Модуль 3. В залежності від частоти чи довжини хвилі (ці величини пов'язані між собою), електромагнітні хвилі відносять до різних діапазонів

Тема 5

1.

В залежності від частоти чи довжини хвилі (ці величини пов'язані між собою), електромагнітні хвилі відносять до різних діапазонів. Хвилі в різних діапазонах різним чином взаємодіють із фізичними тілами.

Електромагнітні хвилі з найменшою частотою (або найбільшою довжиною хвилі) належать до радіодіапазону. Радіодіапазон використовується для передачі сигналів на віддаль за допомогою радіо,телебачення, мобільних телефонів. У радіодіапазоні працює радіолокація. Радіодіапазон розділяється на метровий, дециметровий, сантиметровий, міліметровий, в залежності від довжини електомагнітної хвилі.

Електромагнітні хвилі з вищою частотою належать до інфрачервоного діапазону. В інфрачервоному діапазоні лежить теплове випромінювання тіла. Реєстрація цього випроміювання лежить в основі роботи приладів нічного бачення. Інфрачервоні хвилі застосовуються також для вивчення теплових коливань у тілах і допомагають встановити атомну структуру твердих тіл, газів та рідин.

Електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі від 400 нм до 760 нм належать до діапазону видимого світла. В залежності від частоти й довжини хвилі видиме світло розрізняється за кольорами.

Хвилі з довжиною меншою за 400 нм називаються ультрафіолетовими. Людське око їх не розрізняє, хоча їхні властивості не дуже відрізняються від властивостей хвиль видимого діапазону. Більша частота, а, отже, й енергія квантів такого світла призводить до більш руйнівної дії ультрафіолетових хвиль на біологічні об'єкти. Земна поверхня захищена від шкідливої дії ультрафіолетових хвиль озоновим шаром. Для додаткового захисту природа наділила людей темною шкірою. Проте ультрафіолетові промені потрібні людині для продукування вітаміну D. Саме тому люди в північних широтах, де інтенсивність ультрафіолетових хвиль менша, втратили темне забарвлення шкіри.

Електромагнітні хвилі ще вищої частоти належать до рентгенівського діапазону. Вони називаються так тому, що їх відкрив Рентген, вивчаючи випромінювання, яке утворюється при гальмуванні електронів. В закордонній літературі такі хвилі заведено називати X-променями, поважаючи бажання Рентгена, щоб промені не називали його іменем. Рентгенівські хвилі слабо взаємодіють із речовиною, сильніше поглинаючись там, де густина більша. Цей факт використовується в медицині для рентгенівської флюорографії. Рентгенівські хвилі застосовуються також для елементного аналізу та вивчення структури кристалічних тіл.

Найвищу частоту й найменшу довжину мають γ-промені. Такі промені утворюються внаслідок ядерних реакцій і реакцій між елементарними частинками. γ-промені мають велику руйнівну дію на біологічні об'єкти. Проте вони використовуються у фізиці для вивчення різних характеристик атомного ядра

2.

Закон Снеліуса або закон Снела визначає напрям розповсюдження променя світла, який падає на плоску границю розділу двох середовищ. ^[1]

Закон Снеліуса записується

,

де - кут падіння, - кут заломлення, та - показники заломлення двох середовищ.

Якщо показник заломлення другого середовища більший за показник заломлення того середовища, звідки світло падає, то кут заломлення менший за кут падіння. Якщо показник заломлення другого середовища менший за показник заломлення того середовища, звідки світло падає, то кут заломлення більший за кут падіння.

Заломлення світла пов'язане із зміною швидкості розповсюдження при переході від одного середовища до іншого.

Перший закон відбивання світла: падаючий і відбитий промені лежать в одній площині з перпендикуляром до відбивної поверхні, опущеним у точку падіння променя.

Другий закон відбивання світла: кут відбивання дорівнює куту падіння променя

Повне внутрішнє відбиття — явище непроникання косих світлових променів із середовища із більшою оптичною густиною в середовище із меншою оптичною густиною.

На малюнку праворуч показані дві можливі ситуації, які виникають при падінні світла із оптично густішого середовища. При малих кутах падіння (ця ситуація зображена червоним) світло частково проникає в інше середовище, частково відбивається на границі розділу. Кут заломлення визначається законом Снеліуса і є більшим за кут падіння.

3.

Інтерференція світла — перерозподіл інтенсивності світла в результаті накладення (суперпозиції) декількох світлових хвиль. Це явище супроводжується чергуванням в просторі максимумів і мінімумів інтенсивності. Її розподіл називається інтерференційною картиною.

