Transcript

1

2

3

4 Επιτρέπεται η αναπαραγωγή της παρούσας εργασίας σαν σύνολο ή τµηµατικά από: φοιτητές, διδάσκοντες ή άλλους ενδιαφερόµενους. Η αναπαραγωγή θα γίνεται µόνο από τα ηλεκτρονικά αρχεία που είναι σε µορφή pdf και που θα βρίσκονται στις κατά τόπους βιβλιοθήκες ή στον διαδικτυακό χώρο: εν επιτρέπεται η µετατροπή των αρχείων pdf της εργασίας σε άλλου είδους αρχεία. εν επιτρέπεται µε κανέναν τρόπο η µαζική αναπαραγωγή της εργασίας µε σκοπό την εµπορική εκµετάλλευση της από οποιονδήποτε. Κάθε γνήσιο αντίτυπο (του βιβλίου) φέρει την υπογραφή του συγγραφέα. COPYRIGHT: Ευάγγ..Βανίδης Φιλίπου Θεσ/νίκη 1 Η ΕΚ ΟΣΗ ΜΑΡΤΙΟΣ 2006 ISBN Eυάγγ..Βανίδης Επίκουρος Καθηγητής ΑΠΘ / ΣΘΕ / Τµήµα Φυσικής Τοµέας Φυσικής Στερεάς Κατάστασης Εργαστήριο Οπτικής Θεσ/νίκη vanidhis@auth.gr

5 - i - ΕΙΣΑΓΩΓΗ Θα ήταν µάλλον αρκετά δύσκολο να γίνει µια έστω και σύντοµη εισαγωγή σε θέµατα που αφορούν την παραγωγή, την ανάλυση και την ανίχνευση του φωτός. Αιτία είναι τα προαναφερόµενα, αφενός µεν συνδέονται µε µια µακρόχρονη εξελικτική πορεία, αφετέρου στις µέρες µας σχετίζονται µε εκτεταµένους κλάδους της Φυσικής και της τεχνολογίας. Για το λόγο αυτό θα εστιαστούµε εδώ περισσότερο σε θέµατα του άµεσου ενδιαφέροντός µας. Η παραγωγή γενικά των κάθε είδους ακτινοβολιών που αφορούν αντίστοιχα καθορισµένες περιοχές του ηλεκτροµαγνητικού (Η/Μ) φάσµατος, οφείλεται σε συγκεκριµένες πηγές. Η λειτουργία κάθε πηγής στηρίζεται σε καθορισµένες φυσικές αρχές που χαρακτηρίζουν και περιγράφουν την γεννησιουργό αιτία εκποµπής της αντίστοιχης ακτινοβολίας. Αντικείµενο µελέτης µας, ως επί το πλείστον, θα είναι η ορατή περιοχή του Η/Μ φάσµατος εκεί δηλ. όπου περιλαµβάνονται ακτινοβολίες που ανιχνεύονται από το ανθρώπινο µάτι (το φως). Σε µικρότερη έκταση θ αναφερόµαστε και στις αµέσως γειτονικές προς αυτή περιοχές που είναι η υπεριώδης (ultraviolet - UV) και η Υπέρυθρη (Infrared IR). Σε γενικές γραµµές ένας κοινός λαµπτήρας πυράκτωσης σαν πηγή φωτισµού, παράγει ορατή ακτινοβολία (στην πραγµατικότητα και υπέρυθρη και ελάχιστη υπεριώδη) µε τη βοήθεια του µηχανισµού των αποδιεγερµένων ηλεκτρονίων των εξωτερικών στοιβάδων των ατόµων, από τα οποία αποτελείται το φωτοβολόν µεταλλικό νήµα του. Η ενέργεια της διέγερσης προέρχεται από µια ηλεκτρική πηγή που τροφοδοτεί µε ρεύµα το λαµπτήρα και οι διεγέρσεις είναι αποτέλεσµα των κρούσεων µεταξύ ατόµων ή πρόσπτωσης ηλεκτρονίων σ αυτά. Αντίστοιχα σε µια πηγή εκποµπής υπεριώδους ακτινοβολίας, οι διεγέρσεις και αποδιεγέρσεις των ηλεκτρονίων γίνονται από και προς εσώτερες στοιβάδες των ατόµων ενώ σε µια πηγή υπερύθρου η ακτινοβολία οφείλεται σε ε- νέργεια που προκύπτει κυρίως από δονήσεις και ταλαντώσεις των ατόµων των µοριών. Είναι γνωστό ότι οι ακτινοβολίες (σαν διαταραχές του Η/Μ πεδίου) περιγράφονται από το µήκος κύµατος (µ.κ.) λ ή τη συχνότητα v, τα οποία συνδέονται µεταξύ τους µέσω της θεµελιώδους εξίσωσης της κυµατικής: υ=λ v, όπου υ η ταχύτητα διάδοσης (ταχύτητα φάσης). Για τις περιοχές που ήδη προαναφέραµε (υπερύθρου ορατού υπεριώδους), οι συχνότητες βρίσκονται µεταξύ των ορίων Hz (σε µ.κ. περίπου µεταξύ m) (βλ. ΠΑΡ/ΜΑ 5 Πίν. Ι). Κάτω από την υπέρυθρη περιοχή εκτείνονται οι περιοχές των κυµάτων Radar, των βραχέων ραδιοφωνικών κυµάτων (shortwave radio), των κυµάτων FM και TV, των µακρών ραδιοφωνικών κυµάτων (long wave radio) µέχρις τα κύµατα που εκπέµπονται λόγω ηλεκτρικών διαταραχών(electrical disturbances) (κινήσεις ηλεκτρικών φορτί-

6 - ii - ων) που αντιστοιχούν σε συχνότητες λίγων Hz. Επίσης πάνω από τα όρια της υπεριώδους περιοχής συναντούµε τις ζώνες των ακτίνων Χ (X rays), των ακτίνων γ (gamma rays) και των κοσµικών ακτίνων (cosmic rays), που τα όρια των συχνοτήτων τους φθάνουν τα Hz. Θα ήταν περιττό µάλλον ν αναφερθούµε στο τεράστιο ενδιαφέρον που παρουσιάζει η έρευνα και κατά προέκταση η παραγωγή σε µαζική κλίµακα των διαφόρων πηγών φωτός. Όλες µας οι φωτιστικές ανάγκες, οικιακές και δηµοσίων χώρων ικανοποιούνται από τη χρησιµοποίηση χιλιάδων ειδών λαµπτήρων πυράκτωσης, λαµπτήρων φθορισµού ή πιο εξειδικευµένων λυχνιών τόξου µεγάλης ισχύως. Άλλα είδη λυχνιών χρησιµοποιούνται για τη λειτουργία εκατοντάδων οπτικών οργάνων όπως: µικροσκοπίων, φασµατοφωτοµέτρων, προβολέων διαφανειών κ.λ.π. Το µεγάλο όµως άλµα όσον αφορά την παραγωγή µιας «νέας ποιότητας» φωτός, έγινε µε την πρόσφατη σχετικά ανακάλυψη των πηγών Lasers. Ο τρόπος παραγωγής του, διαφοροποιεί στατιστικά (από τη δεύτερη τάξη και µετά) το φως των Lasers (σύµφωνο φως) από αυτό που προέκυπτε από τις µέχρι τότε γνωστές πηγές φωτός (φως από θερµικές πηγές). Σε αντιδιαστολή µε το πολυχρωµατικό και µεγάλων αποκλίσεων εκπεµπόµενο φως των θερµικών πηγών (π.χ. ενός λαµπτήρα πυράκτωσης), το φως των Lasers είναι υψηλής µονοχρωµατικότητας και µεγάλης κατευθυντικότητας. Οι ιδιότητές του αυτές (όπως και άλλες) το καθιστά ικανό για ένα µεγάλο πλήθος εφαρµογών όπως: Στη βιοτεχνολογία, την ιατρική και ιδιαίτερα στη χειρουργική. Στις εκτυπωτικές διαδικασίες υψηλής ταχύτητας (π.χ. εκτυπωτές Η/Υ (Laser printers), στη συµβολοµετρική µετρολογία (π.χ. υπολογισµοί µικροµετατοπίσεων, περιστροφών, παραµορφώσεων κ.λ.π.) στην ταχυτητοµετρία (για τη µέτρηση της ροής των ρευστών, την απαρίθµηση σωµατιδίων, τη µέτρηση λεπτών υ- µενίων κ.λ.π.). Για βιοµηχανικές χρήσεις, όπως: ευθυγραµµίσεις εκκεντρότητας εργαλιοµηχανών, αξόνων τουρµπινών, την ελεγχόµενη κοπή µετάλλων (Lasers CO 2 ). Επίσης το φαινόµενο της απορρόφησης των δεσµών Lasers χρησιµοποιείται σε πολλές περιπτώσεις προσδιορισµού των επιπέδων της ατµοσφαιρικής ρύπανσης και η διάθλασή τους σε υπολογισµούς δ.δ., οµογένειας, ποσοστού περιεκτικότητας διαφόρων συστατικών σε µίγµατα καθώς και του ιξώδους διαφόρων παχύρευστων υλικών. Μεγάλη είναι η συνεισφορά του φωτός των Lasers για την ανάπτυξη της ολογραφίας(holography) (δηλ. της εγγραφής σε διάφορα µέσα και κατόπιν αναπαραγωγής, µετώπων κύµατος τρισδιάστατη απεικόνιση) καθώς και των εφαρµογών της, όπως είναι η ολογραφική συµβολοµετρία. Καθοριστική τέλος είναι η χρήση των Lasers και ειδικότερα, των διοδικών στην οπτοηλεκτρονική τεχνολογία και πιο συγκεκριµένα στις τηλεπικοινωνίες µέσω των οπτικών ινών (Fibers), στις µηχανές ανάγνωσης κωδικών των προϊόντων κλπ. Η ανάλυση των ακτινοβολιών παραπέµπει κατ ευθείαν στον κλάδο της φασµατοσκοπίας (spectroscopy). Με τον όρο ανάλυση εννοούµε τον διαχωρισµό µιας

