 

b – ширина щели (м); β – угол отклонения лучей от перпендикуляра к плоскости щели или угол направления на m-ую интерференционную полосу (рад или град) (рис. 1); λ – длина волны (м); m – порядковый номер максимума или минимума.

 

46. Дифракционная решетка, ее устройство и параметры. Механизм возникновения главных максимумов и минимумов.

 

Дифракционная решетка — оптическое устройство, представляет собой совокупность большого числа регулярно расположенных штрихов (щелей, выступов), нанесённых на некоторую поверхность.

Суммарную ширину щели и промежутка между щелями называют постоянной или периодом дифракционной решетки: с = а + b.

Если на решетку падает пучок когерентных волн, то вторичные волны, идущие по всевозможным направлениям, будут интерферировать, формируя дифракционную картину.

Лучи, идущие от крайних точек двух соседних щелей, имеют разность хода равной |А'В'|. Если эта разность хода кратна целому числу длин волн, то при интерференции возникнут главные максимумы, для которых выполняется условие | А'В' | = kλ или csina= ± kλ, где k — 0,1,2,... — порядок главных максимумов. Они расположены симметрично относительно центрального (k = 0, a=0).

Дифракционная решетка состоит из совокупности щелей, а поэтому условия образования минимумов для щелей будут являться условиями образования минимумов и для дифракционной решетки. Таким образом, минимумы при дифракции от щели возникают при условии: asinФ= ± kλ, где k = 0, 1, 2, 3....

№47

Тепловым излучением называется электромагнитное излучение, испускаемое телами за счет их внутренней энергии.

Характеристики теплового излучения:Тепловое излуче­ние, являясь самым распространенным в природе, совершается за счет энергии теплового движения атомов и молекул вещества (т. е. за счет его внутренней энергии) и свойственно всем телам при температуре выше 0 К. Тепловое излучение характеризуется сплошным спектром, положение максимума которого зависит от температуры. При высоких температурах излучаются короткие (видимые и ультрафиолетовые) электромагнитные волны, при низких — преимущественно длинные (инфракрасные).

Количественной характеристикой теплового излучения служит спектральная плот­ность энергетической светимости (излучательности) тела — мощность излучения с еди­ницы площади поверхности тела в интервале частот единичной ширины:

где d — энергия электромагнитного излучения, испускаемого за единицу времени (мощность излучения) с единицы площади поверхности тела в интервале частот от n до n +d n.

Энергетическая светимость тела - - физическая величина, являющаяся функцией температуры и численно равная энергии, испускаемой телом в единицу времени с единицы площади поверхности по всем направлениям и по всему спектру частот.

; Дж/с·м²=Вт/м²

 

Поглощающая способность тела — — функция частоты и температуры, показывающая какая часть энергии электромагнитного излучения, падающего на тело, поглощается телом в области частот вблизи

где — поток энергии, поглощающейся телом.

— поток энергии, падающий на тело в области вблизи

Отражающая способность тела — — функция частоты и температуры, показывающая какая часть энергии электромагнитного излучения, падающего на тело, отражается от него в области частот вблизи

где — поток энергии, отражающейся от тела.

— поток энергии, падающий на тело в области вблизи

 

№ 48

Абсолютно черное тело - понятие теории теплового излучения, означающее тело, которое полностью поглощает любое падающее на его поверхность электро-магнитное излучение, независимо от температуры этого тела.

Устройство абсолютного черного тела.Состоит из замкнутой полости, внутри поверхность которой нагрета до температуры Т, с отверстием, малым по сравнению с размерами полости. Внутри полости устанавливается практически полное равновесие излучения с веществом, и плотность энергии выходящего из отверстия излучения очень мало отличается от равновесной.

Принцип действия абсолютного черного тела.Оно испускает электромагнитное излучение любой частоты и визуально имеет цвет и поглощает до 99% падающего излучения в видимом диапазоне длин волн.

