Лекции по физике

Поглощение света.

Поглощением света называется явление поглощения энергии световой волны при её распространении в веществе.

Энергия световой волны преобразуется во внутреннюю энергию вещества и энергию вторичного излучения.

Описывается законом БугераЛамберта:

J = J0 * еaL, где J0 активность света при входе в слой вещества; J интенсивность при выходе; L толщина слоя; a линейный коэффициент поглощения среды, зависит от природы и состояния поглощающей среды и от l.

В диэлектриках нет свободных электронов, и поглощение света обусловлено явлением резонанса при вынужденных колебаниях электронов в атомах и атомов в молекулах. Поэтому диэлектрик поглощает свет более или менее избирательно; поглощение велико лишь в областях частот, близких к частотам собственных колебаний частиц диэлектрика.

Так для одноатомных газов характерен линейчатый спектр поглощения света: дискретные частицы интенсивного поглощения совпадают с частотами собственного излучения возбужденных атомов газа.

У газов с многоатомными молекулами наблюдаются полосы поглощения, состоящие из тесно расположенных линий поглощения.

Жидкие и твердые диэлектрики имеют сплошные спектры поглощения, состоящие из довольно широких полос поглощения: расширение полос это результат взаимодействия атомов друг с другом.

Ме практически непрозрачны для света. В Ме много свободных электронов. Под действием электрического поля световой волны эти электроны приходят в движение. При этом в Ме возникают быстропеременные токи, сопровождающиеся выделением ЛенцДжоулева тепла. При этом энергия световой волны быстро убывает, превращаясь в тепловую энергию Ме.

Рассеяние света.

Рассеянием света называется явление преобразования света веществом, сопровождающееся изменением направления распространения света и появляющимся как несобственное сечением света.

Это свечение обусловлено вынужденными колебаниями электронов в атомах рассеивающей среды под действием падающего света. Колеблющиеся электроны возбуждают вторичные волны, распространяясь во всех направлениях. эти вторичные волны когерентны и взаимно интерферируют.

В случае однородной среды вторичные волны полностью гасят друг друга. Они дифрагируют на неоднородностях среды, дают дифракционную картину, характеризующуюся довольно равномерным распределением интенсивности света по всем направлениям. Это рассеяние света.

Интенсивность рассеянного света пропорциональна 4ой степени частоты или обратно пропорциональна 4ой степени длины волны:

J const: n4 = const / l Закон Рэлея.

Вследствие этого при прохождении белого света через рассеивающую среду рассеянный свет имеет голубоватый оттенок, а прошедший красноватый.

Закон Рэлея справедлив при a >> а, где а параметр, характеризующий линейные размеры рассеивающихся частиц среды.

Рассеяние света может наблюдаться и в однородных средах. В этих средах изза беспорядочного движения молекул возможны флуктуации плотности среды. Эти флуктуации равнозначны оптической неоднородности среды. Такое рассеяние называется молекулярным (им объясняется голубой цвет неба).

Давление света. Опыты Лебедева.

Световое давление давление, производимое светом на отражающие и поглощающие тела, частицы а также отдельные молекулы и атомы.

Гипотеза о световом давлении впервые была высказана немецким ученым И. Кеплером (1619) для объяснения отклонения хвостов комет, пролетающих вблизи Солнца. В 1873г. английский физик Д.К. Максвелл, исходя из электромагнитной теории, предсказал величину светового давления, которая оказалась исключительно малой даже для самых сильных источников света (Солнце, электрическая дуга). Согласно электромагнитной теории, давление, которое оказывает на поверхность тела плоская электромагнитная волна, падающая перпендикулярно к поверхности, равно плотности электромагнитной энергии ~ поверхности. Величина давления вычисляется по формуле: Р = Q * (1+k) / с, Дж/м3, где

Q мощность электромагнитной волны, падающей на единицу поверхности тела,

k коэффициент отражения.

Существование светового давления показывает, что поток излучения обладает не только энергией (следовательно, и массой), но и импульсом. С точки зрения квантовой теории, световое давление результат передачи телам импульса фотонов в процессах поглощения или отражения света.

Давление света Р на плоскую поверхность тела S равно численному значению нормальной составляющей суммарного импульса, передаваемого фотонами телу на единице площади рассматриваемой поверхности за единицу времени.

Пусть монохроматический свет частоты n падает на поверхность S под углом i; n число фотонов, падающих за 1с на единицу площади поверхности S (рисунок). Если k коэффициент отражения света от поверхности S, то из n фотонов: kn зеркально отражаются; (1k)n поглощаются.

Каждый отраженный фотон передает поверхности импульс, направленный нормально к поверхности: 2Рg = 2 * h * n * сos i / c (т.к. при отражении импульс фотона изменится на Рg). каждый поглощенный фотон передает поверхности импульс, направленный нормально к поверхности: Рg = h * n * cos i / c.

Тогда kn * 2hn * cos i / c суммарный импульс отраженных фотонов.

 (1k)n * hn * cos i / c суммарный импульс поглощенных фотонов.

Таким образом давление света:

Р = kn * 2hn * cos i / c + (1k)n * hn * cos i / c = (1+k)n * hn * cos i / c.

Если n0 концентрация фотонов падающего света, то n = n0 * c * cos i и n0 * hn = <v> среднее значение объемной плотности энергии света. Поэтому Р = (1+k)n0 * hn * cos2 i = (1+k)<v>* cos2 i.

Если свет падает нормально на поверхность, то его давление Р = (1+k)<v>.

Учитывая, что <v>*с = J интенсивность света, последняя формула примет вид:

 Р = J*(1+k) / с.

Если тело зеркально отражает падающие на него лучи, то k = 1 и Р = 2J / c.

Если тело полностью поглощает лучи (черное тело), то k = 0 и Р = J / с.

Световое давление на черное тело в два раза меньше, чем на тело, зеркально отражающее свет.

Т.о., давление света одинаково успешно объясняется как волновой теорией, так и квантовой.

В земных условиях световое давление маскируется побочными явлениями (конвекционными токами, радиометрическими силами), которые могут превышать величину светового давления в тысячи раз. Поэтому измерить величину светового давления было чрезвычайно трудно. Впервые экспериментально измерить световое давление удалось П.Н. Лебедеву в 1899г.

Прибор Лебедева представлял собой очень чувствительные крутильные весы, помещенные внутри стеклянного сосуда. Подвижной частью прибора являлся легкий стержень с укрепленными на нём "крылышками" светлыми и черными дисками толщиной от 0,1 до 0,01 мм. На крылышки с помощью специальной оптической системы и зеркал направлялся свет от сильной электрической дуги. Т.к. давление на черный диск почти вдвое меньше давления на светлый, то на подвижную систему будет действовать вращающий момент, который можно измерить по углу закручивания нити. Плотность энергии Лебедей измерял с помощью специально сконструированного миниатюрного калориметра, направляя на него пучок света на определенное время и регистрируя повышение температуры. Он пришел к выводу, что в пределах погрешности эксперимента величина светового давления согласуется с формулой, полученной на основе теории Максвелла.

В 1907 1910гг. Лебедев исследовал световое давление на газы, что было еще труднее, т.к. оно в сотни раз меньше светового давления на твердые тела. 

На главную