7 - iii - σύνθετης ακτινοβολίας στις συνιστώσες της διαφορετικού µ.κ. η καθεµία. Η χωρική παράθεση των επί µέρους συνιστωσών σε συνάρτηση µε την ισχύ και το µ.κ. αποτελεί το λεγόµενο φάσµα (spectrum) της απ όπου προέρχεται και η ονοµασία του ερευνητικού αντικειµένου της φασµατοσκοπίας. Ανάλογα µε την αναλυόµενη Η/Μ περιοχή έχουµε και τις φασµατοσκοπίες του ορατού, του υπεριώδους του υπέρυθρου κ.λ.π. Η διαδικασία αυτή συντελείται µε τη βοήθεια ειδικών οργάνων των φασµατοµέτρων (spectrometers) των οποίων η λειτουργία στηρίζεται σε ειδικά ο- πτικά εξαρτήµατα κυρίως πρίσµατα και φράγµατα, τα οποία προκαλούν την ανάλυση των συνθέτων ακτινοβολιών λόγω των φαινοµένων του διασκεδασµού (dispersion) και της περίθλασης (diffraction) αντίστοιχα. Η φασµατοσκοπία αποτελεί βασικό εργαλείο για πολλούς κλάδους της σύγχρονης επιστήµης όπως είναι: Η Α- στρονοµία (π.χ. τα φάσµατα των διαφόρων αστέρων µας δίνουν πληροφορίες για τη στοιχειοµετρική σύσταση των επιφανειών τους ή των ατµοσφαιρών τους. Η Χη- µεία (π.χ. από τα φάσµατα απορρόφησης ενός διαλύµατος µπορούµε να υπολογίσουµε την περιεκτικότητα µιας ουσίας σ αυτό). Η Φυσική Στερεάς Κατάστασης (π.χ. µε βάση την ισχύ των φασµατικών γραµµών διαφορετικών συχνοτήτων σκέδασης µιας ακτινοβολίας µπορεί να προσδιοριστεί η εσωτερική δοµή ενός υλικού) ή άλλες παράµετρες. Η Χρωµατοµετρία (colorimetry) (π.χ. µε τη βοήθεια του φάσµατος εκποµπής µιας πηγής, µπορούµε να προσδιορίσουµε τη «χρωµατικότητά της». Η µέτρηση της ισχύως των Η/Μ ακτινοβολιών προϋποθέτει την ανίχνευσή τους. Η λήψη ενός ραδιοφωνικού σήµατος ή ενός σήµατος τηλεόρασης µπορεί να γίνει µέσω µιας κατάλληλης κεραίας. Ένας συνήθης ανιχνευτής ακτίνων γ είναι ο σπινθηριστής ενώ των ακτίνων Χ ένα φωτογραφικό film. Με τον τρόπο ανίχνευσης και µέτρησης των ακτινοβολιών για τις οποίες ενδιαφερόµαστε εδώ περισσότερο (ορατές, υπεριώδεις, υπέρυθρες) ασχολείται η Ραδιοµετρία (Radiometry). Τα αντίστοιχα όργανα Ραδιόµετρα (Radiometers) (οι αισθητήρες τους) στηρίζουν τη λειτουργία τους σε φυσικές αρχές που σχετίζονται µε τις διαδικασίες που προκύπτουν από την αλληλεπίδραση ακτινοβολιών και ύλης. Έτσι µιλούµε για θερµικούς ανιχνευτές (µετατροπή της ακτινοβόλου ροής σε θερµότητα), ανιχνευτές φωτοεκποµπής που στηρίζονται στο φωτοηλεκτρικό φαινόµενο (εκποµπή ηλεκτρονίων από υλικά µετά από απορρόφηση ακτινοβολίας), φωτοβολταϊκούς ηµιαγωγικούς ανιχνευτές (φωτοδίοδες), για τους οποίους το αποτέλεσµα της πρόσπτωσης φωτός είναι η παραγωγή φωτορεύµατος κ.λ.π. Η χρήση των ανιχνευτών στις µέρες µας είναι ευρεία λόγω της στενής τους σχέσης µε τον τοµέα των οπτοηλεκτρονικών καθώς και µε πολλούς άλλους κλάδους της οπτικής και της φασµατοσκοπίας όπου τους συναντούµε σαν όργανα µέτρησης ακτινοβολιών. Ένα κατ εξοχήν µοντέρνο σύστηµα ανίχνευσης απεικόνισης αποτελεί η λεγόµενη CCD-Camera για την οποία θα γίνει λόγος στο κεφάλαιο

8 - iv - των ανιχνευτών. Σύντοµη αναφορά επίσης θα γίνει και για τον κλάδο ανίχνευσης του ορατού φωτός µε την επωνυµία φωτοµετρία(photometry). Εκεί λαµβάνεται υπ όψιν ο υποκειµενικός χαρακτήρας της αντίληψης του ανθρώπου όσο αφορά το φως, µε βάση την καµπύλη απόκρισης του µατιού ενός µέσου παρατηρητή για τις διάφορες περιοχές του ορατού φάσµατος. Η φωτοµετρία αποτελεί βάση ανάπτυξης του κλάδου της χρωµατοµετρίας, τοµέα ο οποίος ασχολείται µε τον προσδιορισµό και τη µέτρηση των χρωµάτων. Από πειραµατική άποψη αρχικά θα ασχοληθούµε µε τη λήψη µέσω φασµατόµετρου των φασµάτων εκποµπής (Σχετικών Φασµατικών Κατανοµών Ισχύως) διαφόρων πηγών όπως: φασµατικών λυχνιών (γραµµικά φάσµατα) λαµπτήρων πυράκτωσης (συνεχή φάσµατα) καθώς και πηγών Laser He-Ne και διοδικών Lasers. Με ένα σύγχρονο φασµατοφωτόµετρο UV VIS το οποίο διαθέτει σαν ανιχνευτή CCD camera θα προσδιορίσουµε τα φάσµατα διαπερατότητας διαφόρων υλικών (στερεών και υγρών) και θα λάβουµε τη χρονική αλληλουχία φασµάτων ενός υλικού το οποίο µεταβάλλει χρονικά τη διαπερατότητά του. Κατόπιν το ενδιαφέρον µας θα εστιαστεί στον πειραµατικό προσδιορισµό µέσω φασµατοσκοπίου των κα- µπυλών διασκεδασµού δηλ. τον καθορισµό των δ.δ. διαφόρων διαφανών υλικών συναρτήσει του µ.κ. και κατ ακολουθία τον υπολογισµό των συχνοτήτων όπου τα υλικά αυτά παρουσιάζουν απορρόφηση. Με τη βοήθεια επίσης ειδικού συµβολοµέτρου Fabry Perot θα προσδιορίσουµε τους επιµήκεις τρόπους δόνησης της κοιλότητας συντονισµού ενός Laser He-Ne. Τέλος θα συνθέσουµε ένα κύκλωµα πόλωσης και ενίσχυσης µιας φωτοδιόδου Si(Πυριτίου) και θα βαθµονοµήσουµε την α- πόκριση της µε τη βοήθεια απόλυτου ανιχνευτή.

