Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Жарықтың жұтылуы. Бугер – Ламберт заңы

Жарық толқыны энергиясының сол толқынның затқа енуіне байланысты кемуін жарықтың жұтылуы дейміз. Сонда жарық бір ортадан өткенде оның интенсивтігі кемиді, өйткені жарық толқындары электр өрісі ықпалынан зат атомдарының құрамындағы электрондарды еріксіз тербетеді, себебі ұдайы тербеліс болу үшін жарық энергиясы жұмсалады да ол энергияның басқа түріне айналады. Зат атомдарының бір-бірімен соғылысу нәтижесінде электрондардың тербеліс энергиясының біраз бөлігі молекуланың ретсіз қозғалыс энергиясына айналады. Соның нәтижесінде дене қызып, біраз жарық энергиясы жутылады. Жарық интенсивтігінің кему дәрежесі жарық өтетін заттың табиғатына және оның қалыңдығына байланысты. Егер біртекті заттың бетіне тускен монохромат жарық шоғының интенсивтігі болса, оның сол заттан өткеннен кейінгі интенсивтігі мына формула арқылы анықталады: , мұндағы тұрақты шама Х-жұтылу коэфициенті, -заттың қалыңдығы. Минус таңбасы (-) жарық интенчивтігінің кемитіндігін көрсетеді.

Жарықтың жұтылу заңын тәжірибе жүзінде ең алғаш 1729ж француз ғалымы П.Бугер ашты. Одан кейінірек тәжірибе жүзінде 1760ж Ламберт жетілдіріп дәлелдеген. Сондықтан формула Бугер-Ламберт заңы д.а.

14. Жарықтың шашырауы — оптикалық сәуле (жарық) ағынының затпен өзара әсерлесуі кезінде кейбір сипаттамаларының өзгеруі. Мұндай сипаттамаларға жарық қарқындылығының кеңістіктік таралуы, жиіліктік спектр, жарықтың полярлануы жатады. Көбінесе, Жарықтың шашырауы деп ортаның кеңістіктік біртексіздігінен болатын сол ортаның өзіндік емес (меншіксіз) жарқырауын айтады. Жарықтың шашырауын жүйелі түрде кванттық электрдинамикаға негізделген сәуленің затпен әсерлесуінің кванттық теориясы мен зат құрылысының кванттық көзқарасына сүйене отырып сипаттауға болады. Бұл теория бойынша, Жарықтың шашырауының әрбір жеке актісі зат бөлшегінің энергиясы, импульсі к және полярлануы болатын фотонды жұтуы, содан кейін энергиясы, импульсі к және полярлануы болатын фотонды шығаруы деп қарастырылады (мұндағы және — түскен және шашыраған сәуле жиіліктері, к және к — толқындық векторлар). Егер шыққан фотонның энергиясы жұтылған фотонның энергиясына тең болса, онда Жарықтың шашырауы рэлейлік шашырау немесе серпімді шашырау делінеді. Ал Жарықтың шашырауы болғанда, энергия сәуле мен заттың арасында бөлінеді де, ол серпімсіз шашырау деп аталады.

Жарықтың шашырауын, көп жағдайда, сәуленің толқындық теориясы негізінде сипаттау жеткілікті. Бұл теория тұрғысынан, түскен жарық толқыны орта бөлшектерінде электр зарядтарының еріксіз тербелістерін тудырады, ал олар екінші реттік жарық толқындарының көздері болып табылады.

15. Жарықтың поляризациясы. Табиғи және поляризацияланған жарық. Жарық толқындары электромагниттік толқындардың бір түрі болып табылады да, олардың өрісін электр өрісі векторы мен магнит өрісі векторы арқылы сипаттауға болады. Бұл векторлар өзара және толқын таралатын бағытқа перпендикуляр болатынын бұрыннан білеміз. Осындай жарық толқыны өрісінің векторлары үздіксіз өзгеріп тербелісте болады.сондықтан мұндай векторлар кейде жарық вектрлары д.а. жарық толқындары заттың атомдары мен молекулаларында жүріп жатқан кейбір процесстер нәтижесінде пайда болады. Ал жарық көзі құрамында сансыз көп атомдар бар. Осы атомдардың шығаратын жарық толқындарының электр векторларының бағыттары әртүрлі болып ылғи да өзгеріп отырады. Сөйтіп жарық толқынының электр өрісі векторы түрлі жаққа бағытталған, яғни әртүрлі жазықтықта тербелуі мүмкін. Олай болса электр өрісі векторының кеңістікте ослайша барлық бағытта таралатын жарығы табиғи жарық д.а. табиғи жарық толқындарының кез-келген бағыттағы интенсивтігі бірдей болады.

