Activity
Цифровой перископ
Перед вами техническая новинка.
Традиционный оптический канал существующих перископов заменён видеокамерами высокого разрешения и оптоволоконной связью. Информация с камер наружного наблюдения передается в режиме реального времени на широкоформатный дисплей в центральном посту.
Испытания проходят на борту подводной лодки SSN 767 Hampton типа Los-Angeles. Новая модель полностью меняет складывавшуюся десятилетиями практику работы с перископом. Теперь вахтенный офицер работает с установленными на штанге камерами, регулируя отображение на дисплее с помощью джойстика и клавиатуры.
Помимо дисплея в центральном посту изображение с перископа может выводиться на сколь угодно большое число дисплеев в любых помещениях лодки. Камеры дают возможность наблюдать одновременно за разными секторами горизонта, что значительно повышает скорость реакции вахты на изменения тактической обстановки на поверхности.
Чем объяснить "игру камней"? В ювелирном деле огранка камней подбирается так, что на каждой грани наблюдается полное отражение света.
Полным внутренним явлением объясняется явление миража
Мираж — оптическое явление в атмосфере: отражение света границей между резко разными по теплоте слоями воздуха. Для наблюдателя такое отражение заключается в том, что вместе с отдалённым объектом (или участком неба) видно его мнимое изображение, смещенное относительно предмета.
Миражи различают на нижние, видимые под объектом, верхние, — над объектом, и боковые. Верхний мираж наблюдается над холодной земной поверхностью, нижний мираж — над перегретой ровной поверхностью, часто пустыней или асфальтированной дорогой. Мнимое изображение неба создаёт при этом иллюзию воды на поверхности. Так, уходящая вдаль дорога в жаркий летний день кажется мокрой. Боковой мираж иногда наблюдается у сильно нагретых стен или скал.
Типичными световыми эффектами, с которыми каждый человек сталкивается часто в быту, являются отражение и преломление. В данной статье рассмотрим случай, когда оба эффекта проявляют себя в рамках одного процесса, речь пойдет о явлении внутреннего полного отражения.
Отражение света
Перед тем как рассматривать явление следует познакомиться с эффектами обычного отражения и преломления. Начнем с первого из них. Для простоты будем рассматривать только свет, хотя эти явления характерны для волны любой природы.
Под отражением понимают изменение одной прямолинейной траектории, вдоль которой движется луч света, на другую прямолинейную траекторию, когда он встречает на своем пути препятствие. Этот эффект можно наблюдать, если направить лазерную указку на зеркало. Появление изображений неба и деревьев при взгляде на водную поверхность - это тоже результат отражения солнечного света.
Для отражения справедлив следующий закон: углы падения и отражения лежат в одной плоскости вместе с перпендикуляром к отражающей поверхности и являются равными друг другу.
Преломление света
Эффект преломления подобен отражению, только возникает он, если препятствие на пути светового луча представляет собой другую прозрачную среду. В этом случае часть первоначального луча отражается от поверхности, а часть проходит во вторую среду. Эта последняя часть называется преломленным лучом, а угол, который он образует с перпендикуляром к поверхности раздела сред, носит название угла преломления. Преломленный луч лежит в той же плоскости, что отраженный и падающий.
Яркими примерами преломления можно назвать излом карандаша в стакане с водой или обманчивая глубина озера, когда человек смотрит сверху на его дно.
Математически это явление описывают с помощью закона Снелла. Соответствующая формула выглядит так:
Здесь и преломления обозначены как θ 1 и θ 2 соответственно. Величины n 1 , n 2 отражают скорость движения света в каждой среде. Они называются показателями преломления сред. Чем больше n, тем медленнее движется свет в данном материале. К примеру, в воде скорость света на 25% меньше, чем в воздухе, поэтому для нее показатель преломления равен 1,33 (для воздуха он равен 1).
Явление полного внутреннего отражения
Приводит к одному интересному результату, когда луч распространяется из среды с большим n. Рассмотрим подробнее, что при этом будет происходить с лучом. Выпишем формулу Снелла:
n 1 * sin (θ 1) = n 2 * sin (θ 2).
Будем считать, что n 1 >n 2 . В таком случае, чтобы равенство оставалось верным, θ 1 должен быть меньше, чем θ 2 . Этот вывод справедлив всегда, поскольку рассматриваются только углы от 0 o до 90 o , в пределах которых функция синуса постоянно возрастает. Таким образом, при выходе из более плотной оптической среды в менее плотную (n 1 >n 2) луч сильнее отклоняется от нормали.
Теперь будем увеличивать угол θ 1 . В итоге наступит момент, когда θ 2 будет равен 90 o . Возникает удивительное явление: испущенный из более плотной среды луч в ней и останется, то есть для него граница раздела двух прозрачных материалов станет непрозрачной.
Критический угол
Угол θ 1 , для которого θ 2 = 90 o , принято называть критическим для рассматриваемой пары сред. Любой луч, падающий на поверхность раздела под углом, большим чем критический, отражается полностью в первую среду. Для критического угла θ c можно записать выражение, которое непосредственно следует из формулы Снелла:
sin (θ c) = n 2 / n 1 .