9 - 1 - Ανάδειξη φαινοµένων που σχετίζονται µε την παραγωγή την ανάλυση και την ανίχνευση του φωτός Παραγωγή του φωτός εν χρειάζεται να επιχειρήσουµε να πείσουµε τους αναγνώστες για τη ση- µασία του φωτός και κατά προέκταση των πηγών που το παράγουν. Ούτε είναι δυνατόν µέσα σε λίγες σελίδες να περιγράψουµε πως αυτό αποτέλεσε έναν από τους βασικότερους παράγοντες εξέλιξης της ζωής και κατ ακολουθία όλου του πολιτισµού. Απλά θα κάνουµε µια πολύ σύντοµη ιστορική αναδροµή όσον αφορά την α- νάπτυξη των διαφόρου τύπου πηγών. Η πρώτη από τις πηγές φωτός που µας έρχεται στο νου είναι ο ήλιος. Σχεδόν όλοι γνωρίζουν «τον κύκλο της χλωροφύλλης» (Εικ. 1) των φυτών και το ρόλο που παίζει γι αυτόν το ηλιακό φως. Πάρα πολλοί επίσης γνωρίζουν ότι η κίνηση των ρευµάτων στους ωκεανούς οφείλεται στην απορρόφηση θερµότητας από τον ήλιο. Αρκετοί επίσης από εµάς ξέρουν ότι τα µάτια µας έ- χουν τη µέγιστη ευαισθησία τους στην πρασινο-κίτρινη περιοχή του ηλιακού φάσµατος (λ 555nm), εκεί όπου εντοπίζεται το µέγιστο της ακτινοβολούµενης ισχύς του. Όλοι τέλος γνωρίζουν ότι η Σελήνη δεν θα µας φώτιζε τη νύχτα αν προηγου- µένως δεν φωτιζόταν η ίδια από τον ήλιο. Μπορούµε λοιπόν να ισχυριστούµε ότι στο παρελθόν οι άνθρωποι έβλεπαν τον ήλιο (αν εξαιρέσουµε τη σελήνη και τα ά- στρα) σαν µοναδική πηγή φωτός και κατά προέκταση πηγή ζωής. Και ναι µεν ο η- (Εικ. 1α) «Ο θεός ήλιος» χρυσή µάσκα των Ίνκας του Ισηµερινού.

10 - 2 - λεκτρικός λαµπτήρας του Edison που εφευρέθηκε το 1879 δεν θεοποιήθηκε, ο ή- λιος όµως (Εικ. 1.α) αναγκάσθηκε από πολλού λαούς να φορέσει το «στέµµα» του. Έχουµε υπόψη µας βέβαια ότι ο ίδιος ο ήλιος δεν εκπέµπει µόνο φως (δηλ. στην ορατή περιοχή του Η/Μ φάσµατος) αλλά και στην υπεριώδη και την υπέρυθρη. εν υπολείπεται επίσης εκποµπών στις περιοχές των ακτίνων- Χ, των ραδιοκυµάτων κ.λ.π. Θα ήταν παράλειψη όµως να περιορίσουµε τα προνόµια εκποµπής φωτός µόνο στον ήλιο αγνοώντας την προσφορά των αστραπών και των κεραυνών (Εικ. 1β). Πρόκειται κατά τα γνωστά για τεράστιας κλίµακας ηλεκτρικές εκκενώσεις µεταξύ νεφών ή νεφών και εδάφους, που συνοδεύονται αν και στιγµιαία από έντονα φωτιστικά φαινόµενα. Η πληροφορία ότι η φωτιά (άλλη µια αρχέγονη αλλά τεχνητή κατόπιν πηγή φωτός), προκαλούνταν συνήθως στα σηµεία που έπεφτε ο κεραυνός, ανάγεται στο µακρινό παρελθόν. Η περιοχή κατόπιν που βρισκόταν η εστία (Σχ. 2α), όπου έκαιγε ελεγχόµενα η φωτιά, αποτέλεσε το χώρο της ασφαλούς δια- (Σχ. 2) µονής, της επεξεργασίας εργαλείων και της παρασκευής τροφής για τους ανθρώπους. Επόµενες εποχές αναδεικνύουν το δαυλό (Σχ. 2β) και ιδίως το λυχνάρι (Σχ. 2γ) σαν πηγές φωτισµού µε µια σχετική διάρκεια και ευκολία στη χρήση και τη µεταφορά. Συντηρούνταν από την καύση υλικών όπως το δαδί (ρητινούχο ξύλο από πεύκο) και λάδι αντίστοιχα. Η τροφοδοσία τους δεν ήταν συνεχής όπως συνέβαινε µε τη φωτιά και εµφάνιζαν µια σχετική σταθερότητα στη φωτιστικότητά τους. Οι πηγές καύσης χηµικών πρώτων υλών που εµφανίζονται αµέσως µετά, είχαν τη δυνατότητα παροχής, σταθερής φωτιστικής ισχύως: Το κερί (Σχ. 3α), που η φλόγα του συντηρούνταν µε την καύση κεριού µέλισσας ή παραφίνης µέσω νήµατος στο εσωτερικό του κορµού του. Ήταν αυτό που αποτέλεσε την πρώτη πρότυπη πηγή φωτισµού της φωτοµετρίας. Ο λύχνος ασετυλίνης (Σχ. 3β) που λειτουργούσε µε την καύση αερίου ακετυλενίου. Το αέριο προερχόταν από τη χηµική αντίδραση

11 - 3 - (Σχ. 3) στερεού ακετυλενίου κατά την ανάµιξή του µε νερό. Η λάµπα πετρελαίου (Σχ. 3γ) που η φλόγα της συντηρούνταν από την καύση του άκρου χονδρού νήµατος, εµβαπτισµένου σε καθαρό πετρέλαιο. Η φλόγα προστατεύονταν από διαφανή γυάλινο γλόµπο. Η ισχύς φωτισµού ρυθµιζόταν από το µήκος του νήµατος που ήταν ελεύθερο να καίγεται. Περισσότερο τελειοποιηµένες πηγές φωτός ήταν η λυχνία υγραερίου (Σχ. 4α) που λειτουργούσε µε τη καύση µίγµατος Βουτανίου Προπανίου και (1) ρύθµιση αέρα (2) είσοδος αέρα (3) ρύθµιση ροής υγραερίου (1) µπέκ (2) εξαερωτήρας (3) γυάλινο περίβληµα (4) είσοδος υγραερίου (5) φωτοβολόν πλέγµα (6) γυάλινο περίβληµα (4) φωτοβολόν πλέγµα (5) ρυθµιστής ροής εξαερωµένου πετρελαίου (6) συµπιεστής (7) πετρέλαιο (Σχ. 4) η µεγάλη της φωτιστική απόδοση οφειλόταν στην ερυθροπύρωση εδικών νηµατικών πλεγµάτων, εµποτισµένων σε οξείδια µετάλλων σπανίων γαιών (Θορίου η- µητρίου).υπήρχαν ειδικά συστήµατα ρύθµισης του καύσιµου µίγµατος αέρα υ- γραερίου. Με τον ίδιο περίπου τρόπο λειτουργούσε και η νέου τύπου λυχνία πετρελαίου (Σχ. 4β) όπου το καύσιµο υλικό ήταν εξαερωµένο πετρέλαιο σε µεγάλη πίε-

