 |
|
Поляризация света. Закон Малюса. Закон Брюстера. Вращение плоскости поляризации. Методы поляризационного анализа горных пород.
Поляризованная волна – волна, в которой векторы напряженности электрического E и магнитного H полей, распространяясь, остаются в определенных плоскостях. Если в каждой точке луча, идущего от обычного источника света, представлены в одинаковой мере всевозможные направления векторов E в плоскости, перпендикулярной лучу, то такой свет называется естественным. А поляризованный свет – это свет, в котором направления колебаний упорядочены каким-либо образом.
Закон Малюса основан на том, что зависимость интенсивности линейно-поляризованного света после его прохождения через анализатор от угла a между плоскостями поляризации падающего света и анализатора. Если I0 и I — соответственно интенсивности падающего на анализатор и выходящего из него света, то, согласно закону Малюса, I = I0cos2α. Свет с иной (не линейной) поляризацией может быть представлен в виде суммы двух линейно-поляризованных составляющих, к каждой из которых применим закон Малюса.
Закон Брюстера - закон, устанавливающий зависимость угла Брюстера от показателей преломления сред: Если тангенс угла падения луча на границу раздела двух диэлектриков равен относительному показателю преломления, то отраженный луч полностью поляризован в плоскости, перпендикулярной к плоскости падения.
Вращение плоскости поляризации - поворот плоскости поляризации линейно поляризованного света при его прохождении через вещество. Вращение плоскости поляризации наблюдается в средах, обладающих двойным круговым лучепреломлением, т. е. различными показателями преломления для право- и лево-поляризованных по кругу лучей. Линейно поляризованный пучок света можно представить как результат сложения двух лучей, распространяющихся в одном направлении и поляризованных по кругу с противоположными направлениями вращения. Если такие два луча распространяются в теле с различными скоростями, то это приводит к повороту плоскости поляризации суммарного луча. Вращение плоскости поляризации может быть обусловлено либо особенностями внутренней структуры вещества, либо внешним магнитным полем. Вращение плоскости поляризации наблюдается, как правило, в оптически изотропных телах (кубические кристаллы, жидкости, растворы и газы).
Для получения и исследования поляризованного света существуют специальные поляризационные устройства. Они обладают свойством пропускать от цугов только их составляющие с определенным направлением электрического вектора, которое называется направлением пропускания поляризационного устройства.
Поляризационная микроскопия – это метод наблюдения в поляризованном свете для микроскопического исследования препаратов, включающих оптически анизотропные элементы (или целиком состоящих из таких элементов). Таковыми являются многие минералы, зёрна в шлифах сплавов, некоторые животные и растительные ткани и пр. Оптические свойства анизотропных микрообъектов различны в различных направлениях и проявляются по-разному в зависимости от ориентации этих объектов относительно направления наблюдения и плоскости поляризации света, падающего на них. Наблюдение можно проводить как в проходящем, так и в отражённом свете. Свет, излучаемый осветителем, пропускают через поляризатор. Сообщенная ему при этом поляризация меняется при последующем прохождении света через препарат (или отражении от него). Эти изменения изучаются с помощью анализатора и различных оптических компенсаторов. Анализируя такие изменения, можно судить об основных оптических характеристиках анизотропных микрообъектов: силе двойного лучепреломления, количестве оптических осей и их ориентации, вращении плоскости поляризации, дихроизме.
7. Нормальная и аномальная дисперсия света. Рассеяние света. Внешний фотоэффект. Законы Столетова. «Красная граница» фотоэффекта.
Дисперсия света – зависимость показателя преломления n вещества от частоты η (длины волны λ) света или зависимость фазовой скорости световых волн от частоты: n = f(λ0), где λ0 – длина световой волны в вакууме. Следствие дисперсии света — разложение в спектр пучка белого света при прохождении сквозь вещество. Для всех прозрачных бесцветных веществ функция n = f(λ0) имеет следующий характер: с уменьшением длины волны показатель преломления увеличивается со все возрастающей скоростью, так что дисперсия вещества dn/dλ0, отрицательна а растет по модулю с уменьшениемλ0; такая зависимость n от λ называется нормальной дисперсией света.