Если второй средой является воздух, то это равенство упрощается до вида:
sin (θ c) = 1 / n 1 .
Например, критический угол для воды составляет:
θ c = arcsin (1 / 1,33) = 48,75 o .
Если нырнуть на дно бассейна и посмотреть вверх, то можно увидеть небо и бегущие по нему облака только над собственной головой, на всей остальной поверхности воды будут видны лишь стенки бассейна.
Из приведенных рассуждений ясно, что, в отличие от преломления, полное отражение не является обратимым явлением, оно происходит только при переходе из более плотной в менее плотную среду, но не наоборот.
Полное отражение в природе и технике
Пожалуй, самым распространенным в природе эффектом, который невозможен без полного отражения, является радуга. Цвета радуги - это результат дисперсии белого света в дождевых каплях. Однако когда лучи проходят внутри этих капель, то они испытывают либо однократное, либо двукратное внутреннее отражение. Именно поэтому радуга всегда появляется двойной.
Явление внутреннего полного отражения применяют в оптоволоконной технике. Благодаря оптическим волокнам удается передавать без потерь электромагнитные волны на большие расстояния.
2. Отражение и преломление света. Полное внутреннее отражение. Волоконная оптика, ее применение в медицине.
Из теории электромагнитного поля, разработанной Дж. Максвеллом, следовало: электромагнитные волны распространяются со скоростью света - 300 000 км/с, что эти волны поперечны, так же как и световые волны. Максвелл предположил, что свет - это электромагнитная волна. В дальнейшем это предсказание нашло экспериментальное подтверждение.
Как и электромагнитные волны, распространение света подчиняется тем же законам.
Закон отражения. Угол падения равен углу отражения (α=β). Падающий луч АО, отраженный луч ОВ и перпендикуляр ОС, восставленный в точке падения, лежат в одной плоскости.
Закон преломления. Луч падающий АО и преломленный ОВ лежат в одной плоскости с перпендикуляромCD, проведенным в точке падения луча к плоскости раздела двух сред. Отношение синусов угла падения а и угла преломления у постоянно для данных двух сред и называется показателем преломления второй среды по отношению к первой: .
Законы отражения света учитываются при построении изображения предмета в зеркалах (плоском, вогнутом и выпуклом) и проявляются в зеркальном отражении в перископах, в прожекторах, автомобильных фарах и во многих других технических устройствах.Законы преломления света учитываются при построении изображения во всевозможных линзах, призмах и их совокупности (микроскоп, телескоп), а также в оптических приборах (бинокли, спектральные аппараты, фотоаппараты и проекционные аппараты). Если световой луч следует из оптически менее плотной среды (например, из воздуха;n возд. = 1) в оптически более плотную среду (например в стекло с показателем преломленияn ст. = 1,5), то на их границе произойдет частичное отражение и частичное преломление света.
Отсюда следует, что
,
то есть синус угла преломленияgменьше, чем синус угла падения a, в 1,5
раза. А еслиsing Если же световой луч пустить из оптически
более плотного стекла в оптически менее
плотный воздух, то угол преломления
окажется, наоборот, больше угла падения,
g > a. Для обсуждаемого
обратного хода луча закон преломления: следовательно, sing = 1,5sina; g >a Эта ситуация иллюстрируется схемой А
на рисунке
Если угол падения a увеличить до некоторого
предельного значения a пр, то угол
преломления g >aдостигает
наибольшего значения g=90 0 .
Преломленный луч скользит по границе
раздела двух сред. При углах паденияa>a пр явление
преломления не происходит, а вместо
частичного отражения на границе раздела
фаз происходитполное
отражение
света внутрь оптически более плотной
среды, илиполное внутреннее отражение
.
Это оптическое явление составляет
основу целого физико-технического
направления, которое называетсяволоконная оптика.
В медицине волоконная оптика нашла
применение в эндоскопах - устройствах
для осмотра внутренних полостей
(например, желудка). Световод, представляющий
собой жгут из большого числа тонких
стеклянных волокон, помещенных в общую
защитную оболочку, вводится в исследуемую
полость. Часть волокон используется
для организации освещения полости от
источника света, расположенного вне
тела пациента. Световод может использоваться
и для передачи во внутреннюю полость
лазерного излучения в лечебных целях. Полное внутреннее отражение происходит
и в некоторых структурах сетчатки глаза. 3. Оптическая система
глаза. Недостатки зрения, методы их
коррекции
.