12 - 4 - ση, το οποίο καιγόταν στο εσωτερικό του νηµατικού πλέγµατος, αυξάνοντας κατά πολύ τη θερµοκρασία του. Η αύξηση της θερµοκρασίας καύσης των δύο προηγού- µενων πηγών, οδήγησε στην εκποµπή φωτός µε µεγαλύτερη «λευκότητα» λόγω της µετατόπισης της ισχύως του φάσµατος εκποµπής προς τις µπλε- πράσινες περιοχές του. Οι σύγχρονες πηγές φωτός εµφανίζονται µετά την ανακάλυψη του ηλεκτρισµού. Οι λαµπτήρες πυράκτωσης (Σχ. 5α) εφεύρεση του τέλους του 19 ου αιώνα, σε µια µεγάλη ποικιλία µορφών και ισχύων φώτιζαν και φωτίζουν ακόµα και σήµερα. Η λειτουργία τους στηρίζεται στη διέλευση του ηλεκτρικού ρεύµατος από ένα λεπτό δύστηκτο µέταλλο (Βολφράµιο). Στην αντίσταση του νήµατος καταναλώνεται ενέργεια µε συνέπεια την ερυθροπύρωση και τη φωτοβολία του. Όλο το σύστη- µα περιβάλλεται από γυάλινο γλόµπο, που περιέχει αδρανές αέριο. Μια άλλη κατηγορία πηγών φωτός ευρείας χρήσης είναι οι λαµπτήρες φθορισµού (Σχ. 5β). Αποτελούνται από γυάλινους σωλήνες που περιέχουν αδρανή αέρια και λίγο υδράργυρο (Hg). Τα εσωτερικά τους τοιχώµατα είναι επικαλυµµένα µε φθορίζουσες ουσίες. (Σχ. 5) Με υψηλή τάση στα άκρα του επέρχεται ιονισµός των ατόµων του εξαχνωµένου Hg τα οποία εκπέµπουν στην υπεριώδη περιοχή. Οι ακτινοβολίες αυτές διεγείρουν τις φθορίζουσες ουσίες των τοιχωµάτων, οι οποίες εκπέµπουν δευτερογενώς στην ορατή περιοχή. Η µεγάλη τους φωτιστική απόδοση και η µικρή τους κατανάλωση σε ισχύ, επέτρεψε το φωτισµό εκτεταµένων χώρων. Η µεγαλύτερη όµως των ανακαλύψεων όσον αφορά την παραγωγή φωτός µιας «άλλης ποιότητας» σχετίζεται µε τις πηγές Laser (Σχ. 5γ). Ιδιότητες όπως η µονοχρωµατικότητα, η κατευθυντικότη-

13 - 5 - τα, η λαµπρότητα και η συµφωνία, διαφοροποίησαν τις πηγές αυτές από τις µέχρι πριν χρησιµοποιούµενες και έδωσαν όπως ήδη αναφέραµε στην εισαγωγή τη δυνατότητα ενός µεγάλου πλήθους εφαρµογών. Ανάλυση του φωτός Σίγουρα είναι εντυπωσιακό το θέαµα του συνόλου των χρωµάτων που αναδύονται όταν κοιτάζουµε έναν πολυέλαιο. Η εµπειρία είναι κοινή σε όλους σχεδόν και οδηγεί µε βεβαιότητα στο συµπέρασµα ότι το φως του ηλίου ή των άλλων πηγών που πέφτει επάνω του αποτελείται από τη σύνθεση πολλών «χρωµάτων». Η ανάλυση δηλ. ενός τέτοιου φωτός αναδεικνύει τις συνιστώσες του, που µε τη βοήθεια του µατιού µας µεταφράζεται σ αυτά που ονοµάζονται χρώµατα της ίριδας (colours of the rainbow): κόκκινο, πορτοκαλί, κίτρινο, πράσινο, µπλε και ιώδες. Σηµείωση Τα χρώµατα της ίριδας στην πραγµατικότητα αποτελούνται από ζώνες µε µεγάλο αριθµό µήκων κύµατος η καθεµία δηλ. από µεγάλο αριθµό «χρωµάτων» ί- διας χρωµατικότητας. Στον επόµενο πίνακα δίνονται αυτά τα όρια σε µ.κ. και συ- Χρώµα ΟΡΑΤΟ ΦΩΣ Μήκος κύµατος στο κενό (nm) Συχνότητα (ΤHz) Κόκκινο Πορτοκαλί Κίτρινο Πράσινο Μπλε Ιώδες nm=10-9 m 1 ΤHz=10 12 Hz (Πιν. 6) χνότητες.τέτοιου είδους φαινόµενα είναι δυνατόν επίσης να παρατηρηθούν στιγ- µιαία σ ένα σχετικά ρηχό πυθµένα ενός δοχείου (ή της θάλασσας) όταν ο κυµατισµός στην επιφάνειά του είναι σχετικά αργός. Το γεγονός δηλ. της ανάλυσης, συν-

14 - 6 - δέεται άµεσα µε την πρόσπτωση του φωτός σε πρισµατικές ή σχεδόν πρισµατικές επιφάνειες τις οποίες σχηµατίζουν διαφανή υλικά (π.χ. το γυαλί και το νερό στα παραδείγµατά µας). Το φαινόµενο είναι γνωστό στην Οπτική µε την Ονοµασία διασκεδασµός του φωτός (ή διασπορά)(dispersion). Με τη µελέτη του ασχολήθηκε συστηµατικά από τον 17 ο αιώνα ακόµη ο Newton, στα κλασικά του πειράµατα της ανάλυσης και της ανασύνθεσης του λευκού φωτός µέσω πρισµάτων. Όπως βλέπουµε από την πειραµατική του διάταξη του (Σχ. 7) µια παράλληλη δέσµη λευκού φωτός πέφτει (από τα δεξιά προς τα αριστερά) µε κλίση σε ένα πρίσµα και µας δίνει µια αποκλίνουσα δέσµη αναλελυµένων ακτίνων. Ένας φακός κατόπιν συγκλίνει τις (Σχ. 7) ακτίνες προς ένα δεύτερο πρίσµα το οποίο τις ανασυνθέτει σε µια παράλληλη δέσµη λευκού φωτός. Η πρόσπτωση αυτής της δέσµης σ ένα τρίτο πρίσµα επαναλαµβάνει το φαινόµενο της ανάλυσης. Στην ανάλυση (και την ολική ανάκλαση) του φωτός οφείλεται και η δη- µιουργία του θεαµατικού φαινοµένου του ουρανίου τόξου(rainbow) (Σχ.8). Για έ- ναν παρατηρητή που έχει πίσω του τον Ήλιο και µπροστά του εκτείνεται µια περιοχή µε ευρύ ορίζοντα, και στην οποία µόλις έχει βρέξει, εµφανίζονται δύο σαφώς διαχωρισµένα ηµικυκλικά σχεδόν τόξα, που τα άκρα τους αγγίζουν τον ορίζοντα. Τα τόξα αποτελούνται από διαδοχικές ζώνες µε τα χρώµατα της ίριδας και µε σαφή ακολουθία. Το φαινόµενο της ανάπτυξης πρωτεύοντος και δευτερεύοντος ουρανίου τόξου οφείλεται στην ανάλυση και την ολική ανάκλαση(βλ. Γεωµετρική Οπτική 5.1) των ακτινών του ηλιακού φωτός µέσω των σταγόνων της βροχής που υπάρχουν στον ενδιάµεσο χώρο µεταξύ παρατηρητή και φαινοµένης θέσης των τόξων. I.Newton: Optiks