Когере́нтність — це властивість хвилі зберігати свої частотні, поляризаційні й фазові характеристики.

4.

Дифракція Френеля — дифракційна картина, яка спостерігається на невеликій віддалі від перешкоди, в умовах, коли основний вклад у інтерференційну картину дають границі екрану.

На малюнку справа схематично зображений непрозорий екран із круглим отвором (апертура), за яким розташоване джерело світла, зображення фіксується на іншому екрані. Внаслідок дифракції світло, яке проходить через отвір розходиться, тож область, яка була б тінню згідно з геометричною оптикою, буде частково освітленою. Натомість в області, яка при прямолінійному розповсюджені світла була б освітленою, спостерігатимуться коливання інтенсивності освітлення у вигляді концентричних кілець.

Дифракційна картина у випадку дифракції Френеля залежить від віддалі між екранами й від розташування джерела світла. Її можна розрахувати, вважаючи, що кожна точка у перетині апертури випромінює сферичну хвилю згідно з принципом Гюйгенса. У точці спостереження (на другому екрані) хвилі або підсилюють одна одну або гасяться в залежності від різниці ходу.

5.

Дифракція Фраунгофера (або дифракція плоских світлових хвиль, або дифракція в паралельних променях) спостерігається в тому випадку, коли джерело світла й точка спостереження нескінченно вилучені від перешкоди, що викликала дифракцію.

Для спостереження дифракції Фраунгофера необхідно точкове джерело помістити у фокусі лінзи, що збирає, а дифракційну картину можна досліджувати у фокальній площині другої лінзи, що збирає, установленої за перешкодою.

Дифракційна ґрадка — оптичний елемент з періодичною структурою, здатний впливати на поширення світлових хвиль так, що енергія хвилі, яка пройшла через ґратку, зосереджується в певних напрямках. Напрямки поширення цих пучків залежать від періоду ґратки та довжини світлових хвиль, тобто дифракційна ґратка працює якдисперсійний елемент. Монохроматичний світловий пучок, що падає на ґратку, теж розділиться на декілька пучків, які поширюються в різних напрямках. Дифракційні ґратки широко застосовуються у монохроматорах і спектрометрах.

6.

Закон Малюса — физический закон, выражающий зависимость интенсивности линейно-поляризованного света после его прохождения через поляризатор от угла между плоскостями поляризации падающего света и поляризатора.

где — интенсивность падающего на поляризатор света, — интенсивность света, выходящего из поляризатора, —коэффициент пропускания поляризатора.

Установлен Э. Л. Малюсом в 1810 году.

В релятивистской форме

где и — циклические частоты линейно поляризованных волн, падающей на поляризатор и вышедшей из него.

7.

Дисперсія світла — залежність показника заломлення (або діелектричної проникності) середовища від частоти світла. Внаслідок зміни показника заломлення змінюється також довжина хвилі.

,

де - хвильове число, - довжина хвилі, - показник заломлення, - циклічна частота, c - швидкість світла.

Відношення

називають фазовою швидкістю.

8.

Теплове випромінювання — спільний процес конвекції і теплопровідності, при якій враховується температура всіх тіл, які мають температуру вище абсолютного нуля. Тобто це електромагнітне випромінювання з безперервним спектром, що випускається нагрітими тілами за рахунок їх теплової енергії., це є свічення тіл, зумовлене нагріванням.

Залежно від температури тіла, що випромінює, теплове випромінювання може належати до різних діапазонів згідно із законом зміщення Віна, але синонімом даного терміну часто називають інфрачервоне випромінювання. Характеристики теплового випромінювання (всі залежать від температури):

— енергетична світність тіла(інтегральна випромінювальна здатність)

— спектральна випромінювальна здатність

— інтегральна поглинальна здатність

— спектральна поглинальна здатність

Відношення випромінювальної здатності до поглинальної здатності тіла не залежить від природи тіла, є функцією довжини хвилі тіла і температури.

Чим більше тіло поглинає певного (електромагнітного)випромінювання, тим більше воно випромінює тих самих хвиль при тій самій температурі.

Закон Стефана-Больцмана дає залежність енергії випромінювання з одиниці площі поверхні в одиницю часу від ефективної температури тіла, що випромінює.

Загальна енергія теплового випромінювання визначається як:

,

де — потужність на одиницю площі поверхні випромінювання, а

Вт/(м²·К⁴) — стала Стефана—Больцмана.