Вопрос № 49

закон, утверждающий, что отношение испускат. способности e(l, Т) тел к их поглощат. способности а(l, Т) не зависит от природы излучающего тела, равно излучат. способности абсолютно чёрного тела e0(l, T) и зависит от длины волны излучения l и абс. темп-ры Т:
(e(l, T))/(a(l, T))=e0(l,T).
Ф-ция e0(l, T) в явном виде даётся Планка законом излучения.
К. з. и. явл. одним из осн. законов теплового излучения и не распространяется на др. виды излучения. Он установлен нем. физиком Г. Р. Кирхгофом (G. R. Kirchhoff) в 1859 на основании второго начала термодинамики и затем подтверждён экспериментально. Согласно К. з. и., тело, к-рое при данной темп-ре лучше поглощает излучение, должно интенсивнее излучать. Напр., при накаливании платиновой пластинки, часть к-рой покрыта платиновой чернью, её чёрный конец (поглощат. способность к-рого близка к единице) светится ярче, чем светлый.

№50

Стефана-Больцмана: Энергетическая светимость абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры.

Вина:длина волны, на которую приходится максимум испускательной способности абсолютно черного тела, обратно пропорциональна его абсолютной температуре.

Из закона Кирхгофа следует, что спектральная плотность энергетической светимости черного тела является универсальной функцией, поэтому нахождение ее явной зависимости от частоты и температуры является важной задачей теории теплового излучения.

Австрийский физик И. Стефан (183S-1893), анализируя экспериментальные данные (1879), и Л. Больцман, применяя термодинамический метод (1884), решили эту задачу лишь частично, установив зависимость энергетической светимости Л, от температуры. Согласно закону Стефана - Больцмана,

(199.1)

т. е. энергетическая светимость черного тела пропорциональна четвертой степени его термодинамической температуры; s - постоянная Стефана - Больцмана: ее экспериментальное значение равно 5,67×10-8 Вт/(м2 ×К4).

Закон Стефана - Больцмана, определяя зависимость Re от температуры, не дает ответа относительно спектрального состава излучения черного тела. Из экспериментальных кривых зависимости функции rl,T от длины волны l при различных температурах (рис. 287) следует, что распределение энергии в спектре черного тела является неравномерным. Все кривые имеют явно выраженный максимум, который по мере повышения температуры смещается в сторону более коротких волн. Площадь, ограниченная кривой зависимости rl,T от l и осью абсцисс, пропорциональна энергетической светимости Re, черного тела и, следовательно, по закону Стефана - Больцмана, четвертой степени температуры.

Рис. 287

 

Немецкий физик В. Вин (1864-1928), опираясь на законы термо- и электродинамики, установил зависимость длины волны lmax, соответствующей максимуму функции rl,T от температуры Т. Согласно закону смещения Вина,

(199.2)

т. е. длина волны lmax, соответствующая максимальному значению спектральной плотности энергетической светимости rl,T черного тела, обратно пропорциональна его термодинамической

температуре, b - постоянная Вина; ее экспериментальное значение равно 2,9×10-3 м×К. Выражение (199.2) потому называют законом смещения Вина, что оно показывает смещение положения максимума функции rl,T по мере возрастания' температуры в область коротких длин волн. Закон Вина объясняет, почему при понижении температуры нагретых тел в их спектре все сильнее преобладает длинноволновое излучение (например, переход белого каления в красное при остывании металла).

51. Инфракрасное излучение, его поглощение. Чем обусловлен его терапевтический эффект? Что такое термография?

Инфракрасное излучение- электромагнитное излучение, занимающее область между красной границей видимого света (760нм) и коротковолновым радиоизлучением (длина волны 1-2мм).

Терапевтический эффект:

Когда инфракрасные волны проникают в кожу, они вступают в контакт с белками, жирами и молекулами воды. Инфракрасные лучи, стимулируя микровибрацию, вызывают тепловой эффект, что способствует повышению температуры тканей. Это, в свою очередь, вызывает расширение кровеносных сосудов независимо от их размеров.

Благодаря более высокой микро- и макро-циркуляции крови в сосудах обеспечивается лучшая работа тканей организма.

Тепло, которое вырабатывается при инфракрасном излучении, приводит к резонансу молекул воды и способствует расширению капилляров и лучшему кровообращению.

Терапевтический эффект ИК-излучения дальнего диапазона

• улучшает кровообращение;

• снимает боль;

• благоприятствует процессам метаболизма в организме;

• инфракрасное излучение способно повышать регенерацию тканей.

Термография-это научный способ получения термограммы — изображения в инфракрасных лучах, показывающего картину распределения температурных полей.