15 - 7 - (Σχ. 8) Στο πρωτεύον (ή εσωτερικό) τόξο, η ακτίνα του λευκού φωτός (Σχ. 9.α) ανακλάται µόνο µια φορά καθώς διατρέχει τη σταγόνα του νερού αναλυόµενη στο εσωτερικό της. Το δευτερεύον (ή εξωτερικό τόξο) αναπτύσσεται εξωτερικά του πρωτεύοντος. (Σχ. 9) Οφείλεται στο γεγονός ότι η προσπίπτουσα ακτίνα λευκού φωτός (Σχ. 9β) ανακλάται ολικά δύο φορές αναλυόµενη κατά την πορεία της στο εσωτερικό της σταγόνας. Το σύνολο της συνεισφοράς όλων των εντάσεων κατά την έξοδό τους από τις σταγόνες, τµήµα της οποίας µπαίνει στο µάτι µας, δηµιουργεί την εντύπωση δύο τόξων στη φαινοµένη θέση τους. Μιλούµε για φαινοµένη θέση σχηµατισµού των τόξων επειδή στην πραγµατικότητα σχηµατίζονται µόνο στον αµφιβληστροειδή του µατιού µας. Επειδή όµως το µάτι βλέπει τα είδωλα να εντοπίζονται σε θέσεις µε κα-

16 - 8 - τεύθυνση αντίθετη των εισερχοµένων ακτίνων, αυτός είναι ο λόγος «σχηµατισµού» (προβολής) των τόξων σε φαινοµένη θέση απέναντι από τον παρατηρητή. Το φασµατοσκόπιο Προσπαθούµε εδώ στοιχειωδώς να περιγράψουµε τις γενικές αρχές λειτουργίας ενός οργάνου που χρησιµοποιείται για την ανάλυση του φωτός. Το όργανο ο- νοµάζεται Φασµατοσκόπιο(spectroscope) (δηλ. όργανο παρατήρησης φασµάτων) και η γνώση της λειτουργίας του είναι απαραίτητη επειδή πριν το µελετήσουµε συστηµατικά θ αναφερθούµε σ αυτό αρκετές φορές. Σαν αναλυτικό στοιχείο χρησι- µοποιείται συνήθως ένα τριγωνικό πρίσµα (4) (Σχ. 10) στο οποίο πέφτει µια παράλληλη δέσµη του προς ανάλυση φωτός. Το πρίσµα έχει τη δυνατότητα ν αναλύσει (Σχ. 10) αυτή τη δέσµη στις συνιστώσες της (φαινόµενο διασκεδασµού). Το παράλληλο µέτωπο κύµατος που πέφτει στο πρίσµα δηµιουργείται από ένα συγκλίνοντα αχρωµατικό φακό (3). Μια λεπτή σχισµή (2) η οποία φωτίζεται από την προς ανάλυση α- κτινοβολία της πηγής (1), βρίσκεται στο µπρός εστιακό του επίπεδο.το σύστηµα σχισµής φακού ονοµάζεται κατευθυντήρας. Η παράθεση των διαφόρων συνιστώσων του φωτός (δηλ. η κατανοµή της έντασής τους συναρτήσει του µ.κ.) µετά την ανάλυσή τους από το πρίσµα ονοµάζεται φάσµα(spectrum). Το φάσµα µπορεί να σχηµατιστεί πάνω σ ένα πέτασµα µε τη βοήθεια ενός συγκλίνοντος φακού ή να το παρατηρήσουµε µε το µάτι µας (προσαρµοσµένο στο άπειρο) παρεµβάλλοντας το µετά το πρίσµα. Στα φασµατοσκόπια, η παρατήρηση γίνεται µέσω ενός τηλεσκοπίου (βλ. Γεωµετρική Οπτική 10.5) όπου ο αντικειµενικός του φακός (5) συγκεντρώνει τα διαδοχικά επίπεδα µέτωπα κύµατος των διαφόρων συνιστώσων και τ απεικονίζει µε τη µορφή λεπτών γραµµών στο πίσω του εστιακό επίπεδο (6). Αν το φάσµα αποτελείται από λίγες συνιστώσες τότε θα είναι διακριτό. Αν ο αριθµός τους είναι πάρα πολύ µεγάλος τότε θα είναι συνεχές ή ταινιωτό. Λόγω όµως της σµικρότητας του φάσµατος σ αυτή την περιοχή, χρειάζεται να το µεγεθύνουµε για να είναι ευκολότερη παρατήρηση του. Αυτό πετυχαίνεται µε

17 - 9 - τη βοήθεια του προσοφθαλµίου (7) του τηλεσκοπίου, ο οποίος παίζει το ρόλο µεγεθυντή φακού. Αν τώρα π.χ. στη είσοδο του οργάνου τοποθετήσουµε µια πηγή λευκού φωτός, τότε µέσω του προσοφθαλµίου θα δούµε ένα συνεχές φάσµα που περιλαµβάνει όλα τα χρώµατα της ίριδας. Αν όµως µεταξύ πηγής και σχισµής παρεµβάλλουµε µια κόκκινη ζελατίνη, τότε το φάσµα θα αποτελείται µόνο από µια ευρεία ταινία πορτοκαλί και κυρίως κόκκινου χρώµατος. Στην περίπτωση που η πηγή εκπέµπει αυτό που λέµε µονοχρωµατική ακτινοβολία, τότε µέσω του οργάνου το φάσµα της θα αποτελείται από µια πολύ στενή γραµµή όπως π.χ. συµβαίνει µε το κίτρινο φως µιας φασµατικής λυχνίας Νατρίου. Ανάλυση του φωτός µπορούµε να πετύχουµε στοιχειωδώς κρατώντας µόνο ένα τριγωνικό πρίσµα πολύ κοντά στο µάτι µας µε την ακµή του παράλληλη µε τη γραµµή των µατιών. Αν η πηγή βρίσκεται σχετικά µακριά, δίνοντας κατάλληλες κλίσεις στο πρίσµα µπορούµε να δούµε διαµέσου του το φάσµα που δίνει η πηγή. Ανίχνευση του φωτός Στη φύση είναι γνωστή η αλληλεπίδραση µεταξύ των Η/Μ ακτινοβολιών και της ύλης. Κατά κάποιο τρόπο η ίδια διαδικασία αποτελεί και την αιτία της ανίχνευσής τους. Το γεγονός συνίσταται στην ανάδειξη δευτερευόντων φαινοµένων που οφείλονται στην απορρόφησή τους. Π.χ. η αίσθηση ζέστης στην παλάµη του χεριού µας, όταν αυτή πλησιάζει ένα αντικείµενο που βρίσκεται σε µια σχετικά υψηλή θερµοκρασία, είναι το αποτέλεσµα της δράσης των εκπεµπόµενων από αυτό υπερύθρων και µη ακτινοβολιών, οι οποίες κατά την απορρόφησή τους από την επιδερµίδα του χεριού µετατρέπονται σε θερµότητα. Συνήθεις κατηγορίες ανιχνευτών είναι οι θερµικοί (thermal detectors), οι φωτοαγώγιµοι (φωτοαντιστάσεις) (photoconductive detectors), και οι φωτοβολταϊκοί (φωτοδίοδοι )(photovoltaic detectors). Για την ανίχνευση του ορατού φωτός από τα έµβια όντα, χρησιµοποιούνται εξειδικευµένοι µηχανισµοί που έχουν σχέση µε τις επί µέρους διαδικασίες του εκάστοτε είδους όρασης. Π.χ. η µικροσκοπική Copilla της (Εικ.11α) που φαίνεται σε µεγέθυνση , είναι ίσως ο µικρότερος οργανισµός (πρωτόζωο) που διαθέτει σύστηµα ανίχνευσης του φωτός. ιακρίνονται στο πάνω µέρος του σώµατος της δύο φακοί οι οποίοι εστιάζουν το φως σ ένα ζεύγος κινούµενων αριστερά δεξιά µικρότερων ανιχνευτών φακών στο εσωτερικό της. Μέσω ενός είδους οπτικού νεύρου που συνδέεται µ αυτούς, τα οπτικά σήµατα που µετατρέπονται σε νευρικά, διαβιβάζονται στον εγκέφαλό της (σκοτεινή κηλίδα στο κέντρο του σώµατος της), για την τελική σύνθεση της πληροφορίας. Στην (Εικ. 11β) φαίνεται το σύνθετο (ψηφιδωτής µορφής) µάτι µιας αρσενικής αλογόµυγας σε µεγέθυνση περίπου 150 φορές.