Ал кейбір жарық толқыны тек белгілі бір бағытта ғана тербелуі мүмкін. Осындай жарық поляризацияланған жарық д.а.

16. Жарықтың шағылу және сыну кезіндегі поляризациялануы. Жарық екі ортаның шекарасында шағылғанда және сынғанда азды-көпті поляризацияланады. Енді жарықтың мөлдір екі диэлектрик орта шекарасында поляризациялануын қарастырайық. Ол үшін бір SO табиғи жарық сәулесі ZZ' шағылу жазық пластинка бетіне і бұрышпен түсіп, сол нүктеде і' бүрышпен шағылатын болсын (3-сурет). Шағылған ОС сәулесі D поляроидтан өтіп, экранды (Экр) жарықтандырады. Поляроидты бұру арқылы экрандағы жарықталынудың күштілігін өзгертуге болады. Егер экрандағы жарықталынудың интенсивтігі өзгерсе, онда жарық сәулесінің поляризацияланғандығын байқаймыз. Сонымен қатар, шағылған сәуленің поляризациялануы оның түсу бұрышына да байланысты. Егер де бұрыштың шамасын 0—90°-қа дейін өзгертсек, онда шағылған сәуле поляризациясының шамасы алғашқы кезде өседі де, түсу бұрышының белгілі бір шамасында і өзінің ең максимал мәніне жетіп, толық поляризацияланады да, содан қейін кеми бастайды. Олай болса, шағылған сәуленің толық поляризациялануы кезіндегі түсу бұрышы і толық поляризациялану бұрышы деп аталады. Ағылшын физигі Д. Брюстер (1781 — 1863) көптеген эксперименттердің нәтижесінен 1811 ж. мынадай қорытынды жасады, яғни жарықтың поляризациялану бұрышының тангенсі жарық шағылатын ортаның сыну көрсеткішіне тең болады: . Осы формула Брюстер заңы деп аталады да, кез келген заттардың сыну керсеткіштерін анықтау үшін пайдаланылады. Сөйтіп шағылған сәуле әр уақытта өзінің түсу жазықтығында поляризацияланады.Ал сынған сәулеге келетін болсақ, олардың шағылған сәуле сияқты толық поляризацияланбай тек шала поляризациялануы үшін оның таралу жолына бірнеше қабат (мысалы 9—10) шыны пластинкалар қою қажет, себебі әрбір шыны пластинкадан жарық сәулесі сынып өткен сайын оның поляризациялануы күшейе түседі де, сыну бұрышы толық поляризациялану бұрышына тең болғанда жарық толық поляризацияланады. Сөйтіп осындай шыны пластинкалар қабаттары Столетов табаны деп аталады. Осындай табанды шағылған және сынған сәулелердің поляризациясын зерттеу үшін қолданады.

17.Жарық сәулесінің қосарланып сынуы. Табиғатта және техникада өзіне түскен жарық сәулелерін қосарландырып көрсететін кристалдар кездеседі. Егер осындай кристалдар арқылы біз затты көретін болсақ, онда оның қосарланған кескінін байқауға болады. Бұл құбылысты бірінші рет 1647 жылы дат ғалымы Э. Бартолин (1625-1698) исланд шпатын зерттеудің нәтижесінде ашқан болатын. Сондықтан мұндай құбылысты жарық сәулелерінің қосарланып сынуы деп атайды да, осындай қасиеттері бар кристалдар «қосарландырып сындырушы» делінеді. Жарық сәулесінің қосарланып сыну теориясын алғаш (1690 ж.) Гюйгенс ұсынып, оны кейін (1822 ж.) Френель біраз дамытты.

18. Жасанды оптикалық анизотропиялар. Кейбір қатты және сұйық диэлектриктер электр өрісінің әсерінен анизотропты заттарға айналып, сәулені қосарландырып сындырады. Осындай құбылыс қатты денелерді сыртқы күштер арқылы сығудың немесе созудың нәтижесінде, сол сияқты магнит өрісінің әсерінен де байқалады. Мысалы, электр өрісінде сәуленің қосарланып сынуын бірінші рет 1875 ж шотланд физигі Керр ашқан болатын, сондықтан бұл құбылыс Керр эффектісі д.а. Ішіне жазық конденсатор орнатылған мөлдір астауша алып, оған толтыра нитробензол құйып, оны бас қималары өзара перпендикуляр поляризатор мен анализатор аралығына жарық жолына қоямыз. Сонда конденсатор пластинкаларының аралығына электр өрісі жоқ жағдайда көру өрісі қараңғы болады, себебі поляризатор арқылы өткен жарық анализатордан өтпе йді. Егер де конденсатор зарядталып, электр өрісі пайда болса, онда анализатордан жарық сәулесі өтеді де, көру өрісі айқын жарық болады. Өйткені, нитробензолдың оптикалық қасиеттері осьінің бағыты электр өрісімен бағыттас бір осьті кристалл қасиеттері сияқты болады. Сондықтан өріске перпендикуляр бағытта түскен жазық поляризацияланған сәуле кәдімгі және өзгеше сәулелерге жіктеледі.