Оптическая система глаза обеспечивает
получение на сетчатке глаза уменьшенного
действительного обратного (перевернутого)
изображения. Если светопреломляющую
систему глаза рассматривать как одну
линзу, то общая оптическая сила этой
системы получается как алгебраическая
сумма следующих четырёх слагаемых: а) Роговица: D = +42,5 дптр б) Передняя камера: D от +2 до +4 дптр в) Хрусталик: D const; от +19 до +33 дптр г) Стекловидное тело;D от –5 до –6 дптр. Благодаря тому, что оптическая сила
хрусталика - величина переменная,
суммарная оптическая сила глаза лежит
в пределах от 49 до 73 дптр. Редуцированный глаз, как единая линза,
обращён одной стороной - к воздуху,
(абсолютный показатель преломления
nвозд = 1), а другой - соприкасается с
жидкостью, nж=1,336. Так что левый и правый
фокусные расстояния не одинаковы; если
переднее фокусное расстояние в среднем
F1 = 17 мм, то заднее - F2 = 23 мм. Оптический
центр системы - в глубине глаза на
расстоянии 7,5 мм от наружной поверхности
роговицы. Основной преломляющий элемент этой
системы – роговица - имеет не сферическую,
а более сложную форму преломляющих
поверхностей, и это - хороший удар по
сферической аберрации. Хрусталик меняет свою оптическую силу
при сокращении или расслаблении
цириальных мышц; этим достигается
аккомодация глаза - его приспособление
к фокусировке изображения на сетчатке
как при рассматривании удалённых, так
и близких предметов. Необходимое
напряжение этих мышц даёт информацию
о расстоянии до рассматриваемого
предмета, даже если мы рассматриваем
его одним глазом. Общее количество
света, поступающее в глаз, регулируется
радужной оболочкой. Она может быть
разной по цвету, и потому люди бывают
голубоглазые, кареглазые и т.п. Она
управляется парой мышц. Имеется мышца,
сужающая зрачки (циркулярная мышца),
имеется мышца, его расширяющая (радиальная
мышца). Рассмотрим далее особенности строения
сетчатки. Её назначение - преобразовать
оптическое изображение, полученное на
её поверхности, в потоки электрических
нервных импульсов, поступающих в мозг.
Эти преобразования осуществляются
клетками-фоторецепторами двух типов,
получивших, в связи с особенностями
своей формы, название колбочек и палочек. Колбочки-фоторецепторы дневного зрения.
Обеспечивают цветовое зрение. Палочки
- рецепторы сумеречного зрения. Каждый
глаз человека содержит примерно 125*106
палочек и 5*106 колбочек, итого 130*106
фоторецепторов. Колбочки и палочки
распределены по сетчатке очень
неравномерно: на периферии размещены
только палочки, чем ближе к области
жёлтого пятна, тем больше встречается
колбочек; в жёлтом пятне размещены
только колбочки и их плотность (количество
на единицу площади) очень велика, так
что здесь эти клетки даже «изготавливаются»
в малогабаритном варианте - они более
мелкие, чем в других областях сетчатки. Область жёлтого пятна сетчатки - это
область наилучшего зрения. Здесь мы
фокусируем изображение предмета, если
хотим разглядеть этот предмет особо
тщательно. Плотность «упаковки» колбочек в жёлтом
пятне определяет остроту нашего зрения.
Плотность эта, в среднем, такова, что на
отрезке длиной 5 мкм умещаются три
колбочки. Для того, чтобы глаз различал
две точки предмета, необходимо, чтобы
между двумя засвеченными колбочками
непременно находилась одна не засвеченная. Рефракция
(преломление) света
в глазе является нормальной, если
изображение предмета, даваемое оптической
системой глаза, ложится на наружные
сегменты фоторецепторов, и при этом
мышцы, управляющие кривизной хрусталика,
расслаблены. Такая (нормальная) рефракция
называетсяэмметропией.
Отклонение от эмметропии – аметропия
– встречается в двух разновидностях.Миопия
(близорукость) –
изображение фокусируется не на сетчатке,
а перед ней, то есть преломление света
в глазе происходит «слишком хорошо».
Эта избыточность устранима рассеивающими
очковыми линзами (оптическая сила
отрицательная). Гиперметропия
(дальнозоркость)
– разновидность аметропии, при которой
изображение формируется за сетчаткой.
Чтобы вернуть изображение на сетчатку,
надо «помочь» глазу собирающей очковой
линзой (оптическая сила положительная).
Говоря иначе, если оптическая сила глаза
недостаточна, её можно увеличить
дополнительным слагаемым - оптической
силой собирающей очковой линзы. Появление контактных линз вместо
классических очков поначалу воспринималось
чуть ли не как революция. При обсуждении возможностей контактной
линзы необходимо принять во внимание,
что относительный показатель преломления
на первой (по ходу луча) поверхности
контактной линзы фактически равен
абсолютному показателю преломления
материала линзы, а на второй поверхности
он равен отношению абсолютных показателей
преломления роговицы и линзы. При внедрении любого изобретения рано
или поздно обнаруживаются как достоинства,
так и недостатки. Классические очки и
контактные линзы, в их нынешнем виде,
можно сопоставить следующим образом: Классические очки легко одевать и
снимать, но не удобно носить; Контактные линзы удобно носить, но не
удобно надевать и снимать. Лазерная коррекция зрения – это
микрооперация на наружной поверхности
роговицы. Напомним, что роговица -
основной светопреломляющий элемент
оптической системы глаза. Коррекция
зрения достигается изменением кривизны
наружной поверхности роговицы. Например,
если сделать поверхность более плоской,
(т.е. увеличить радиус кривизны R),
то согласно формуле (4) оптическая силаDэтой поверхности
уменьшится. Серьёзные проблемы со зрением возникают
при отслоении сетчатки. В этих случаях
нашёл применение метод закрепления
сетчатки на предусмотренном природой
месте с помощью фокусированного лазерного
луча. Этот способ закрепления подобен
точечной сварке металлов в технике.