№52

Электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между фиолетовой границей видимого света (λ=400 нм) и длинноволновой частью рентгеновского излучения (λ=10 нм), называют ультрафиолетовым(УФ). Условно делится на ближнее (400—200 нм) и дальнее, или вакуумное (200—10 нм). Последнее название обусловлено тем, что ультрафиолетовое излучение этого участка поглощается воздухом, и его исследование проводят внутри вакуума. Вакуумное УФ излучение обнаружено немецким учёным В. Шуманом при помощи построенного им вакуумного спектрографа с флюоритовой призмой и безжелатиновых фотопластинок. Он получил возможность регистрировать коротковолновое излучение до 130 нм.

Эритема, или "солнечный ожог", это - покраснение кожи, обычно, проявляющееся через четыре - восемь часов после воздействия ультрафиолетового излучения и постепенно бледнеющее после нескольких дней. Серьезный солнечный ожог может повлечь за собой образование пузырей на коже и ее шелушение.

№53

Фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называют группу
явлений, возникающих при взаимодействии света с веществом и
заключающихся либо в эмиссии электронов (внешний фотоэф-
фект), либо в изменении электропроводимости вещества или
возникновении электродвижущей силы (внутренний фотоэф-
фект).

Выделяют три основных вида фотоэффектов: внутренний, внешний и вентильный.

Внешний фотоэффект наблюдается в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация) и в конденсированных средах.

Внутренний фотоэффект наблюдается при освещении полу-
проводников и диэлектриков, если энергия фотона достаточна для переброса электрона из валентной зоны в зону проводимости.

Фентильный фотоэффект наблюдается вконтакте электронного и дырочного полупроводников. В этом случае под действием света возникают электроны и дыр-
ки, которые разделяются электрическим полем р-n-перехода

№54
В результате проведенных в воздухе экспериментов Столетов пришел к следующим выводам:
1. Лучи вольтовой дуги, падая на поверхность отрицательно заряженного тела, уносят с него заряд...
2. Это действие лучей есть строго униполярное, положительный заряд лучами не уносится.
3. Разряжающим действием обладают — если не исключительно, то с громадным превосходством перед прочими — лучи самой высокой преломляемости, недостающие в солнечном спектре (λ = 295•10–6 мм). Чем спектр обильнее такими лучами, тем сильнее действие.
4. Для разряда лучами необходимо, чтобы лучи поглощались поверхностью тела...
5. Разряжающее действие лучей обнаруживается даже при весьма кратковременном освещении, причем между моментом освещения и моментом соответственного разряда не протекает заметного времени.
6. Разряжающее действие, при одинаковых условиях, пропорционально энергии активных лучей, падающих на разряжаемую поверхность.
7. Каков бы ни был механизм активно-электрического разряда, мы вправе рассматривать его как некоторый ток электричества...
8. Активно-электрическое действие усиливается с повышением температуры

№55

· - Ур-ие фотоэффекта, полученное Эйнштейном.

Авых. (работа выхода) — это работа, которую необходимо затратить, чтобы удалить электрон из металла. h — постоянная Планка.V-скорость.m-масса.

 

· Фотон обладает инертной массой, а также не обладает массой покоя. Эта частица может существовать, только двигаясь со скоростью света c. Масса фотона находится из закона взаимосвязи массы и энергии:

 

· Фотон — элементарная частица, которая всегда движется со скоро­стью света с и имеет массу покоя, равную нулю, вследствие этого, импульс фотона вычисляется по формуле:

№56

· РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ - электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между ультрафиолетовым и гамма-излучением в пределах длин волн от до 10³ нм.

· Рентгеновское излучение возникает при взаимодействии электронов, движущихся с большими скоростями, с веществом. Когда электроны соударяются с атомами какого-либо вещества, они быстро теряют свою кинетическую энергию. При этом большая ее часть переходит в тепло, а небольшая доля, обычно менее 1%, преобразуется в энергию рентгеновского излучения. Эта энергия высвобождается в форме квантов - частиц, называемых фотонами, которые обладают энергией, но масса покоя которых равна нулю. Рентгеновские фотоны различаются своей энергией, обратно пропорциональной их длине волны. При обычном способе получения рентгеновского излучения получают широкий диапазон длин волн, который называют рентгеновским спектром.

№57