Зависимость интенсивности от длины волны

Читайте также:

1. III.Применение МСП.
2. А. Независимость властей друг от друга.
3. Бетонирование с применением противоморозных химических добавок.
4. Большая зависимость от сельскохозяйственного производства и экс- порта топлива и сырья.
5. БУНТ – массовое действие, имеющее очень высокую степень интенсивности, активности его участников, но еще больше ограниченного временем протекания, причиной его вызвавшей.
6. В архитектуре общественных зданий получили широкое применение большепролетные тонкостенные конструкции из железобетона.
7. Важнейшие различия спектров звезд заключаются в количестве и интенсивности наблюдаемых спектральных линий, а также в распределении энергии в непрерывном спектре.
8. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СВЕТА С ВЕЩЕСТВОМ
9. Взаимодействие электрических зарядов. Закон Кулона. Применение закона Кулона для расчета сил взаимодействия протяженных заряженных тел.
10. Взаимозависимость отклонений
11. ВИДЫ АППАРАТОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
12. Виды биореакторов и их применение

Наоборот,при рассмотрении таких систем в проходящем свете,можно наблюдать оранжево- красные оттенки,связанные с частичной потерей в результате рассеивания фиолетовой части спектра. Поэтому небесные светила при расположении вблизи горизонта имеют красноватый цвет.

Лучше рассеиваются наиболее короткие волны синей и фиолетовой частей спектра. Для системы с неокрашенными коллоидными частицами при боковом освещении характерна голубоватая опалесценция. Этим объясняется голубой цвет табачного дыма,горящего гаха,снятого молока. Голубой цвет неба также обусловлен рассеиванием света мельчайшими каплями воды и флуктуациями (изменчивостью по крупности ) плотности атмосферы.

Для коллоидных растворов характерно светорассеяние.При прохождении световой волны через коллоидную систему,свет может поглащаться,отражается или рассеиваться коллоидными частичками.

Оптические свойства коллоидныхсущественно отличаются от свойств истинных растворов и являются характерным признаком коллоидных растворов. Исследования оптических свойств коллоидных растворов имеет большое значение для изучения их структуры,определения концентрации размеров и формы частичек.

Оптические свойства коллоидных систем.

Ультрацентрифуги широко используются при изучении белков,нуклеиноых кислот,вирусов,различных структур.

Спосбность коллоидных растворов сохранять седиментационное равновесие во времени,характеризует их кинетическую и седиментационную устойчивость. Эта устойчивость может быть нарушена с помощью цетробежной силы.

На распределение частичек дисперсной фазы в системе, влияет не только диффузия,которая стремиться выровнять концентрацию их во всем объеме, нои гравитационное поле. Под действием силы земного притяжения частички достаточной массы могут оседать седиментировать (Если размеры коллоидных частиц малы,то они могут равноверно распределяться по всему объему. Такое состояние называется седиментационным равновесием.

Коллоидные частицы можно осодить ,а можно и добиться такого равновесия,при котором коллоидные частицы равномерно распределяется по всему объему в соотвествии с их весом. Это свойство используется для анализа коллоидных систем,а также растворов белков,нуклеотидов и структурных элементов клетки. С этой целью используют ультроцентрифугирование,предло-женное Сведбергом. Этим методом можно разделять клеточные органеллы из гомогенатов тканей. Основные компоненты клетки осаждаются в такой последовательности : сначала целые клетки и их фрагменты,затем ядра,хлоропласиы,митоходрии,лизосомы,микросомы и наконец рибосомы.

ОТРАЖЕНИЕ – происходит в случае,если размеры частичек превышают длину волны падающего света. При попадании света на коллоидные частицы,размеры которых меньше длин волн видимого спектра,характерно явление светорассеивания. Это явление было обнаружено ФАРАДЕЕМ(1857 г) и ТИНДАЛЕМ (1864 г.),которые наблюдали образование светящегося конуса при боковом освещении коллоидного раствора. Этот конус был назван конусом ТИНДАЛЯ. Это явление ( т.е. конус Тиндаля ярко выражено только для коллоидных растворов),растворы же ВМС опалесцируют очень слабо,там наблюдается размытый конус Тиндаля,а в истинных растворах эффекта Тиндаля не наблюдается.Конус Тиндаля можно наблюдать в затемненной комнате,при условии,что воздушная среда модержит коллоидные частички,частицы дыма или пыли.).