Сфокусированный луч создаёт малую зону
повышенной температуры, в которой
происходит «сварка» биологических
тканей (в прямом и переносном смысле). Ретиналь - одна из двух основных компонент
родопсина – это альдегид витамина А. С
учётом того, что наружные сегменты
фоторецепторов постоянно обновляются,
полноценное обеспечение организма
витамином А отвечает интересам поддержания
зрительной системы в хорошем состоянии. 4
. Оптический
микроскоп. Ход лучей в микроскопе.
Полезное увеличение микроскопа.
Микроско́п
- прибор, предназначенный
для получения увеличенных изображений,
а также измерения объектов или деталей
структуры, невидимых или плохо видимых
невооружённым глазом. Представляет
собой совокупность линз. Совокупность технологий изготовления
и практического использования микроскопов
называют микроскопией., В микроскопе
различают механическую и оптическую
части. Механическая часть представлена
штативом (состоящим из основания и
тубусодержателя) и укрепленным на нем
тубусом с револьвером для крепления и
смены объективов. К механической части
относятся также: предметный столик для
препарата, приспособления для крепления
конденсора и светофильтров, встроенные
в штатив механизмы для грубого
(макромеханизм, макровинт) и тонкого
(микромеханизм, микровинт) перемещения
предметного столика или тубусодержателя. Оптическая часть представлена
объективами, окулярами и осветительной
системой, которая в свою очередь состоит
из расположенных под предметным столиком
конденсора Аббе и встроенного осветителя
с низковольтной лампой накаливания и
трансформатором. Объективы ввинчиваются
в револьвер, а соответствующий окуляр,
через который наблюдают изображение,
устанавливают с противоположной стороны
тубуса. К механической части относится штатив,
состоящий из основания и тубусодержателя.
Основание служит опорой микроскопа и
несет всю конструкцию штатива. В основании
микроскопа находится также гнездо для
зеркала или встроенный осветитель. предметный столик, служащий для размещения
препаратов и горизонтальногоих
перемещения; узел для крепления и вертикального
светофильтров. Полезное увеличение
– это
видимое увеличение, при котором глаз
наблюдателя будет полностью использовать
разрешающую способность микроскопа,
то есть разрешающая способность
микроскопа будет такая же, как и
разрешающая способность глаза Максимальное
полезное увеличение микроскопа, т. е.
увеличение, с которым выявляются детали
рассматриваемого предмета, определяется
по формуле где d1 – максимальная разрешающая
способность человеческого глаза, равная
0,3 мм; d – максимальная разрешающая
способность оптической системы. Закон преломления, который часто используют в оптике, говорит о том, что:
\[\frac{{\sin \alpha \ }}{{\sin \gamma \ }}=n_{21}\to \frac{{\sin \alpha \ }}{n_{21}}={\sin \gamma \ }\left(1\right),\]
$\alpha $ - угол падения; $\gamma $ - угол преломления; $=\frac{n_2}{n_1}$ - относительный показатель преломления. Из уравнения (1) очевидно, что если $n_{21} 1\ },$ что не имеет смысла. Подобный случай имеет место для всех значений угла падения ($\alpha $), которые удовлетворяют условию ${\sin \alpha \ }>n_{21}$, что возможно при $n_{21} Угол падения ($\alpha $), при котором выполняется условие:
\[{sin {\alpha }_{kr}\ }=n_{21}(2)\]
называют критическим или предельным углом. При выполнении условия (2) преломленной волны мы наблюдать не можем, вся световая волна отражается обратно в первое вещество. Такое явление называется явлением полного внутреннего отражения. Рассмотрим два одинаковых вещества, которые разделяет тонкий слой воздуха. На этот слой падает луч света под углом, большим критического. Световая волна, попадающая в воздушный зазор, может быть неоднородной. Допустим, что толщина промежутка воздуха мала, при этом световая волна падает на вторую границу вещества не сильно ослабленной. Распространившись из воздушного промежутка в вещество, волна снова станет однородной. Данный эксперимент был выполнен Ньютоном. Он длинную плоскую грань прямоугольной призмы прикладывал к телу со сферической гранью. Свет попадал во вторую призму не только в месте соприкосновения тел, но и в небольшом кольцевом пространстве около места контакта, там, где толщина воздушного промежутка имеет порядок равный длине волны. При проведении опытов с белым светом край кольца приобретал красноватую окраску, так как глубина проникновения пропорциональна длине волны (а для красных лучей она больше, чем для синих). При изменении толщины воздушного зазора, изменится интенсивность проходящего света. Данное явление стало основой светового телефона, который запатентовала фирмой Цейсс. В разработанном приборе одной средой становилась прозрачная мембрана, совершающая колебания при воздействии на нее звуком, попадающим на нее. Свет, распространяющийся через воздушный зазор, меняет свою интенсивность в такт с изменениями силы звука. Благодаря попаданию света на фотоэлемент, возникает переменный ток, в свою очередь зависящий от изменений силы звука. Возникающий ток подвергается усилению и используется далее. На явлении полного внутреннего отражения основывается устройство прибора, с помощью которого можно определять показатель преломления вещества - рефрактометр Аббе- Пульриха. Полное внутренне отражение происходит на границе между стеклом, показатель преломления которого довольно большой, и он известен, и тонким слоем жидкости, которую наносят на поверхность стекла. Рефрактометр состоит из стеклянной призмы АА (между стеклами призмы помещают исследуемую жидкость), светофильтра (F), рычага, который поворачивается около трубы T, шкалы в виде дуги (D), на которую нанесены значения показателей преломления (рис.1). Пучок света S проходит через светофильтр и испытывает полное внутреннее отражение на границе капля - призма. Погрешность данного рефрактометра не более 0,1\%. На основе явления полного внутреннего отражения основывается волоконная оптика, в которой формируются изображения при распространении света по световодам. Световоды представляют собой совокупности гибких волокон из прозрачных веществ, например, из расплавов кварцевого песка, покрытых оболочкой из прозрачного материала с показателем преломления меньшим, чем у стекла. В результате многократного отражения световая волна в световоде направляется по необходимому пути. Комплексы оптических волоком можно применять для исследования внутренних органов или передачи информации с помощью компьютеров. Перископ (прибор для наблюдения из укрытия) основывается на явлении полного отражения. В перископах для изменения направления распространения света используют зеркала или системы линз. Пример 1
Задание.