18 (Εικ. 11)

19 Περιέχει σε πανοραµική διάταξη γύρω στους 7000 µικροσκοπικούς φακούς, που καταλαµβάνουν ο καθένας το πάνω µέρος τριχοειδών σωλήνων που στο εσωτερικό τους υπάρχουν φωτοευαίσθητα κύτταρα. Η συγκλίνουσα αυτή δέσµη των σωλήνων προς το εσωτερικό του µατιού συνδέεται µέσω νευρώνων µε τον εγκέφαλο του ε- ντόµου εκεί όπου γίνεται η σύνθεση του «ειδώλου». Χαρακτριστικό γνώρισµα αυτού του είδους «όρασης» είναι η υπερευαισθησία του όσον αφορά την αντίληψη της κίνησης. Στην (Εικ. 12) φαίνεται µια τοµή του βολβού ενός ανθρώπινου µατιού µε το (Εικ. 12) σύστηµα απεικόνισης µέσω του κερατοειδούς χιτώνα, της ίριδας, του κρυσταλλώδους φακού και του φωτοευαίσθητου αµφιβληστροειδούς χιτώνα. Από τον τελευταίο αναχωρούν οι νευρώνες του οπτικού νεύρου που προωθούν τις νευρικές διεγέρσεις στις οποίες έχει µετατραπεί το οπτικό σήµα. Στο αµέσως επόµενο (Σχ. 13) βλέπουµε τις διόδους µεταφοράς των πληροφοριών µέσω των νεύρων: του οπτικού χιάσµατος, των πλαγίων γονατωδών σωµάτων µέχρις τον οπτικό φλοιό, περιοχή όπου πραγµατοποιείται η αντίληψη της όρασης(βλ. Γεωµετρική Οπτική 10.1). Το µεγαλύτερο ενδιαφέρον (για µας τουλάχιστον) έχει το ανθρώπινο µάτι που σαν ανιχνευτής διαθέτει ιδιάζουσες ιδιότητες. Ανιχνεύει επίπεδα έντασης του φωτός µεταξύ και ευαισθητοποιείται ακόµη και από λίγα φωτόνια. Το µέγιστο της ευαισθησίας του µατιού εντοπίζεται στην κιτρινο- πράσινη περιοχή του ορατού φάσµατος (λ 555nm). Το γεγονός αυτό ( που η προέλευσή

20 (Σχ. 13) του είναι καθαρά εξελικτική), οφείλεται στο ότι το µέγιστο της κατανοµής της κα- µπύλης του µέλανος σώµατος θερµοκρασίας Τ 5800 ο Κ (Σχ ) που χαρακτηρίζει τη θερµοκρασία της επιφάνειας του ηλίου σαν πηγής του ορατού φωτός αντιστοιχεί στο προαναφερόµενο µ.κ. Με τη βοήθεια επίσης των φωτοευαίσθητων κυττάρων (κωνίων) του αµφιβληστροειδή, το µάτι έχει τη δυνατότητα της πολυχρωµατικής όρασης.

21 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΤΟΥ ΦΩΤΟΣ 1. Πηγές φωτός και τα φάσµατά τους 1.1 Τα άτοµα και το φως Οι ακτινοβολίες της ορατής περιοχής του Η/Μ φάσµατος (λ m) καθώς και αυτές τις υπεριώδους (λ m) έχουν σαν γεννησιουργό αιτία συνήθως τη δράση των δεσµίων αρνητικού φορτίου ηλεκτρονίων που περιφέρονται γύρω από τους θετικού φορτίου πυρήνες των ατόµων των διαφόρων στοιχείων. Ειδικότερα για τις περιοχές του φάσµατος που προαναφέραµε και που κυρίως µας ενδιαφέρει εδώ, είναι τα εξωτερικά ή όπως διαφορετικά ονοµάζονται ηλεκτρόνια σθένους. Κάθε ηλεκτρόνιο κατά την περιφορά του σχηµατίζει µια «νοητή» περιοχή στο χώρο (το λεγόµενο ηλεκτρονικό νέφος) συγκεκριµένης µορφής, που περιβάλλει τον πυρήνα. Είναι ο χώρος µέσα στον οποίο το ηλεκτρόνιο έ- χει πιθανότητα να εντοπιστεί κατά 90% περίπου ή διαφορετικά διαθέτει 90% του χρόνου του κινούµενου µέσα σ αυτόν. Οι χώροι αυτοί των πιθανοτήτων είναι τα γνωστά τροχιακά της Ατοµικής Φυσικής που το καθένα αντιστοιχεί σε µια συγκεκριµένη ενεργειακή κατάσταση του ηλεκτρονίου χαρακτηριζόµενη από τέσσερις κβαντικούς αριθµούς. Το τι ακριβώς συµβαίνει στο εσωτερικό του ατόµου κατά τη διάρκεια που αυτό εκπέµπει ακτινοβολία (φωτόνια) δεν είναι γνωστό. Κατά κάποιο τρόπο το φως θα εκπέµπεται (τουλάχιστον για τις φασµατικές περιοχές που προαναφέραµε) κατά τη διάρκεια της επαναδιευθέτησης της κατανοµής των ηλεκτρονικών νεφών των εξωτερικών στοιβάδων. Έστω αρχικά ότι όλα τα ηλεκτρόνια ενός ατόµου βρίσκονται σε ευσταθείς καταστάσεις που καθορίζονται από τους κβαντικούς τους αριθ- µούς. Τότε το άτοµο λέµε ότι κατέχει τη βασική κατάσταση (ground state). Εκεί θα παραµείνει εφόσον δεν διαταραχθεί από µια εξωτερική αιτία. Από τη στιγµή όµως που κατά οποιοδήποτε τρόπο προσφερθεί στο άτοµο ενέργεια, θα εγκαταλείψει τη βασική του κατάσταση και θα διεγερθεί, δηλ. θα µεταβληθούν οι ενεργειακές καταστάσεις ορισµένων ηλεκτρονίων. Συνήθεις µηχανισµοί διέγερσης των ατό- µων είναι: οι συγκρούσεις µεταξύ τους και η πρόσπτωση ηλεκτρονίων στις εξωτερικές τους στοιβάδες. Επειδή όµως (σύµφωνα µε την κβαντοµηχανική) οι ενέργειες που κατέχουν τα ηλεκτρόνια στα άτοµα είναι διακριτές (κβαντισµένες) στις νέες στάθµες τους θα συµβαίνει ακριβώς το ίδιο. ηλ. θα βρίσκονται σε συγκεκριµένες αν και διαφορετικές ενεργειακές καταστάσεις. Η ενέργεια που χρειάστηκε στο καθένα γι αυτή τη µετάβαση, αντιστοιχεί ουσιαστικά τώρα στην ενεργειακή διαφορά