Теория светорассеивания была развита для сферических,не поглащающих свет,не проводящих ток частичек. Релей вывел уравнение для интенсивности неполяризованного света,рассеянного во всех напрвлениях :

J = Jo К —————, где

п – число частиц

– квадрат объема частиц,

– длина волны падающего света,

– интенсивность падающего света в напрвлении,перпендикулярном к лучу падающего света,

– константа,зависящая от показателей преломления дисперсионной среды и дисперсной фазы.

– Интенсивность рассеянного света.

Согласно этому уравнению – интенсивность рассеянного света ( J ) прямо пропорционально числу частиц,квадрату объема частиц и обратно пропорциональна четвертой степени длины волны падающего света.

Дата добавления: 2013-12-12 ; Просмотров: 2077 ; Нарушение авторских прав? ;

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Глущенко Александр Григорьевич, Глущенко Евгения Павловна, Борисенко Арина Юрьевна

Дифракция волн приводит к перераспределению энергии в пространстве. Сигналы, используемые в системах связи и телекоммуникаций, обладают спектром, зависящим от типа модуляции. В статье рассматривается зависимость интенсивности света от длины волны и параметров дифракционной структуры в зоне дифракции . Установлено искажение спектра исходного сигнала в зоне дифракции . Рассмотрена степень искажения спектра в зависимости от параметров дифракционной структуры, установлен рост искажения с увеличением угла дифракции .

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Глущенко Александр Григорьевич, Глущенко Евгения Павловна, Борисенко Арина Юрьевна

Текст научной работы на тему «Зависимость интенсивности света от длины волны при дифракции на щели в экране»

ЗАВИСИМОСТЬ ИНТЕНСИВНОСТИ СВЕТА ОТ ДЛИНЫ ВОЛНЫ ПРИ ДИФРАКЦИИ НА ЩЕЛИ В ЭКРАНЕ

Глущенко А.Г. , Глущенко Е.П. , Борисенко А.Ю. Email: Glushchenko1152@scientifictext.ru

1Глущенко Александр Григорьевич – доктор физико-математических наук, профессор;

2Глущенко Евгения Павловна – кандидат физико-математических наук, доцент;

3Борисенко Арина Юрьевна – студент, кафедра физики,

Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики,

Аннотация: дифракция волн приводит к перераспределению энергии в пространстве. Сигналы, используемые в системах связи и телекоммуникаций, обладают спектром, зависящим от типа модуляции. В статье рассматривается зависимость интенсивности света от длины волны и параметров дифракционной структуры в зоне дифракции. Установлено искажение спектра исходного сигнала в зоне дифракции. Рассмотрена степень искажения спектра в зависимости от параметров дифракционной структуры, установлен рост искажения с увеличением угла дифракции. Ключевые слова: дифракция, дисперсия интенсивности, искажение спектра.

DEPENDENCE OF INTENSITY OF LIGHT FROM THE LENGTH OF THE WAVE DIFFRACTION BY A SLOT IN THE SCREEN

Glushchenko A.G. , Glushchenko E.P. , Borisenko A.Yu.

1Glushchenko Alexander Grigorievich – Doctor of physical and mathematical sciences, Professor;

2Glushchenko Evgeniya Pavlovna – Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor;

3Borisenko Arina Yuryevna – Student, DEPARTMENT OF PHYSICS, VOLGA STATE UNIVERSITY TELECOMMUNICATIONS AND INFORMATICS,

Abstract: diffraction of waves leads to the redistribution of energy in space. Signals used in communications and telecommunications systems have a spectrum depending on the type of modulation. The article discusses the dependence of light intensity on the wavelength and the parameters of the diffraction structure in the diffraction zone. The distortion of the spectrum of the original signal in the diffraction zone has been established. The degree of distortion of the spectrum depending on the parameters of the diffraction structure is considered, and the increase in the distortion with increasing diffraction angle is established. Keywords: diffraction, intensity dispersion, spectrum distortion.