Объясните, почему происходит сверкание («игра») драгоценных камней при их ювелирной обработке? Решение.
При ювелирной огранке камня способ его обработки подбирают таким образом, чтобы на каждой его грани возникало полное отражение света. Так, например, рис.2 Пример 2
Задание.
Каким будет предельный угол полного внутреннего отражения для каменной соли, если показатель ее преломления составляет $n=1,54$? Решение.
Изобразим ход лучей при попадании света из воздуха на кристалл соли на рис.3. Запишем закон полного внутреннего отражения:
\[{sin {\alpha }_{kr}\ }=n_{21}\left(2.1\right),\]
где $n_{21}=\frac{n_1}{n}\ $($n_1=1$ показатель преломления воздуха), тогда:
\[{\alpha }_{kr}={\arcsin (\frac{n_1}{n})\ }.\]
Поведём вычисления:
\[{\alpha }_{kr}={\arcsin \left(\frac{1}{1,54}\right)\approx 40,5{}^\circ \ }.\]
Ответ.
${\alpha }_{kr}=40,5{}^\circ $ Явление полного внутреннего отражения используется в волоконной оптике, для передачи световых сигналов на большие расстояния. Использование обычного зеркального отражения, не дает желаемого результата, так как даже зеркало самого высокого качества (посеребренное) поглощает до 3% световой энергии. При передачи света на большие расстояния энергия света приближается к нулю. При входе в световод падающий луч направляется под углом заведомо больше предельного, что обеспечивает отражение луча без потерей энергии. Световоды, состоящие из отдельных волокон, достигают в диаметре человеческого волоса, при скорости передачи более быстрой, чем скорость протекания тока, что позволяет ускорить передачу информации. Волоконные световоды с успехом применяют в медицине. Например, световод вводят в желудок или в область сердца для освещения или наблюдения тех или иных участков внутренних органов. Использование световодов позволяет исследовать внутренние органы без введения лампочки, то есть исключая возможность перегрева. е) Рефрактометрия (от лат. refractus - преломленный и греч. metreo - измеряю) - метод анализа, основанный на явлении преломления света при прохождении из одной среды в другую. Преломление света, то есть изменение его первоначального направления, обусловлено различной скоростью распределения света в различных средах. 28.Поляризация света. Свет естественный и поляризованный. Оптически активные вещества. Измерение концентрации раствора по углу поворота плоскости поляризации (поляриметрия).