22 των δύο σταθµών. Στο (Σχ ) φαίνεται το ενεργειακό διάγραµµα ενός ατόµου, που από τη βασική του στάθµη Ε 0 έχει τη δυνατότητα να διεγερθεί στις στάθµες µε ενέργεια Ε 3 ή Ε 2 ή Ε 1. Τα άτοµα παραµένουν στην βασική τους κατάσταση συνή- (Σχ ) θως σε χαµηλές θερµοκρασίες. Σε υψηλότερες όµως θερµοκρασίες αρχίζουν προοδευτικά να διεγείρονται. Παραδείγµατα ήπιας µορφής διεγέρσεων ατόµων έχουµε π.χ. στις λυχνίες εκκένωσης αερίων ή ατµών στερεών και υγρών. Εκεί η διέγερση προκαλείται από την εφαρµογή υψηλής τάσης στα άκρα ηλεκτροδίων στο εσωτερικό των λυχνίων. Επίσης στη φλόγα ενός κεριού ή κατά την πρόκληση ενός ηλεκτρικού σπινθήρα. Τα άτοµα σε διεγερµένη κατάσταση δεν είναι ευσταθή και παραµένουν έτσι για πολύ σύντοµο χρονικό διάστηµα. Σε χρόνο 10-8 s αυθόρµητα επανέρχονται συνήθως στη βασική τους κατάσταση, χαµηλότερης ενεργειακής στάθµης, χάνοντας την επιπλέον ενέργεια. Την ενέργεια αυτή ε την αποκτά το παραγόµενο ε- κείνη τη στιγµή φωτόνιο(photon) (µηχανισµός εκποµπής φωτός). Αν η διαδικασία διέγερσης αποδιέγερσης συµβεί µέσα σε πυκνή ύλη (π.χ. σε στερεό ή υγρό), τότε υπάρχει µεγάλη πιθανότητα η ενέργεια αυτή ν απορροφηθεί και να µετατραπεί σε αύξηση της εσωτερικής ενέργειας του συστήµατος (αύξηση της θερµοκρασίας) µέσω των κρούσεων µεταξύ των ατόµων. Το φωτόνιο σαν διττή οντότητα σωµατίδιο κύµα έχει µια συχνότητα ν η οποία συνδέεται µε την ενέργειά του ε µέσω της σχέσης: ε = hv (1.11)

23 όπου h η στεθερή του Planck µε τιµή: 6, J s ή ev s. Η συχνότητα v εκτός από την εκποµπή, αφορά και τη διαδικασία της απορρόφησης του αντίστοιχου κβάντου ενέργειας (φωτονίου) κατά τη διαδικασία της διέγερσης του ατόµου. Στο ενεργειακό διάγραµµα του (Σχ ) φαίνεται σχηµατικά η µετάβαση δύο ηλεκτρονίων ενός ατόµου από τις στάθµες Ε 3 και Ε 2 στη βασική Ε 0 και τη στάθµη Ε 1 αντίστοιχα, µε ταυτόχρονη εκποµπή φωτονίων. Μεταξύ των εννοιών του εκποµποµένου σωµατιδίου φωτονίου και της α- ντίστοιχης εκποµπής µιας Η/Μ διαταραχής κύµατος υπάρχει µια αντινοµία η ο- ποία στοιχειωδώς τουλάχιστον αίρεται από τη λεγόµενη ηµικλασσική έννοια του εκποµπόµενου µέσω της προηγούµενης διαδικασίας κυµατοσυρµού(wavetrain). Ο κυµατοσυρµός µια πεπερασµένου µήκους χωρικής και χρονικής διάρκειας 8 ( t 10 s ) διαταραχή αφενός µεν έχει κυµατικά χαρακτηριστικά (συχνότητα ν), αφετέρου σωµατιδιακά (αφού είναι πεπερασµένος σηµαίνει ότι εντοπίζεται σε µια περιοχή του χώρου). Πράγµατι η «παραγωγή» αυτού του κυµατοσυρµού είναι δυνατόν να υποθέσουµε ότι γίνεται κατά τη διάρκεια της αποδιέγερσης του ατόµου, µέσω µιας «αποσβενύµενης» αρµονικής ταλάντωσης του ηλεκτρονικού νέφους συχνότητας ν (βλ. Ε.Σ.Σ.Φ. κεφ.6: Ηµικλασσική περιγραφή του Η/Μ πεδίου. Μήκος συµφωνίας και χρόνος συµφωνίας). Όπως ήδη προαναφέραµε, η χρονική διάρκεια του φαινοµένου είναι περίπου 10-8 s, γεγονός που έχει επιβεβαιωθεί και πειραµατικά. εν είναι όµως δυνατό να υιοθετήσουµε για τον κυµατοσυρµό αποκλειστικά κυµατικά χαρακτηριστικά, δεδοµένου ότι ένα κύµα από την κλασσική Η/Μ άποψη είναι µια συνεχής στο χώρο και τον χρόνο διαταραχή χωρίς κβαντισµένη ενέργεια όπως αυτή του φωτονίου. Είναι δυνατόν να παράγουµε συνεχείς Η/Μ διαταραχές στο χώρο χρόνο µε αρκετά µεγάλη ευκολία, σε άλλες περιοχές του Η/Μ φάσµατος. Πράγµατι µε συνεχή (για µεγάλη χρονική διάρκεια) αρµονική ταλάντωση των φορτίων σε µια κεραία εκποµπής ραδιοφωνικών κυµάτων, δηµιουργείται και διαδίδεται µια Η/Μ διαταραχή που έχει τα χαρακτηριστικά κύµατος απείρου µήκους και άπειρης διάρκειας. Το κύµα αυτό µπορούµε να το θεωρήσουµε µονοχρωµατικό(monochromatic) (δηλ. σταθερής συχνότητας v 0 ). εν συµβαίνει όµως το ίδιο και µε ένα κυµατοσυρµό πεπερασµένου µήκους και διάρκειας, ο οποίος αναλυόµενος κατά Fourier, αποδεικνύεται ότι συντίθεται από ένα πολύ µεγάλο αριθµό συνιστωσών κυµάτων µε διαφορετικές συχνότητες. Μόνο εφόσον το εύρος αυτό των συχνοτήτων είναι πολύ στενό τότε µπορούµε να µιλάµε για ψευδοµονοχρωµατική(quasimonochromatic) διαταραχή. Για την ορατή περιοχή του φάσµατος (όπως θα δούµε στο κεφ. 3) είναι δυνατόν να δηµιουργηθούν σχεδόν µονοχρωµατικές διαταραχές φωτός µε τη βοήθεια των πηγών Lasers.

24 Κατάταξη των πηγών φωτός ανάλογα µε τις στατιστικές ιδιότητες των παραγοµένων φωτονίων. Χαοτικές και σύµφωνες πηγές φωτός Το φωτόνιο σαν κβαντικό σωµατίδιο έχει τα εξής απαραγνώριστα χαρακτηριστικά που αναδεικνύουν την ταυτότητά του. Μηδενική µάζα ηρεµίας, µηδενικό ηλεκτρικό φορτίο και στροφορµή κατ απόλυτο τιµή ίση µε. Αντίθετα από τα συνηθισµένα σωµατίδια (όπως είναι τα ηλεκτρόνια, τα πρωτόνια κ.λ.π.) δεν µπορούµε να τα «δούµε απ ευθείας» αλλά όσα γνωρίζουµε γι αυτά προέρχονται από παρατηρήσεις των αποτελεσµάτων κατά τη διαδικασία δηµιουργίας τους (εκποµπή) ή καταστροφής τους (απορρόφηση). Φωτόνια τα οποία δέχεται το µάτι µας θα τα «δούµε» επειδή απορροφούνται από τα ηλεκτρόνια των ατόµων των κυττάρων του αµφιβληστροειδή χιτώνα του µατιού µας εκτελώντας πάνω τους έργο. έσµη φωτονίων στο κενό που περνάει παράλληλα µε τη γραµµή των µατιών µας δεν γίνεται αντιληπτή. Για να τη δούµε, θα πρέπει στην περιοχή διέλευσής τους να υπάρχει σκεδάζον µέσο όπως π.χ. σκόνη ή υδρατµοί. Μπορούµε επίσης να πούµε ότι τα φωτόνια ξεκινούν και τελειώνουν πάνω σε φορτισµένα σωµατίδια (π.χ. τα ηλεκτρόνια) ή πιο αυστηρά ότι ο φορέας αλληλεπίδρασης µεταξύ δύο φορτίων (στην Η/Μ αλληλεπίδραση) είναι τα φωτόνια. Η σωµατιδιακή φύση των φωτονίων έχει επιβεβαιωθεί από πολλά πειράµατα. Τυπικό παράδειγµα αποτελεί το πρότυπο συµβολής το οποίο παίρνουµε όταν ένας φωτοπολλαπλασιαστής ανίχνευσης θέσης (ή ένα κατάλληλο φωτογραφικό film) τοποθετειθεί σε ορισµένη θέση απέναντι από δύο παράλληλες σχισµές µικρού πλάτους (Σχ ). Κάθε φορά φωτίζουµε τις δύο σχισµές µε µια διευρυµένη δέσµη που προέρχεται από µία πηγή φωτός (π.χ. ένα Laser). Εφόσον η ένταση της (Σχ )

