Физика ответы на экзаменационные вопросы стомат

Ответы на экзаменационные вопросы

dx

I0>I>IL

I0

I

IL

	L
	X
0	L

dI - интенсивность света, поглощенного слоем dx

dI kIdx , где k – натуральный показатель поглощения. dII kdx

LdI L

I kdx dxI

	I0								0
	ln I			I L		kx		L
				I0				0
	ln I L ln I0 kL
	ln	I L				kL			I L		e kL
		I0							I0

I L I0 e kL - закон Бугера – закон поглощения света

k зависит от длины волны I L I0 ek L

71

Физика стоматологический факультет

I	kλ
I0

L

λ

А

Б

Рис. 23. Волновые спектры.

Линейчатый спектр (рис. 23 А) имеют одноатомные газы. Полосовые спектры (рис. 23 Б) свойственны молекулам, они состоят из огромного количества линий поглощения, соответствующих колебательным и вращательным движениям молекул, поэтому спектр каждой молекулы индивидуален.

Атом/молекула находятся в стационарных состояниях. При квантовых переходах они скачкообразно переходят с одного энергетического уровня на другой. При переходе с более высокого энергетического уровня на низкий происходит излучение энергии. Излучаемая молекулой/атомом энергия формирует спектр испускания, а поглощаемая – спектр поглощения. По виду спектра можно идентифицировать атом или молекулу (качественный спектральный анализ); по интенсивности спектральных линий – количество излучаемых атомов (количественный спектральный анализ).

В зависимости от энергии (частоты) фотона испускаемого/поглощаемого атомом различают различные виды спектроскопии: радио-, инфракрасная, видимого излучения и рентгеновская спектроскопия.

Закон поглощения для растворов – закон Бугера–Ламберта–Бэра.

I L I0 10 cL ,

где I L I0 10 cL – молярная концентрация раствора

L – толщина слоя вещества

– молярный показатель поглощения

Стандартные характеристики поглощения:

τ - коэффициент пропускания	I L
	I 0

72

Ответы на экзаменационные вопросы

1				I0
D – оптическая плотность D lg						cL
			lg
				I L

Зная на данной длине волны и длину кюветы, в которую залит раствор, можно рассчитать концентрацию раствора.

19. Поляризация света. Свет естественный и линейно поляризованный. Двойное лучепреломление, призма Николя. Явление Брюстера. Анализ степени поляризации света. Закон Малюса. Вращение плоскости поляризации. Закон Био.

В луче естественного света (например, от лампочки) колебания век-

тора E с течением времени хаотически меняют свои направления относительно плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

E1	E
E2	B2

B3

B1

B

плоскополяризованный

свет

E3

естественный свет

Рис. 24. Направление вектора в луче естественного и плоскополяризованного света.

	Если достигнуть упорядоченности направления колебаний вектора

E , то мы получим плоскополяризованный свет, вектор которого E колеблется в одной плоскости.

73

Физика	стоматологический факультет

E

n

B

E – Вектор напряженности электрического поля В – Вектор индукции магнитного поля

n – Направление распространения

Рис. 25. Распространение световой волны в пространстве.

Плоскость, проходящая через вектор E в направлении распространения электромагнитной волны, называется плоскостью поляризации.

Плоско (линейно) поляризованный свет – свет, у которого плоскость поляризации не меняется во времени.

Способы получения поляризованного света: 1 . Двойное лучепреломление

Встречаются среды, показатели преломления которых различаются для света линейно поляризованного в том или ином направлении. Это либо кристаллы, либо вещества, состоящие из вытянутых в определенном направлении молекул. Такие среды называются анизотропными. Электроны легче приходят в колебательное движение в одном направлении под действием электромагнитной волны и хуже в перпендикулярном.

Естественный свет в таких средах распадается на 2 волны с взаимно перпендикулярными направлениями поляризации и разными показателями преломления.

74

Ответы на экзаменационные вопросы

		о – обыкновенный луч, скорость
		распространения которого одинако-
N		во во всех направлениях, фронт
		распространения - окружность
	е
		анизотропная сре-

	N	е – необыкновенный луч, скорость
		распространения которого для раз-
о
		личных направлений различна.

NN' – оптическая ось

Оба луча поляризованы во взаимно перпендикулярных направлениях

Рис. 26. Распространение луча естественного света в анизотропной среде.

Призма Николя сделана из кристалла исландского шпата. Кристалл разрезан и склеен канадским бальзамом. ne nбальзама n0 - необходимое условие полного внутреннего отражения, где ne - показа-

тель преломления необыкновенного луча, nбальзама - показатель преломления бальзама, n0 - показатель преломления обыкновенного луча.

Обыкновенный луч, попадая на границу склейки под углом больше предельного, испытывает полное внутреннее отражение на границе исландский шпат - канадский бальзам, из призмы выходит только необыкновенный луч, поляризованный в главной плоскости призмы.

Рис. 43. Призма Николя

75

Физика	стоматологический факультет

2 . Явление Брюстера

При падении света на границу двух диэлектриков отраженный и преломленный свет частично поляризуются. Если угол падения на гра-

ницу соответствует условию tg iБ n2 n2,1 , то отраженный луч пол- n1

ностью поляризуется. Он составляет с преломленным угол 90˚. Высокая степень поляризации отраженного луча объясняется тем, что под действием падающей волны колеблющиеся молекулярные диполи во второй среде не могут излучать в направлении, перпендикулярном отраженной волне. Следовательно, в отраженном свете должны присутствовать колебания в направлении перпендикулярном направлению распространения преломленного луча. Если падающий луч поляризован в плоскости падения, то отраженного луча не будет.

n1

90˚

n2

Закон Малюса (анализ степени поляризации света)

Для анализа степени поляризации света используется призма Николя, которая может быть рассмотрена как анализатор.