Если вещество поглощает часть лучей, то в области поглощения и вблизи нее ход дисперсии обнаруживает аномалию. На некотором участке дисперсия вещества отказывается положительной. Так, для тонкой призмы из красителя цианина в области поглощения красные лучи преломляются сильнее фиолетовых, а наименее преломляемым будет зелёный, затем синий (т. н. аномальная дисперсия). У всякого вещества имеются свои полосы поглощения, и общий ход показателя преломления обусловлен распределением этих полос по спектру.
Рассеяние света – изменение характеристик потока оптического излучения (света) при его взаимодействии с веществом. Процесс рассеяния света заключается в том, что свет, проходящий через вещество, вызывает колебания электронов в атомах. Колеблющиеся электроны возбуждают вторичные волны, распространяющиеся по все направлениям. Однако, вторичные волны являются когерентными, так что необходимо учесть их взаимную интерференцию. Этими характеристиками могут быть пространственное распределение интенсивности, частотный спектр, поляризация света.
В случае однородной среды вторичные волны полностью гасят друг друга во всех направлениях, кроме направления распространения первичной волны, поэтому рассеяния не происходит.
Вторичные волны не погашают друг друга в боковых направлениях только при распространении света в неоднородной среде. Световые волны, дифрагируя на неоднородностях среды, дают дифракционную картину, характеризующуюся довольно равномерным распределением интенсивности по всем направлениям. Такую дифракцию на мелких неоднородностях называют рассеянием света. Среды с явно выраженной оптической неоднородностью носят название мутных сред (дымы, туманы, взвеси, эмульсии, некоторые твердые тела).
Свет, рассеянный на частицах, размеры которых значительно меньше длины световой волны, оказывается частично поляризованным. Это объясняется тем, что колебания электронов, вызванные рассеиваемым световым пучком, происходят в плоскости, перпендикулярной пучку. Колебания вектора Е во вторичной волне происходят в плоскости, проходящей через направление колебаний зарядов. Поэтому свет, рассеиваемый частицами в направлениях, перпендикулярных пучку, будет полностью поляризован.
В результате рассеяния света в боковых направлениях интенсивность в направлении распространения убывает быстрее, чем в случае одного лишь поглощения. Поэтому для мутного вещества закон Бугера (I(l) = I0e-kl)будет выглядеть следующим образом: I = I0e-(χ+χ’)l, где χ – коэффициент экстинкции.
Если размеры неоднородностей малы по сравнению с длиной световой волны (не более ~0,1λ), интенсивность рассеянного света I оказывается пропорциональной четвертой степени частоты или обратно пропорциональной четвертой длины волны: I ~ ω4 ~ 1/λ4 – закон Рэлея.
Фотоэффект – испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения.
Внешний фотоэффект (фотоэлектронная эмиссия) – испускание электронов из вещества под действием электромагнитного излучения. Внешний фотоэффект наблюдается в металлах, полупроводниках и диэлектриках и подчиняется законам фотоэффекта.
Внешний фотоэффект – результат трех последовательных процессов: поглощения фотона и появления электрона с высокой (по сравнению со средней) энергией; движения этого электрона к поверхности, при котором часть энергии может рассеяться; выхода электрона в другую среду через поверхность раздела. Количественной характеристикой фотоэлектронной эмиссии является квантовый выход Y – число вылетевших электронов, приходящееся на 1 фотон излучения, падающего на поверхность тела. Величина Y зависит от свойств тела, состояния его поверхности и энергии фотонов.
Законы Столетова.
Количество электронов, вырываемых с поверхности металла в секунду, прямо пропорционально мощности светового потока.
Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от падающего светового потока.
Если частота света меньше некоторой определенной для данного вещества минимальной частоты, то фотоэффект не происходит («красная граница фотоэффекта»). У щелочных металлов красная граница лежит в диапазоне видимого света.
Фотоэффект безинерционен.
«Красная граница» фотоэффекта – наименьшая частота излучения, при которой еще возможен внешний фотоэффект т.е. начальная кинетическая энергия фотоэлектронов больше нуля. Красная граница фотоэффекта определяется выбором материалов фотокатодов.