а) Поляризацией света называется выделение из пучка естественного света лучей с определенной ориентацией электрического вектора. б) ЕСТЕСТВЕННЫЙ СВЕТ
(неполяризованный свет)-
совокупность некогерентных световых волн со всеми возможными направлениями напряжённости эл.-магн. поля, быстро и беспорядочно сменяющими друг друга. Свет, испускаемый отд. центром излучения (атомом, молекулой, узлом кристаллич. решётки и т. п.), обычно поляризован линейно и сохраняет состояние поляризации в течение 10-8 с и меньше (это следует из экспериментов по наблюдению интерференции световых пучков при большой разности хода, когда, следовательно, могут интерферировать волны, испущенные в начале и в конце указанного временного интервала). В следующем акте излучения свет может обладать др. направлением поляризации. Обычно одновременно наблюдается излучение огромного числа центров, различно ориентированных и меняющих ориентацию но законам статистики. Это излучение и является Е. с. <Мн. источники света (раскалённые тела, светящиеся газы) испускают свет, близкий к Е. с., но всё же в небольшой степени поляризованный. Это объясняется прохождением света внутри источника от глубинных слоев наружу и прохождением света через среду от источника к наблюдателю (поляризация при отражении, при рассеянии света средой, дихроизм среды и т. п.). Близок к Е. с. прямой солнечный свет. ПОЛЯРИЗОВАННЫЙ СВЕТ -
световые волны, электромагнитные колебания которых распространяются только в одном направлении. Обычный СВЕТ распространяется во всех направлениях, перпендикулярных к направлению его движения. В зависимости от сетки колебаний ученые различают три вида поляризации: линейную (плоскостную), круговую и эллиптическую. В линейно поляризованном свете электрические колебания ограничиваются только одним направлением, и магнитные колебания направлены под прямыми углами. Линейно поляризованный свет возникает при ОТРАЖЕНИИ, например, от листа стекла или поверхности воды, при прохождении света через некоторые виды кристаллов, например, кварца, турмалина или кальцита. Поляризационный материал используется в поляризующих солнцезащитных очках для того, чтобы ослабить яркий свет путем отведения света, поляризующегося при отражении. в)Оптически активные вещества
- среды, обладающие естественной оптической активностью. Оптическая активность - это способность среды (кристаллов, растворов, паров вещества) вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через неё оптического излучения (света). Метод исследования оптической активности - поляриметрия. г) Быстрота и точность определения концентрации очень многих растворов оптическим путем сделали этот метод весьма распространенным. Основан он на явлении вращения плоскости поляризации света. Вещества, способные вращать плоскость поляризации падающего на них линейно поляризованного света, называются оптически активными. Оптически активными могут быть чистые жидкости(например, скипидар), растворы некоторых веществ (водный раствор сахара), некоторые углеводы. Направление вращения плоскости поляризации у различных веществ не одинаково. Если смотреть навстречу лучу, проходящему через вещество, то одна часть веществ вращает плоскость поляризации по часовой стрелке (правовращающие вещества), другая – против (левовращающие вещества). Некоторые вещества имеют две модификации, одна из которых вращает плоскость поляризации по часовой стрелке, другая – против (кварц). Естественный свет, проходя через поляризатор П, превращается в плоскополяризованный. Cветофильтр F пропускает на кварцевую пластинку К свет определенной частоты. Кварцевая пластинка вырезана перпендикулярно оптической оси, следовательно, свет распространяется вдоль этой оси без двойного лучепреломления. Если заранее, в отсутствие кварцевой пластинки, установить анализатор А на полное затемнение (николи скрещены), то при внесении кварцевой пластинки поле зрения просветляется. Для полного затемнения теперь нужно повернуть анализатор на некоторый угол φ. Таким образом, поляризованный свет, прошедший через кварц, не приобрел эллиптической поляризации, а остался линейно поляризованным; при прохождении через кварц плоскость поляризации лишь повернулась на некоторый угол, измеряемый поворотом анализатора А, необходимым для затемнения поля в присутствии кварца. Меняя светофильтр, можно обнаружить, что угол поворота плоскости поляризации для разных длин волн различен, т.е. имеет место вращательная дисперсия. Для данной длины волны угол поворота плоскости поляризации пропорционален толщине пластинки d: где φ – угол поворота плоскости поляризации; d – толщина пластины; α – удельное вращение. Удельное вращение зависит от длины волны, природы вещества и температуры. Например, у кварца α = 21,7 град/мм для λ = 589 нм и α = 48,9 град/мм для λ = 405 нм. При распространении линейно поляризованного света в растворе оптически активного вещества угол поворота плоскости поляризации зависит от толщины слоя d и от концентрации раствора С: На рис. 2, а обозначены: E1 – световой вектор левой составляющей, E2 – световой вектор правой составляющей, РР – направление суммарного вектора E . Если скорости распространения обеих волн неодинаковы, то по мере прохождения через вещество один из векторов, например E1, будет отставать в своем вращении от вектора E2 (см. рис. 2, б), т.е. результирующий вектор E будет поворачиваться в сторону более «быстрого» вектора E2 и займет положение QQ. Угол поворота будет равен φ. Различие в скорости распространения света с разными направлениями круговой поляризации обусловлено асимметрией молекул или же асимметричным расположением атомов в кристалле. Для измерения углов поворота плоскости поляризации используются приборы, которые называются поляриметрами и сахариметрами. 29.Особенности излучения и поглощения энергии атомами и молекулами. Спектры (излучения и поглощения) атомарные, молекулярные и спектры кристаллов. Спектрометрия и ее применение в медицине.