19. Поляризациялық призмалар мен поляроидтар. Поляризациялық призма - сәулелер қосарланып сынатын заттардан жасалынған кұрама призма; жазық поляризацияланған жарықты алу үшін қолданылады. Поляризацияланған жарықты арнайы поляроид деп аталатын поляризациялық қабықшасы арқылы алады. Осындай поляроидтың түріне целлулоид қабықшасының бетіне біркелкі бағытта күкірт қышқылына малынған иодты хинин кристалдарын жағып, одан табиғи жарық сәулесі өткізілсе, онда қабықшаның артқы бетінде тұрған экраннан поляризацияланған сәулені байқаймыз. Осындай поляроидтың механикалық моделін былайша көрсетуге болады (2-сурет). 5 жарық көзінен табиғи жарық сәулелері таралып жатсын. Осы сәулелердің таралу бағытына нормаль поляроид қойылған да, одан өткен жарық сәулелері толық поляризацияланады. Онан кейін жарық сәулелері II поляроид арқылы өтіп экранға түседі. Осындағы I поляроид поляризатор, ал ІІ поляроид анализатор деп аталады.

20. Жылулық сәуле шығару. Жылулық сәуле шығару заңдары. Денелердің қыздырған кезде жарық шығаруын температуралық жарық немесе жылулық сәулелену д.а.

Дененің бетінен бірлік уақытта шығарылатын сәулелік энергия мөлшері дененің сәуле шығарғыштық қабілеті немесе энергетикалық жарқыраушы д.а. Егер дененің сәуле шығарғыштық қабілеті спектрлік аралықтың бар алқабына есептелінсе, оны дененің спектрлік сәуле шығарғыштық қабілеті д.а. Ол мынаған тең: . Егер дене мөлдір болмаса, онда дене бетіне түскен сәулелік энергияның біраз бөлігі жұтылады. Осы жұтылған энергияның түскен энергияға қатынасы дененің сәуле жұтқыштық қабілеті д.а. Демек, бұл шама түскен сәулелік энергияның қандай бөлігі жұтылғанын көрсетеді. Сонда толқындар ұзындығы λ және λ+dλ аралығындағы сәулелер энергиясының белгілі температурада дененің беті жұтқан бөлігін көрсететін шама дененің спектрлік сәуле жұтқыштық қабілеті деп аталады.

Егер дене бетіне түскен сәулелік энергияны талғамай толық жұтатын болса, онда ондай дене абсолют қара дене деп аталады. Осындай дененің сәуле жұтқыштық қабілеті бірге тең ()

Неміс ғалымы Кирхгов 1859ж термодинамика заңдарына сүйеніп, дененің сәуле шығарғыштық қабілетінің сәуле жұтқыштық қабілетіне қатынасы дененің табиғатына байланысты болмай, барлық денелерге бірдей, сәуленің толқын ұзындығы мен температурасына тәуелді универсал функция болады деген қорытынды жасады, яғни . осы қағида Кирхгоф заңы деп аталады.

21. Планктың кванттық гипотезасы. Планк жарық үздік-үздік, белгілі бір мөлшерде, энергия пропорциялары немесе энергия кванттары түрінде шығарылады деп жорып, энергия кванты тербеліс жиілігіне пропорционал деді: , мұндағы Дж с – Планк тұрақтысы д.а. бірақ сәулелену порция түрінде шығатын болғандықтан энергия осцилляторы тек арнаулы дискретті мәндерді ғана қабылдай алады. Планк өзі ұсынған болжамды – жылулық сәулеленудің кванттық теориясының негізі ретінде қарап және статистикалық физика заңдарын пайдалана отырып, абсолют қара дененің сәуле шығарғыштық қабілетінің толқын ұзындығы мен температураға тәуелділігін дұрыс көрсететін формула қорытып шығарды