Частота υ0 зависит только от работы выхода электрона: υ0 = A/ħ, где A - работы выхода для конкретного фотокатода, а ħ - постоянная Планка. Работа выхода A зависит от материала фотокатода и состояния его поверхности. Испускание фотоэлектронов начинается сразу же, как только на фотокатод падает свет с частотой υ = υ0.
Строение атома. Постулаты Бора. Особенности движения квантовых частиц. Гипотеза де Бройля. Принцип неопределённости Гейзенберга. Квантовые числа. Принцип Паули. Периодическая система Менделеева.
Строение атома. Атом состоит из тяжёлого ядра, обладающего положительным электрическим зарядом, и окружающих его лёгких электронов с отрицательными электрическими зарядами, образующих электронные оболочки атома. Размеры атома в целом определяются размерами его электронной оболочки и велики по сравнению с размерами ядра атома. Электронные оболочки не имеют строго определённой границы; значения размеров атома в большей или меньшей степени зависят от способов их определения и весьма разнообразны.
Заряд ядра — основная характеристика атома, обусловливающая его принадлежность определённому элементу. Заряд ядра всегда является целым кратным элементарного положительного электрического заряда е, равного по абсолютному значению заряду электрона - е. Заряд ядра равен +Ze, где Z — порядковый номер (атомный номер). Z = 1, 2, 3, 4,... для атомов последовательных элементов в периодической системе элементов Менделеева, т. е. для атомов Н, Не, Li, Be... В нейтральном атоме ядро с зарядом +Ze удерживает Z электронов с общим зарядом -Ze и полный заряд атома равен нулю. Электрический заряд 1 моль протонов равен числу фарадея, 96500 Кл.
Изотопы — разновидности атомов (и ядер) одного химического элемента с разным количеством нейтронов в ядре. Химические свойства атома зависят практически только от строения электронной оболочки, которое, в свою очередь, определяется в основном зарядом ядра Z (т.е. количеством протонов в нём) и почти не зависит от его массового числа A (т.е. суммарного числа протонов Z и нейтронов N). Все изотопы одного элемента имеют одинаковый заряд ядра, отличаясь лишь числом нейтронов.
Постулаты Бора — основные допущения, сформулированные Нильсом Бором в 1913 году для объяснения закономерности линейчатого спектра атома водорода (формула Бальмера-Ридберга 1/λ = Rλ(1/m2 – 1/n2)), ядерной модели атома и квантового характера испускания и поглощения света.
Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний): в атоме существуют некоторые стационарные состояния, не изменяющиеся во времени без внешних воздействий. В этих состояниях атом не излучает электромагнитных волн.
Второй постулат Бора (правило частот): при переходе атома из одного стационарного состояния в другое им испускается или поглощается один квант энергии.
Третий постулат Бора (правило квантования орбит): в стационарном состоянии атома электрон, двигаясь по круговой орбите, должен иметь дискретные значения момента импульса.
Особенности движения квантовых частиц. В квантовой механике у частиц нет определённой координаты и можно говорить только о вероятности найти частицу в некоторой области пространства. Состояние частицы описывается волновой функцией, а динамика частицы (или системы частиц) описывается уравнением Шредингера. Характерной особенностью уравнения Шредингера является то, что его собственные значения могут быть дискретны. Например, планеты могут вращаться вокруг Солнца на орбитах с любым радиусом и могут иметь непрерывный набор значений энергии, а электрон в атоме водорода в квазиклассическом приближении «обращается» вокруг протона на орбитах с определенными радиусами и может обладать только некоторыми разрешёнными энергиями, представленными в энергетическом спектре.
С открытием законов квантовой механики, возник вопрос - а что происходит с движением частиц в магнитном поле в квантово-механическом случае? Для решения этого вопроса необходимо решить уравнение Шредингера. Впервые это сделал 1930 году советский физик Ландау. Оказалось, что вдоль магнитного поля частица может двигаться с любой скоростью; но при заданной проекции скорости вдоль магнитного поля, частица может занимать дискретные энергетические уровни. Эти уровни были названы уровнями Ландау.
Уравнение Шредингера и его решения:
описывают энергетические уровни частицы;
описывают волновые функции;
описывают энергетические уровни частицы, когда есть не только магнитное поле, но и электрическое;
описывают энергетические уровни частицы в двумерном пространстве.