Атом и молекула могут находиться в стационарных энергетических состояниях. В этих состояниях они не излучают и не поглощают энергии. Энергетические состояния схематически изображают в виде уровней. Самый нижний уровень энергии - основной - соответствует основному состоянию. При квантовых переходах атомы и молекулы скачкообразно переходят из одного стационарного состояния в другое, с одного энергетического уровня на другой. Изменение состояния атомов связано с энергетическими переходами электронов. В молекулах энергия может изменяться не только в результате электронных переходов, но и вследствие изменения колебания атомов и переходов между вращательными уровнями. При переходе с более высоких энергетических уровней на нижние атом или молекула отдает энергию, при обратных переходах поглощает. Атом в основном состоянии способен только поглощать энергию. Различают два типа квантовых переходов: 1) без излучения или поглощения электромагнитной энергии атомом или молекулой. Такой безызлучательный переход происходит при взаимодействии атома или молекулы с другими частицами, например в процессе столкновения. Различают неупругое столкновение, при котором изменяется внутреннее состояние атома и осуществляется безызлучательный переход, и упругое - с изменением кинетической энергии атома или молекулы, но с сохранением внутреннего состояния; 2) с излучением или поглощением фотона. Энергия фотона равна разности энергий начального и конечного стационарных состояний атома или молекулы В зависимости от причины, вызывающей квантовый переход с испусканием фотона, различают два вида излучения. Если эта причина внутренняя и возбужденная частица самопроизвольно переходит на нижний энергетический уровень, то такое излучение называют спонтанным. Оно случайно и хаотично по времени, частоте (могут быть переходы между разными подуровнями), по направлению распространения и поляризации. Обычные источники света испускают в основном спонтанное излучение. Другое излучение вынужденное, или индуцированное.Оно возникает при взаимодействии фотона с возбужденной частицей, если энергия фотона равна разности уровней энергий. В результате вынужденного квантового перехода от частицы будут распространяться в одном направлении два одинаковых фотона: один - первичный, вынуждающий, а другой - вторичный, испущенный. Излучаемая атомами или молекулами энергия формирует спектр испускания, а поглощаемая - спектр поглощения. Квантовые переходы осуществляются не между любыми энергетическими уровнями. Установлены правила отбора, или запрета, формулирующие условия, при которых переходы возможны и невозможны или маловероятны. Энергетические уровни большинства атомов и молекул достаточно сложны. Структура уровней и, следовательно, спектров зависит не только от строения одиночного атома или молекулы, но и от внешних причин. Спектры являются источником различной информации. Прежде всего по виду спектра можно идентифицировать атомы и молекулы, что входит в задачи качественного спектрального анализа. По интенсивности спектральных линий определяют количество излучающих (поглощающих) атомов - количественный спектральный анализ. При этом сравнительно легко находят примеси в концентрациях 10~5-10~6% и устанавливают состав образцов очень малой массы - до нескольких десятков микрограммов. По спектрам можно судить о строении атома или молекулы, структуре их энергетических уровней, подвижности отдельных частей больших молекул и т.п. Зная зависимость спектров от полей, воздействующих на атом или молекулу, получают информацию о взаимном расположении частиц, ибо воздействие соседних атомов (молекул) осуществляется посредством электромагнитного поля. Изучение спектров движущихся тел позволяет на основании оптического эффекта Доплера определить относительные скорости излучателя и приемника излучения. Если учесть, что по спектру вещества удается сделать выводы о его состоянии, температуре, давлении и т.п., то можно высоко оценить использование излучения и поглощения энергии атомами и молекулами как исследовательский метод. В зависимости от энергии (частоты) фотона, испускаемого или поглощаемого атомом (или молекулой), классифицируют следующие виды спектроскопии: радио-, инфракрасная, видимою излучения, ультрафиолетовая и рентгеновская. По типу вещества (источника спектра) различают атомные, молекулярные спектры и спектры кристаллов. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ СПЕКТРЫ
- спектры поглощения, испускания или рассеяния, возникающие при квантовых переходах молекул из одного энергетич. состояния в другое. M. с. определяются составом молекулы, её структурой, характером хим. связи и взаимодействием с внеш. полями (и, следовательно, с окружающими её атомами и молекулами). Наиб. характерными получаются M. с. разреженных молекулярных газов, когда отсутствует уширение спектральных линий давлением: такой спектр состоит из узких линий с доп-леровской шириной. Рис. 1. Схема уровней энергии двухатомной молекулы: a
и б
-электронные уровни; u"
и u""
- колебательные квантовые числа; J"
и J
"" - вращательные квантовые числа
. В соответствии с тремя системами уровней энергии в молекуле - электронной, колебательной и вращательной (рис. 1), M. с. состоят из совокупности электронных, колебат. и вращат. спектров и лежат в широком диапазоне эл--магн. волн - от радиочастот до рентг. области спектра. Частоты переходов между вращат. уровнями энергии обычно попадают в микроволновую область (в шкале волновых чисел 0,03-30 см -1), частоты переходов между колебат. уровнями -в ИК-обла-сть (400-10 000 см -1), а частоты переходов между электронными уровнями - в видимую и УФ-области спектра. Это разделение условное, т. к. часто вращат. переходы попадают и в ИК-область, колебат. переходы - в видимую область, а электронные переходы - в ИК-область. Обычно электронные переходы сопровождаются и изменением колебат. энергии молекулы, а при колебат. переходах изменяется и вращат. энергия. Поэтому чаще всего электронный спектр представляет собой системы электронно-колебат. полос, причём при высоком разрешении спектральной аппаратуры обнаруживается их вращат. структура. Интенсивность линий и полос в M. с. определяется вероятностью соответствующего квантового перехода. Наиб. интенсивные линии соответствуют переходу, разрешённому отбора правилами.К M. с. относят также оже-спектры и рентг. спектры молекул
(в статье не рассматриваются; см. Оже-эффект, Оже-спектроскопия, Рентгеновские спектры, Рентгеновская спектроскопия)
. Спектры кристаллов
(оптические) по структуре разнообразны. Наряду с узкими линиями они содержат широкие полосы (отношение частоты n к скорости света с
от долей до нескольких тыс. см -1
) и сплошные области спектра, простирающиеся на десятки тыс. см -1
(см. Спектры оптические
).