Дифракция плоских волн на отверстии в экране, в частности, дифракция Фраунгофера проявляется в перераспределении энергии волн в пространстве за экраном и описана в литературе достаточно подробно для монохроматических волн [1-5]. Реальные сигналы имеют спектр, поэтому представляют интерес дисперсионные характеристики поля в различных точках пространства, которые, однако, в литературе не рассматривались. В настоящей работе рассматривается зависимость относительной интенсивности поля от нормированной на параметры структуры длины волны. Рассчитана зависимость распределения интенсивности волн от направления дифрагирующих лучей и длины волны. Установлено, распределение

интенсивности света по длинам волн меняется с изменением угла дифракции, что необходимо учитывать при построении телекоммуникационных систем.

Пусть на тонкий плоский экран с длинной щелью падает плоская световая волна (рис. 1). Волновая поверхность падающей волны, плоскость щели и экран параллельны друг другу. Считаем щель бесконечно длинной, тогда картина, наблюдаемая в любой плоскости x0у, перпендикулярной к щели, будет одинакова = 0). Разобьем открытую часть волновой поверхности (у = 0,0 Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

находящейся с края щели (X = 0), равна нулю, то начальная фаза колебания,

возбуждаемого зоной с координатой X , будет равна: kÁ = kxsin ф, где к = 2п/% –

волновое число, % – длина волны.

Колебание, возбуждаемое элементарной зоной с координатой х в точке Р (положение которой определяется углом ф ), может быть представлено в виде:

i Qt – x sin ф |dx

где u = — a sin ф. Дифракционная картина симметрична относительно центра линзы. %

Амплитуда результирующего колебания зависит от направления, угла дифракции ф,

ширины щели аи длины волны Л: Ер =E0I I. Интенсивность определяется

На рис.2 показан график зависимости распределения интенсивности излучения для трех углов дифракции от отношения ширины щели к длине волны в диапазоне 0 Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

0 1.0 2.0 3.0 4. 0 5.0

Рис. 2. График интенсивности света при заданных углах дифракции: 1- ф = 10 , 2 – ф = 200 3- ф = 300 , 4- ф = 450 5- ф = 600 б- ф = 800

и зависят, таким образом, от угла наблюдения ф и ширины щели. Число минимумов в заданном интервале длин волн определяется соотношением П л/6) величина % П min от угла дифракции практически не зависит. При ширине щели, меньшей длины

волны, минимумы интенсивности вообще не возникают. В этом случае интенсивность света монотонно убывает от середины экрана к ее краям.

Рис. 3. Зависимость %п min от угла дифракции

При углах дифракции ф > 0 наблюдается искажение спектра падающего на отверстие излучения с вырезанием спектральных составляющих на частотах, определяемых соотношением: ПС

Числовое значение частот зависит от угла дифракции. Это означает, что искажение спектра под разными углами дифракции будет различным. С увеличением угла дифракции,

также и ширины щели расстояние А V между частотами Уп с минимальной интенсивность

света растет. Параметр Аv зависит (рис.4) от ширины щели а, угла дифракции и не зависит от номера П частоты, на которых наблюдается минимум интенсивности:

Наибольшая зависимость Ау наблюдается при углах дифракции (ф Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

u = n(a¡^)sin ф, y = d/a. Первый сомножитель описывает распределение интенсивности, формируемое отдельной щелью шириной a в экране, второй -совокупностью когерентных излучателей, расположенных с периодом d. На рис.5 a,b показана интенсивность излучения в фиксированном направлении в зависимости от относительной длины волны для различного количества щелей N . При увеличении N растет число длин, волн для которых интенсивность излучения в данном направлении падает до нуля. Число провалов пропорционально N (рис.5 a,b). Длины волн, на которых интенсивность падает до нуля для разных точек наблюдения Р также как и для дифракции на одиночной щели зависят от угла ф .