Согласно гипотезе де Бройля любой движущийся частице с энергией E и импульсом p соответствует волна с частотой υ = E/ħ, длиной волны λ = ħ/p и волновым вектором k = p/ħ. Так же как в случае с фотоном, с соответствующей волной связаны частицы, обладающие энергией E = ħυ и импульсом p = ħ/λ (или p = ħk).
С фотонами связаны электромагнитные волны. Волны, для частиц с m ≠ 0, о существовании которых догадался Л. де Бройль, носят название волн де Бройля. Длина волны де Бройля: λ = ħ/p, где p - импульс частицы.
Принцип неопределённости Гейзенберга - в квантовой физике так называют закон, который устанавливает ограничение на точность (почти) одновременного измерения переменных состояния, например, положения и импульса частицы.
Принцип заключается в том, что нельзя одновременно измерить скорость и координаты квантовой частицы.
Гейзенберг пришел к формуле, дающей общее описание эффекта воздействия инструментов измерения на измеряемые объекты микромира. В результате им был сформулирован принцип неопределенности, названный теперь его именем:
- неопределенность значения координаты x;
- неопределенность скорости больше h/m, математическое выражение которого называется соотношением неопределенностей Гейзенберга: Δx·х·Δv > ħ/m, где Δx — неопределенность (погрешность измерения) пространственной координаты микрочастицы, Δv — неопределенность скорости частицы, m — масса частицы, а ħ — постоянная Планка.
Термин «неопределенность пространственной координаты» как раз и означает, что мы не знаем точного местоположения частицы.
В мире квантовых явлений, однако, любое измерение воздействует на систему. Сам факт проведения нами измерения, например, местоположения частицы, приводит к изменению ее скорости, причем непредсказуемому (и наоборот). Вот почему в правой части соотношения Гейзенберга стоит не нулевая, а положительная величина. Чем меньше неопределенность в отношении одной переменной (например, Δx), тем более неопределенной становится другая переменная (Δv), поскольку произведение двух погрешностей в левой части соотношения не может быть меньше константы в правой его части. На самом деле, если нам удастся с нулевой погрешностью (абсолютно точно) определить одну из измеряемых величин, неопределенность другой величины будет равняться бесконечности, и о ней мы не будем знать вообще ничего. Иными словами, если бы нам удалось абсолютно точно установить координаты квантовой частицы, о ее скорости мы не имели бы ни малейшего представления; если бы нам удалось точно зафиксировать скорость частицы, мы бы понятия не имели, где она находится. На практике, конечно, физикам-экспериментаторам всегда приходится искать какой-то компромисс между двумя этими крайностями и подбирать методы измерения, позволяющие с разумной погрешностью судить и о скорости, и о пространственном положении частиц.
Квантовые числа - целые (0, 1, 2,...) или полуцелые (1/2, 3/2, 5/2,...) числа, определяющие возможные дискретные значения физических величин, которые характеризуют квантовые системы (атомное ядро, атом, молекулу) и отдельные элементарные частицы. Применение квантовых чисел в квантовой механике отражает черты дискретности процессов, протекающих в микромире, и тесно связано с существованием кванта действия, или постоянной Планка, ħ.
Главное квантовое число n определяет общую энергию электрона и степень его удаления от ядра (номер энергетического уровня); оно принимает любые целочисленные значения, начиная с 1 (n = 1, 2, 3, . . .). Все орбитали n-ого энергетического уровня имеют большую энергию, чем орбитали n-1 энергетического уровня.
Орбитальное квантовое число l определяет форму атомной орбитали. Оно может принимать целочисленные значения от 0 до n-1 (l = 0, 1, 2, 3,..., n-1). Каждому значению l соответствуют различные геометрические характеристики граничных поверхностей. Орбитали с l = 0 называются s-орбиталями, l = 1 - р-орбиталями (3 типа, отличающихся магнитным квантовым числом m), l = 2 - d-орбиталями (5 типов), l = 3 - f-орбиталями (7 типов).
Принцип Паули – принцип запрета, фундаментальный закон природы, согласно которому две тождественные частицы с полуцелым спином (спин – собственный момент количества движения элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого) не могут одновременно находиться в одном состоянии.