Закон зміщення Віна дає залежність довжини хвилі, на якій потік випромінювання енергії чорного тіла сягає свого максимуму, від температури чорного тіла.

У системі СІ закон має вигляд:

де T — температура в кельвінах, а — довжина хвилі з максимальною інтенсивністю у метрах. Коефіцієнт у даній формулі має при цьому розмірність [ м К].

9.

Гипо́теза Пла́нка — гипотеза, выдвинутая 14 декабря 1900 года Максом Планком и заключающаяся в том, что при тепловом излучении энергия испускается и поглощается не непрерывно, а отдельными квантами (порциями). Каждая такая порция-квант имеет энергию , пропорциональную частоте ν излучения:

где h или — коэффициент пропорциональности, названный впоследствии постоянной Планка. На основе этой гипотезы он предложил теоретический вывод соотношения между температурой тела и испускаемым этим телом излучением — формулу Планка.

Позднее гипотеза Планка была подтверждена экспериментально.

Выдвижение этой гипотезы считается моментом рождения квантовой механики.

10.

Фотоефе́кт — явище «вибивання» світлом електронів із металів. Це повне або часткове вивільнення електронів від зв'язків з ядрами атомів речовини внаслідок дії на неї електромагнітного проміння (світла, рентгенівського чи гамма-променів).

Розрізняють: зовнішній фотоефект – вибивання електронів під дією світла (фотоелектронна емісія), гамма-випромінюваннятощо; внутрішній фотоефект – збільшення електропровідності напівпровідників або діелектриків під дією світла (фотопровідність); вентильний фотоефект – збудження світлом електрорушійної сили на межі між металом і напівпровідником або між різнорідними напівпровідниками (р-n перехід).

Фотоефект застосовується в ряді аналізаторів речовини. Явище фотоефекту покладено в основу дії фотоелементів.

Щоб струм не протікав, потрібно прикласти затримуючу (гальмуючу) напругу, за якою можна визначити кінетичну енергію фотоелектронів.

еUз =

Змінюючи частоту подаючого світла, Столєтов визначив кінетичну енергію фотоелектронів і встановив другий закон:

Максимальна кінетична енергія фотоелектронів лінійно зростає з частотою світла і не залежить від його інтенсивності.

Найменша частота хвилі, при якій ще можливий фотоефект, наз. червоною межею фотоефекту. Або:

Найбільша довжина хвилі, при якій ще можна спостерігати фотоефект, наз. червоною межею фотоефекту.

Третій з-н фотоефекту:

Поріг фотоефекту (червона межа) визначається тільки матеріалом електрода і не залежить від інтенсивності випромінювання.

3. Явище фотоефекту і його закони пояснюється квантовою теорією.

Енергія кварта, яка починається тілом, йде н роботу щодо виривання електрона (А6) і надання йому кінетичної енергії (Ек)

Е=А6+Ек

h λ=Ав + - р-ня Ейнштейна

Для кожної речовини існує найменша частота λmin, при якій ще можливий фотоефект V=0,

λ min = А – умова фотоефекту.

λ Λmin = - червона межа фотоефекту

h = 0,63. 10-34 Дж.с.

11.

Корпускуля́рно-хвильови́й дуалі́зм — запропонована Луї де Бройлем гіпотеза про те, що будь-яка елементарна частка має хвильові властивості, а будь-яка хвиля має властивості, характерні для частинки.

Гіпотеза де Бройля з'явилася тоді, коли стало відомо, що електромагнітні хвилі випромінюються й поглинаються порціями —квантами (див. абсолютно чорне тіло, фотоефект). Тобто, хвилі демонструють властивості, які раніше приписувалися лише частинкам (корпускулам).

Де Бройль висловив гіпотезу, що справедливе обернене твердження: будь-яка елементарна частинка має також хвильові властивості. Він оцінив довжину хвилі частинки, виходячи з енергетичних міркувань. Якщо електромагнітна хвиля з частотою ν має енергію , де h — стала Планка, то схожим чином можна визначити також частоту (а отже, й довжину хвилі) інших частинок, наприклад, електронів.

Енергія частинки згідно з положеннями теорії відностності залежить від її маси. Тоді для визначення довжини хвилі де Бройля λ можна скористатися співвідношенням

.

Гіпотеза де Бройля знайшла підтвердження, коли в 1925 р. Ервін Шредінгер використав її для запису хвильового рівняння.

Експериментальне відкриття в 1927 р. явища дифракції електронів остаточно підтвердило справедливість коспускулярно-хвильового дуалізму.