1. Поглощение света. Закон Бугера.

2. Поглощения света растворами. Закон Бугера-Ламберта-Бера.

3. Концентрационная колориметрия. Оптическая плотность.

4. Спектры поглощения.

5. Рассеяние света. Зависимость рассеяния от длины волны.

6. Ослабление при совместном действии поглощения и рассеяния.

7. Основные понятия и формулы.

28.1. Поглощение света. Закон Бугера

При прохождении света через вещество часть энергии расходуется на возбуждение атомов или молекул. Некоторая доля этой энергии возвращается излучению в виде вторичных волн. Однако другая доля переходит во внутреннюю энергию вещества. В результате световая энергия уменьшается. Этот процесс называют поглощением света.

Поглощение света – уменьшение его интенсивности при прохождении через вещество вследствие превращения световой энергии в другие виды энергии.

Рассмотрим закономерности уменьшения интенсивности света в однородной среде вследствие поглощения (рис. 28.1).

При прохождении монохроматического света через тонкий слой вещества толщины dl изменение интенсивности света dI будет пропорционально толщине этого слоя и интенсивности подающего света I:

Коэффициент пропорциональности k_λ характеризует поглощающую способность данной среды и называется натуральным показате-

Рис. 28.1. Поглощение света веществом

лем поглощения. Его величина зависит от длины волны света (λ), но не зависит от его интенсивности. Знак «-» означает, что интенсивность света уменьшается.

Индекс λ подчеркивает, что натуральный показатель поглощения зависит от длины волны света. В задачах этот индекс обычно не пишется (k).

Дифференциальное уравнение (28.1) решается методом разделения переменных:

где I – интенсивность падающего света; I – интенсивность света после прохождения слоя вещества толщины l.

Формула (28.2) выражает закон поглощения света (носящий имя одного из основоположников фотометрии – французского ученого Пьера Бугера, получившего его еще в 18 веке).

Интенсивность света при поглощении в веществе убывает экспоненциально в зависимости от пройденного пути.

Для вычислений часто используют логарифмический вид закона Бугера:

который ослабляет интенсивность света в «е» раз.

Рис. 28.2. Уменьшение интенсивности света при прохождении через вещество

График зависимости интенсивности света от толщины поглощающего слоя представлен на рис. 28.2.

28.2. Поглощение света растворами. Закон Бугера-Ламберта-Бера

Поглощение света растворами происходит за счет его взаимодействия как с молекулами растворителя, так и с молекулами растворенного вещества. В том случае, когда вещество растворено в практически не поглощающем растворителе, натуральный показатель поглощения оказывается пропорциональным концентрации раствора С:

Уравнение (28.4) называют законом Бера. Закон Бера предполагает, что поглощающая способность молекул не зависит от концентрации вещества. При значительном увеличении концентрации раствора расстояние между молекулами растворенного вещества уменьшается и начинает сказываться их взаимодействие. При этом закон Бера перестает выполняться.

Заменив в законе Бугера показатель k_λ на его значение (28.4), мы получим закон Бугера-Ламберта-Бера, который описывает ослабле-

ние света в растворе в зависимости от его концентрации С и толщины поглощающего слоя l:

Закон Бугера-Ламберта-Бера перестает выполняться, когда интенсивность падающего света очень высока (лазерное излучение).

Все рассмотренные законы поглощения записаны без учета отражения света на границах раздела сред. На самом деле при падении света из воздуха на твердые тела или жидкие среды отражение всегда имеет место. Поэтому в реальных задачах его обязательно учитывают специальными методами или устраняют эффект его влияния. Например, фотоэлемент, измеряющий интенсивность проникающего в жидкость света, располагают внутри жидкости у передней стенки кюветы.

28.3. Концентрационная колориметрия. Оптическая плотность

На использовании логарифмической формы закона Бугера-Ламберта- Бера основан оптический метод определения концентрации растворов, получивший название «концентрационная колориметрия». Для определения концентрации известного растворенного вещества на кювету с раствором направляют луч света и измеряют его интенсивности на входе в кювету (I) и на выходе из нее (I). По формуле (28.7) находят концентрацию раствора:

Значение молярного показателя поглощения ε находят по таблицам.