Поляризатор - устройство, позволяющее получать поляризованный свет из естественного света. При вращении поляризатора относительно луча естественного света поворачивается плоскость колебаний вышедшего плоскополяризованного света, но интенсивность его не изменяется. Поляризатор можно использовать для анализа поляризованного света, тогда его называют анализатором.

Если плоскополяризованный свет с амплитудой электрического

вектора E0 падает на анализатор, то он пропустит только некоторую

составляющую, равную E E0 cos , где – угол между главными плоскостями поляризатора Р и анализатора А.

76

Ответы на экзаменационные вопросы

А

Р

Е

Е

φ

Так как интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды, то

I I0 cos - Закон Малюса

где

I 0 – интенсивность плоскополяризованного света, падающего на

анализатор;

I – интенсивность света, вышедшего из анализатора.

При повороте анализатора относительно луча падающего плоскополяризованного света интенсивность меняется от нуля до I0. Если при повороте анализатора относительно падающего луча к оси вращения интенсивность прошедшего света не меняется, то свет может быть естественным. Если при этом интенсивность изменяется по закону Малюса, то падающий свет плоскополяризован.

P	φ	A
	E	I

Рис. 27. Схема прохождения луча света через поляризатор и анализатор

Вращение плоскости поляризации. Закон Био.

Вещества, молекулы которых существуют в двух модификациях, могут поворачивать плоскость поляризации света.

Оптически активными являются многие кристаллы (например, кварц) и жидкие кристаллические тела: чистые жидкости (например, скипидар), растворы оптически активных веществ в неактивных растворителях (раствор сахара в воде), некоторые газы и пары (пары камфоры).

Для растворов был установлен следующий количественный закон:

77

Поток излучения

Физика	стоматологический факультет

0C l - закон Био

где

C – концентрация оптически активного вещества l - толщина слоя раствора

0 – удельное вращение, которое пропорционально квадрату длины

волны и зависит от температуры и свойств растворителя.

Закон Био лежит в основе измерения концентрации растворенных веществ. Соответствующие измерительные приборы – поляриметры.

Рис. 28. Схема прохождения света через поляриметр.

20. Тепловое излучение тел. Характеристики испускания и поглощения электромагнитных излучений. Закон Кирхгофа. Абсолютно чёрное тело. Законы излучения абсолютно чёрного тела. Тепловидение и его применение в медицине.

Любое нагретое тело излучает электромагнитные волны. Электромагнитное излучение нагретых тел, т.е. обусловленное возбуждением атомов и молекул при столкновении называется тепловым. Оно свойственно всем телам при T > 0.

При этом тело одновременно излучает и поглощает падающее на него излучение от окружающих тел.

Характеристики излучения и поглощения.

Ф dEdt - количество энергии излученной в еди-

ницу времени или средняя мощность излучения в Ваттах.

78

Ответы на экзаменационные вопросы

			Излучение					Поглощение
	Энергетическая светимость - поток электромагнит-							Фпог л
	ного излучения, испускаемый с единицы площади
							Фпад -
	поверхности тела.
		Дж	Вт м		2		коэффициент поглощения
	[R]=						Зависит от Т,λ и природы тела
		с м2
	Зависит от Т,λ и природы тела
	r – спектральная плотность энергетической све-						,T – монохроматический ко-
	тимости (энергетическая светимость узкого участка						эффициент поглощения
	спектра, деленная на ширину этого участка)						0 1
		rλ					1абсолютно черное тело
							1–серое тело ( =0,9)
				T=const
						λ
	Рис. 29. График зависимости спектральной плотно-
		сти от длины волны.
	Rт r dx
	0
		(r	)1 (r )2 (rЧТ 1)				- закон Киргофа

Пр и одинаково й тем пе ра тур е о тношение с пе ктра льно й пло тнос ти энер ге тичес ко й све тимо сти к мо нохро ма тич е -

с ком у ко эффицие нту по гло ще ния одина ко во для всех те л, в том чис ле а бс о лю тно чер ных

ε = rчерного тела (ЧТ) = спектральная плотность энергетической светимости абсолютно черного тела

Законы излучения абсолютно черного тела.

Экспериментально полученный спектр излучения абсолютно черного тела был теоретически объяснен Планком. Гипотеза – свет испускается порциями (квантами). В этом случае излучающее тело представляет собой набор колеблющихся диполей, меняющих свою энергию на

величину кратную (частота излучения), где h - постоянная Планка.

79

Физика стоматологический факультет

h h	c	, где
с - скорость света
- длина волны
для абсолютно черного тела r						2hc2		1		,
						5		ehc / RT 1

где - спектральная плотность энергетической светимости абсолютно черного тела

Rт dx 0T 4 , где 0 - постоянная Стефана Больцмана

0

Rт 0T 4 - закон Ст. Больцмана:

энер ге тичес ка я с ветимос ть абсо лю тно чер ного те ла пр о - по р цио на льна че твер то й с те пе ни е го тем пер а тур ы

Если	d	0 , то			b	, где b - постоянная Вина
			max
	d				T

max Tb - закон смещения Вина для серых тел.

Eλ

T3 Т1<T2<T3

T2

T1

λ

λ3max λ2max λ1max

Рис. 30. График зависимости энергии от длины волны.

Проявление закона Вина известно из обыденных наблюдений. При комнатной температуре тепловое излучение тел в основном приходится на инфракрасную область и человеческим глазом не воспринимается. Если температура повышается, то тела начинают светиться темно-

80