В инфракрасной области спектров поглощения наблюдаются полосы, связанные с квантовыми переходами между энергетическими уровнями, обусловленными колебательными движениями частиц кристалла, которым сопутствуют изменения электрического дипольного момента: поглощается фотон и рождается квант колебаний кристаллической решётки - фонон.
Процессы, сопровождающиеся рождением нескольких фононов, «размывают» и усложняют наблюдаемый спектр. В реальном кристалле обычно есть дефекты структуры (см. Дефекты в кристаллах
),
вблизи них могут возникать локальные колебания, например внутренние колебания примесной молекулы. При этом в спектре появляются дополнительные линии с возможными «спутниками», обусловленными связью локального колебания с решёточными. В полупроводниках
некоторые примеси образуют центры, в которых электроны движутся на водородоподобных орбитах. Они дают спектр поглощения в инфракрасной области, состоящий из серии линий, заканчивающихся непрерывной полосой поглощения (ионизация примеси). Поглощение света электронами проводимости и дырками в полупроводниках и металлах
начинается также в инфракрасной области (см. Металлооптика
).
В спектрах магнитоупорядоченных кристаллов аналогично фононам проявляют себя магноны (см. Спиновые волны
).
В спектре рассеянного света из-за взаимодействия света с колебаниями решётки, при которых изменяется поляризуемость кристалла, наряду с линией исходной частоты n o появляются линии, сдвинутые по обе стороны от неё на частоту решёточных колебаний, что соответствует рождению или поглощению фононов (см. Комбинационное рассеяние света,
рис. 1
). Акустические решёточные колебания приводят к тому, что при рассеянии света на тепловых флуктуациях у центральной (не смещенной) релеевской линии также появляются боковые спутники, обусловленные рассеянием на распространяющихся флуктуациях плотности (см. Рассеяние света
).
Большинство неметаллических кристаллов за инфракрасной областью в определённом интервале частот прозрачно. Поглощение возникает снова, когда энергия фотона становится достаточно велика, чтобы вызвать переходы электронов из верхней заполненной валентной зоны в нижнюю часть зоны проводимости кристалла. Спектр этого интенсивного собственного поглощения света отображает структуру электронных энергетических зон кристалла и простирается дальше в видимый диапазон, по мере того как «включаются» переходы между др. энергетическими зонами. Положение края собственного поглощения определяет окраску идеального кристалла (без дефектов). Для полупроводников длинноволновая граница области собственного поглощения лежит в ближней инфракрасной области, для ионных кристаллов -
в ближней ультрафиолетовой области. Вклад в собственное поглощение кристалла наряду с прямыми переходами электронов дают и непрямые переходы, при которых дополнительно рождаются или поглощаются фононы. Переходы электронов из зоны проводимости в валентные зоны могут сопровождаться рекомбинационным излучением. Электрон проводимости и дырка благодаря электростатическому притяжению могут образовать связанное состояние - экситон. Спектр экситонов может варьироваться от водородоподобных серий до широких полос. Линии экситонного поглощения лежат у длинноволновой границы собственного поглощения кристалла Экситоны ответственны за электронные спектры поглощения молекулярных кристаллов. Известна также экситонная люминесценция.
Энергии электронных переходов между локальными уровнями дефектных центров попадают обычно в область прозрачности идеального кристалла, благодаря чему они часто обусловливают окраску кристалла. Например, в щёлочно-галоидных кристаллах возбуждение электрона, локализованного в анионной вакансии
(F-центр окраски), приводит к характеристической окраске кристалла. Различные примесные ионы (например, Тl в КСl) образуют центры люминесценции в кристаллофосфорах
.
Они дают электронно-колебательные (вибронные) спектры. Если электрон-фононное (вибронное) взаимодействие в дефектном центре слабое, то в спектре появляется интенсивная узкая бесфононная линия (оптический аналог линии Мёссбауэра эффекта
),
к которой примыкает «фононное крыло» со структурой, отражающей особенности динамики кристалла с примесью (рис. 3
). С ростом вибронного взаимодействия интенсивность бесфононной линии падает. Сильная вибронная связь приводит к широким бесструктурным полосам. Поскольку часть энергии возбуждения в процессе колебательной релаксации до излучения рассеивается в остальном кристалле, максимум полосы люминесценции лежит по длинноволновую сторону от полосы поглощения (правило Стокса). Иногда к моменту испускания светового кванта в центре не успевает установиться равновесное распределение по колебательным подуровням, при этом возможна «горячая» люминесценция. Если кристалл содержит в качестве примесей атомы или ионы переходных или редкоземельных элементов, с недостроенными f-
или d-оболочками, то можно наблюдать дискретные спектральные линии, соответствующие переходам между подуровнями, возникающими в результате расщепления атомных уровней внутрикристаллическим электрическим полем СПЕКТРОМЕТРИЯ - совокупность методов и теория измерений спектров эл.-магн. излученияи изучение спектральных свойств веществ и тел в оптич. диапазоне длин волн(~1 нм - 1 мм). Измерения в С. осуществляются с помощью спектральныхприборов.
"
Использование явления полного отражения
Применение явления полного внутреннего отражения
Примеры задач с решением