Выражение, стоящее в левой части равенства (28.7), называют оптической плотностью.

Зависимость оптической плотности раствора от длины волны света используют в качестве спектральной характеристики.

В англоязычной научной литературе оптическую плотность называют поглощающей способностью (absorbance) и обозначают буквой А.

28.4. Спектры поглощения

Спектром поглощения в широком смысле называют зависимость любой физической величины, характеризующей процесс поглощения света, от его частоты или длины волны.

В качестве спектральной характеристики процесса поглощения мы будем рассматривать зависимость оптической плотности от длины волны света – D(λ).

Наибольшей простотой отличаются спектры одноатомных разреженных газов или паров металлов. В этом случае атомы расположены далеко друг от друга и практически не взаимодействуют между собой. Кванты света взаимодействуют с отдельными атомами и спектр поглощаемых волн определяется условием (27.5) – лекция 27:

Энергетические уровни отдельного атома (E_k и E_i) отстоят друг от друга достаточно «далеко». Поэтому атомарные спектры состоят из отдельных линий и называются линейчатыми (рис. 28.3).

Спектры газов, состоящих из многоатомных молекул (молекулярные спектры), значительно сложнее атомных, что обусловлено большим разнообразием движений и, следовательно, энергетических

Рис. 28.3. Примерный вид линейного спектра

переходов в молекуле. Это приводит к тому, что спектры поглощения молекул состоят из широких полос, разделенных широкими же промежутками. Такие спектры называются полосатыми (рис. 28.4).

Рис. 28.4. Примерный вид полосатого спектра

У плотных газов, жидких и твердых тел частицы взаимодействуют между собой. Вследствие этого «расстояния» между соседними энергетическими уровнями столь малы, что отдельные уровни неразличимы. Спектры таких тел являются непрерывными с наличием характерных максимумов и минимумов (рис. 28.5).

Спектры поглощения являются важным источником информации о строении вещества и широко используются в современных биохимических и биофизических исследованиях.

Рис. 28.5. Примерный вид непрерывного спектра

28.5. Рассеяние света. Зависимость рассеяния от длины волны

При прохождении естественного света через неоднородную среду световые волны дифрагируют на имеющихся неоднородностях и дают дифракционную картину с довольно равномерным распределением интенсивности по всем направлениям. Такую дифракцию называют рассеянием.

Рассеяние света – явление, при котором свет, распространяющийся в среде, отклоняется по всевозможным направлениям.

Теорию рассеяния света разработал английский физик Дж. Релей (1842-1919 г.).

Различают два вида рассеяния.

Рассеяние в мутных средах – явление Тиндаля

Мутной называют среду с явно выраженными оптическими неоднородностями. Примеры мутных сред: туман (капельки жидкости в газе), дым (мельчайшие твердые частицы в газе), эмульсия (дисперсная система, состоящая из мельчайших капелек двух не растворяющихся друг в друге жидкостей), взвесь или суспензия (дисперсная система, состоящая из взвешенных в жидкости мелких твердых частиц), аэрозоль (дисперсная система, состоящая из мелких частиц,

взвешенных в воздухе или другом газе). Рассеяние света в мутных средах называют явлением Тиндаля.

Молекулярное рассеяние на оптических неоднородностях

Рассеяние имеет место и при отсутствии в среде инородных частиц. Оно обусловлено тем, что даже в «чистой» среде имеются микроскопические флуктуации плотности – отклонения плотности от ее среднего значения, наблюдаемые в пределах малых объемов. Соответствующие флуктуации имеет и показатель преломления света. Эти флуктуации вызваны беспорядочным движением молекул вещества; поэтому обусловленное ими рассеяние света называется молекулярным. Молекулярным, например, является рассеяние света в атмосфере (при отсутствии тумана или дыма).

Если неоднородности распределены в среде достаточно равномерно, то уменьшение интенсивности проходящего света для рассеяния обоих типов описывается функцией

где m_λ – натуральный показатель рассеяния, зависящий от длины волны.