22. фотондар. Фотон (грек. phos, photas — жарық) — электрмагниттік сәуленің (жарықтың) элементар бөлшегі. Фотон зарядсыз бейтарап (нейтрал) бөлшек. Ол вакуумде с=3108м/с жылдамдықпен тарайды. Оның энергиясы () жиілігімен () анықталады: =h/с, оның тыныштықтағы массасы m=0. Фотон электрмагниттік әсерлесуді тасымалдайтын бөлшек. Зарядталған бөлшектердің Фотондарды шығаруы немесе сіңіруі барлық электро-магниттік процестердің негізі болып табылады. Фотон туралы ұғым кванттық теория мен салыстырмалы теорияның даму барысында пайда болды. 1905 ж. А.Эйнштейн фотоэффект құбылысының заңдылықтарын түсіндіру үшін 1900 ж. нем. физигі М.Планк ашқан жарық кванттары туралы ұғымды пайдаланды. Жарықтың Фотондардан (кванттардан) тұратындығы люминесценц. құбылыстар мен фотохим. реакциялар арқылы дәлелденді. “Фотон” терминін ғылымға 1929 ж. америка ғалымы Г.Льюис енгізді. Фотон бозондарға жатады. Оның меншікті импульс моментінің (спинінің) қозғалыс бағытына проекциялары S=1. Классик. электрдинамикада оның бұл қасиетіне көлденең электро-магниттік толқындар сәйкес келеді. электро-магниттік әсерлесуден басқа Фотон гравитац. әсерлесуге де қатысады. Америка физигі А.Комптонның рентген сәулелерінің бос электрондардан шашырауын зерттейтін тәжірибесінде кванттық сәуле (фотон) шығару да зат бөлшектері сияқты кинематик. заңдарға (энергияның және импульстің сақталу заңдарына) бағынатындығы дәлелденді. Фотонның зарядталған лептондармен әсерлесуін (өзара бір күйден екінші күйге ауысуын) кванттық электрдинамика зерттейді.

23. Фотоэффект. Фотоэлектрлік құбылыстар, фотоэффект — электрмагниттік сәуленің затпен әсерлесуі нәтижесінде пайда болатын электрлік құбылыстар (электр өткізгіштігінің өзгеруі, ЭҚК-нің пайда болуы не электрондар эмиссиясы). Бұл құбылыс қатты денелерде, сұйықтықтарда, сондай-ақ газдарда да байқалады. Фотоэлектрлік құбылыстар қатарына рентген сәулелерінің фотоэффектісі мен ядролардың фотоэффекті де жатады. Қатты немесе сұйық денелердің жарық сәулесін (фотондарды) жұтуы нәтижесінде электрондардың бөлініп шығу құбылысы сыртқы фотоэффект делінеді. Мұны 1887 ж. Г.Герц ашқан. Сыртқы фотоэффектіні тәжірибе жүзінде А.Г. Столетов (1888) толық зерттеп, оның бірнеше заңдарын тұжырымдап берген. А.Г. Столетов ашқан фотоэффектінің бірінші заңы былайша тұжырымдалады: максимал фотоэлектрлік ток (қанығу фототогы) түскен жарық ағынына тура пропорционал болады.

24. Фотоэффект заңдары. Сыртқы фотоэффект құбылысы үшін Столетов мынадай 3 заң енгізді:

1.Фотоэлектрондардың алғашқы максимал жылдамдығы фотокатодқа түскен жарықтың интенсивтігіне тәуелді болмай, тек жарықтың тербеліс жиілігіне байланысты анықталады.

2. бірлік уақыт ішінде катодтан бөлініп шыққан фотоэлектрондар саны түскен жарық интенсивтігіне пропорционал болады (өйткені қанығу тогы жарық ағыны қуатына пропорционал).

3. кез келген заттың әлі де болса фотоэффект құбылысын қоздыра алатын жарық жиілігін фотоэффектінің қызыл шегі д.а.