Зависимость рассеяния от длины волны

При прочих равных условиях интенсивность рассеянного света зависит от длины световой волны. При молекулярном рассеянии, а также при рассеянии в мутной среде с неоднородностями, размеры которых малы по сравнению с длиной волны (меньше 0,2λ), выполняется закон Релея:

Интенсивность рассеянного света (I_р) обратно пропорциональна четвертой степени длины волны (λ):

Закон Релея объясняет некоторые явления, наблюдаемые в природе. Например, голубой цвет неба связан с тем, что в солнечном (белом) свете, рассеянном атмосферой, преобладают коротковолновые синие лучи.

В течение дня высота Солнца над горизонтом меняется (рис. 28.6). При этом меняется и толщина атмосферного слоя, который проходят солнечные лучи.

Рис. 28.6. Изменение толщины атмосферного слоя, проходимого солнечными лучами, при изменении высоты Солнца

На закате солнечные лучи проходят более толстый слой воздуха и короткие волны рассеиваются почти полностью. Поэтому в прошедшем свете остаются длинноволновые красные лучи, что мы и наблюдаем при прямом взгляде на Солнце.

Из-за меньшего рассеяния красного света его используют в сигнальных огнях.

Направление рассеянного света, степень его поляризации, спектральный состав дают информацию о параметрах, характеризующих растворы (в том числе и коллоидные), эмульсии, аэрозоли. Методы измерения рассеянного света с целью получения информации о рассеивающей системе называются нефелометрией.

28.6. Ослабление при совместном действии

поглощения и рассеяния

При прохождении света через вещество уменьшение его интенсивности обусловлено совместным действием поглощения и рассеяния. Общее ослабление света вследствие совместного действия поглощения и рассеяния описывается формулой

28.7 Основные понятия и формулы

Окончание таблицы

28.7. Задачи

1. Показатель поглощения плазмы крови равен 0,836 см -1 . Какая толщина слоя плазмы крови уменьшает интенсивность падающего света в 3 раза?

2. В кювете находится раствор крови, имеющий концентрацию С = 0,85 моль/л. Молярный показатель поглощения для этого раствора ε = 0,35 л/(см*моль). Определить, во сколько раз уменьшится интенсивность света при прохождении его через кювету длины l = 8 см, заполненную этим раствором.

3. Пучок монохроматического света λ = 600 нм проходит через стеклянную пластинку толщины l = 1 см. При этом поглощается 0,1 падающего света. Определить натуральный монохроматический показатель поглощения стекла на этой длине волны. Какой толщины должна быть стеклянная пластинка, чтобы поглотилась половина падающего света?

4. При прохождении света с длиной волны λ₁ через слой вещества его интенсивность уменьшается вследствие поглощения в 4 раза. Интенсивность света с длиной волны λ₂ по той же причине ослаб-

ляется в 3 раза. Найти показатель поглощения k₂ для света с длиной волны λ₂, если для света с длиной волны λ₁ он равен k₁ = 0,02 см -1 .

5. В 4-процентном растворе вещества интенсивность света уменьшается в два раза на глубине l₁ = 20 мм. Во сколько раз уменьшается интенсивность света на глубине l₂ = 30 мм в 8-процентном растворе того же вещества?

6. При прохождении монохроматического света через слой вещества толщины х = 15 см его интенсивность убывает в 4 раза. Определить показатель рассеяния, если показатель поглощения k = 0,025 см -1 .

7. Имеется система двух последовательно расположенных кювет с растворами, оптическая плотность которых равна D₁ и D₂. Найти общую оптическую плотность D.

8. Через пластинку из прозрачного вещества толщины l = 4,2 см проходит половина падающего на нее светового потока. Определить натуральный показатель поглощения данного вещества. Рассеянием света в пластинке пренебречь; считать, что 10 % падающей энергии отражается на поверхности пластинки (проходит 90 %).

Эта задача показывает, как учитывается отражение света.

Отражение происходит на двух гранях и коэффициент отражения одинаков.