25. Эйнштейн теңдеуі. Фотоэффект құбылысын Эйнштейн 1905ж Планктың жарыұтың үздік үздік сәулесінің энергия шығаруы жөніндегі идеясын пайдаланып, бірінші рет жарықтың кванттық теориясының негізінде түсіндірді. Эйнштейннің пікірінше белгілі бір жиіліктегі жарық кеңістікте тарала отырып жеке порциялар ретінде зат бетінде жұтылады және шығарылады. Олай болса, жарық тарағанда энергия кванттары ағын түрінде таралады. Яғни жарық энергиясының кванттары фотондар д.а. сонымен жарық ағыны дегеніміз фотондар ағыны болып есептелінеді. Сөйтіп жарық квантының энергиясы Планктың идеясымен сәйкес келіп, ол жарықтың тербеліс жиілігіне пропорционал болады. Эйнштейннің пікірінше фотоэффект құбылысы кезінде әрбір электрон әрбір жеке фотонның әсерінен бөлініп шығады.яғни, әрбір фотоэлектрон тек бір фотон энергиясын жұта алады. Сөйтіп жұтылған фотон энергиясы() фотоэлектронды металл бетінен бөліп шығаратын шығу жұмысына және оның кинетикалық энергиясына айналады. Олай болса, Эйнштейн теңдеуі мына түрде жазылады . Бұл теңдеу фотоэффектіге қатысты негізгі мәселелерді түсіндіруге мүмкіндік береді. Эйнштейнге жарықтың интенчъсивтігі жарық сәулелерінің кванттар (порциялар) санына пропорционал және металлдан бөлініп шыққан фотоэлектрондардың санын анықтайды. Фотоэлектрондардың жылдамдығы Эйнштейн теңдеуі бойынша тек жарық жиілігіне және металлддың тегі мен оның бетінің күйіне тәуелді шығу жұмысы арқылы анықталады. Ол жарықтың интенсивтігіне байланысты.

26. Жарық қысымы. Жарық қысымы – жарықтың шағылдыратын немесе жұтатын денеге түсіретін қысымы. Күн маңынан ұшып өткен кезде құйрықты жұлдыздың (кометаның) құйрығының қисаюына жарық қысымының әсері болатындығын 1619 ж. алғаш рет неміс ғалымы Иоганн Кеплер болжаған. 1873 ж. ағылшын физигі Джеймс Максвелл электрмагниттік теорияға сүйене отырып, жарық қысымының шамасын анықтады. 1899 ж. орыс физигі Петр Лебедев жарықтың қатты денелерге, кейінірек газдарға (1907 – 10) түсіретін қысымын өлшеді. Жарық қысымын жарықтың электрмагниттік теориясы мен кванттық теориясы негізінде түсіндіруге болады. Жарық қысымы әсерінен Жердің жасанды серіктерінің орбиталары аз да болса толықсиды.

27. Лебедев тәжірибесі. Жарық қысымы өте аз шама. Мысалы ашық күндері бір шаршы метрге небәрі Н күш ғана әсер етеді. Жарық қысымын алғаш рет орыс физигі Лебедев 1900ж өлшеді. Лебедевтің приборы, жіңішке шыны қылдың шетіне жеңіл қанатшалар жапсырылған өте жеңіл стерженьнен тұрады. Прибор ауасы сорылып алынған ыдыстың ішіне тұтас орналастырылған. Жарық стерженьнің бір жағына орналасқан қанатшаларға түсіріледі. Қысымның шамасы жіптің иірілу бұрышы арқылы байқауға болады. Әрине ыдыс ішіндегі ауаны мүлдем сорып алу мүмкін емес. Сондықтан қанатшалар мен ыдыс ішіндегі қалған молекулалардың қозғалысы да жіпті ширатады. Сонымен қатар қанатшалардың беттерінің әртүрлі қызуы да жіптің ширатылуына әсер етеді. Сол кездегі эксперименттік техника дәрежесінің төмендігіне қарамастан, өте үлкен ыдыс және өте жұқа қанатшалар алып, Лебедев осы қиыншылықтардың бәрін жеңе білді. Ең соңында жарықтың қатты денелерге қысым түсіретіні дәлелденіп, өлшенді. Ол Максвеллдің болжамымен дәл келді.

28. Комптон эффектісі. Рентген сәулесі шашыраған кезде олардың толқындар ұзындығының өзгеруі Комптон құбылысы немесе Комптон эффектісі д.а. сөйтіп жарықтың корпускулалық қасиетінің айқын болуын бірінші рет 1924ж американ физигі Комптон зерттеді. Тәжірибеден мынау анықталды. Шашыраған рентген сәулелерінің спектрінде толқын ұзындығы λ-ға тең бастапқы сәулемен қатар, толқын ұзындығы болатын басқа сәуленің бар екендігі байқалды. Бұл толқын ұзындықтарының айырымы шашыратқыш затқа және бастапқы түскен сәуленің толқынының ұзындығына тәуелді болмай, тек сәулелердің шашырау бағытына байланысты болады. Егер шашырау бұрышын θ десек, онда мен θ арасындағы байланысты былайша өрнектеуге болады .