25 δέσµης του Laser είναι σταθερή, η ποσότητα του φωτός που θα πέφτει στις σχισµές (και κατά προέκταση ο αριθµός των φωτονίων) θα εξαρτάται από τη χρονική διάρκεια φωτισµού τους. Τα φωτόνια συσχετιζόµενα µεταξύ τους, µετά τη δίοδό τους από τις σχισµές και σε ορισµένη απόσταση από αυτές πάνω στον ανιχνευτή, δη- µιουργούν ένα πρότυπο συµβολής (βλ. Ε.Σ.Σ.Φ. 8.1) µε τη µορφή κροσσών. Αν η χρονική διάρκεια έκθεσης των σχισµών είναι πολύ µικρή, τότε στην σύνθεση των κροσσών συµµετέχουν πολύ λίγα φωτόνια µε συνέπεια να είναι εντελώς σαφής ο σωµατιδιακός τους χαρακτήρας όπως γίνεται εµφανές στις τρεις εικόνες του (Σχ ). Εκεί βλέπουµε διαδοχικά το πρότυπο συµβολής να συντίθεται από Ν=10, (Σχ ) 100 και 1000 φωτόνια αντίστοιχα. Για να εξαλειφθεί η κοκώδης δοµή και να εµφανιστεί συνεχής φωτοαντίθεση µεταξύ των µεγίστων και των ελαχίστων των κροσσών συµβολής, θα πρέπει θα αυξήσουµε ικανοποιητικά τον χρόνο έκθεσης των δύο σχισµών όπως φαίνεται στην τέταρτη εικόνα του (Σχ ). Τα φωτόνια εκτός από τα χαρακτηριστικά µε βάση τα οποία αναγνωρίζονται, διαθέτουν ενέργεια, ορµή και στροφορµή. Αν οι τιµές των παραπάνω είναι γνωστές, τότε λέµε ότι το φωτόνιο βρίσκεται σε µια ορισµένη κατάσταση. Η κατάσταση ενός φωτονίου περιγράφεται (βλ. Πόλωση του φωτός ΠΑΡ/ΜΑ 2) από τέσσερις τον αριθµό παραµέτρους: τις τρεις συνιστώσες της ορµής του k x, k y,k z και µία του προσανατολισµού σ του διανύσµατος της στροφορµής του. Τότε κατά τα γνωστά η ενέργειά του ε θα δίνεται από τη σχέση: ε = hv = kcόπου k = k + k + k (1.2.1) x y z ( = h 2π, k = 2π λ, c = λ ν µε c την ταχύτητα του φωτός) η ορµή του από την: p= k (1.2.2) και η στροφορµή του από την: σ = ή (1.2.3)

26 Τα µικροσωµατίδια (στα οποία ανήκει και το φωτόνιο) από στατιστική άποψη κατατάσσονται σε Μποζόνια(Bosons) και Φερµιόνια(Fermions). Τα πρώτα δεν υπακούουν στην απαγορευτική αρχή του Pauli και είναι τα σωµατίδια που έχουν στροφορµή σ =±. Σ αυτήν την κατηγορία ανήκουν τα φωτόνια. Βασικό τους χαρακτηριστικό είναι ότι ένα µεγάλο πλήθος από αυτά (µεγάλο στατιστικό σύνολο), µπορούν να βρεθούν στην ίδια κατάσταση. Σε µια τέτοια περίπτωση, µακροσκοπικά πλέον, είναι δυνατόν να υποβαθµιστεί ο σωµατιδιακός χαρακτήρας των φωτονίων και ν αποδεχθούµε το σύνολο αυτό των κινουµένων σωµατιδίων σαν µια συνεχή ροή ενέργειας. ηλ. αναδύεται η έννοια του κλασικού Η/Μ κύµατος. Ένα λοιπόν µεγάλο σύνολο φωτονίων που το καθένα τους βρίσκεται στην ίδια κατάσταση (k x, k y,k z,σ) µπορούµε να θεωρήσουµε ότι αντιπροσωπεύει ένα επίπεδο Η/Μ κύµα που διαδίδεται στη διεύθυνση k. Μέχρι σήµερα έχουν γίνει εκτεταµένα πειράµατα που αφορούν τις στατιστικές ιδιότητες των φωτονίων. Ένα θεµελιώδες πείραµα σχετίζεται µε τον τρόπο µε τον οποίο καταφθάνουν και καταγράφονται τα φωτόνια µιας πηγής από έναν ειδικό ανιχνευτή ο οποίος έχει αυτή την ικανότητα. Οι ανιχνευτές αυτοί ονοµάζονται Κβαντικοί ή απαριθµητές φωτονίων (Quantum- Photon Counters). Από τις µετρήσεις αυτές αναδεικνύονται δύο ακραίοι τρόποι συµπεριφοράς των εκπεµποµένων φωτονίων (χωρίς να αποκλείονται ενδιάµεσες καταστάσεις), χαρακτηρίζοντας αντίστοιχα δύο ακραίους τύπους πηγών φωτός: τις σύµφωνες(coherent) και τις χαοτικές (chaotic). Στα επόµενα θα περιγράψουµε το προαναφερόµενο πείραµα και θα συζητήσουµε µόνο τ αποτελέσµατα που αφορούν την ανάδειξη κατά περίπτωση των ιδιοτήτων των συναρτήσεων πυκνότητας πιθανότητας (distribution factions) που προκύπτουν για τις δύο περιπτώσεις. Σηµείωση Την έννοια της συνάρτησης πυκνότητας πιθανότητας (έννοια της θεωρίας των πιθανοτήτων) την συναντούµε π.χ. κατά τη µελέτη του προβλήµατος της κατανοµής των ταχυτήτων των µορίων ενός αερίου που βρίσκονται σ ένα δοχείο σε κατάσταση θερµοδυναµικής ισορροπίας. Στο πρόβληµα αυτό δεν είναι δυνατόν ν α- ποφανθούµε για την ακριβή ταχύτητα που έχει οποιοδήποτε από τα µόρια του αερίου επειδή: ο αριθµός των µορίων είναι βέβαια πολύ µεγάλος αλλά πεπερασµένος ενώ η τιµή των πιθανών ταχυτήτων που θα µπορούσε το καθένα να αποκτήσει (µετά τις συγκρούσεις στα τοιχώµατα του δοχείου και µεταξύ τους) άπειρος. Το πρόβληµα τελικά µπορεί να λυθεί στατιστικά. ηλ. αναζητούµε τον αριθµό n από τα n συνολικά µόρια που οι ταχύτητές τους βρίσκονται µεταξύ υ και υ + υ. Ο αριθµός n θα είναι κατ αρχήν ανάλογος του διαστήµατος των ταχυτήτων υ (π.χ. σε µεγαλύτερο διάστηµα υ θ αντιστοιχεί µεγαλύτερος αριθµός µορίων). Άρα: n=α υ. Η ποσότητα επίσης n εξαρτάται συναρτησιακά από την ίδια την ταχύτητα, επειδή ο

27 αριθµός των µορίων n θα διαφέρει για ίδια διαστήµατα υ αλλά για διαφορετική τιµή ταχύτητας. Άρα: α f(υ). Τέλος ο n θα είναι ανάλογος του συνολικού αριθµού n των µορίων. Τότε: n= nf( υ) υ ή στο όριο dn = n f ( υ )d( υ ) Αν η τελευταία σχέση γραφεί σαν: n = f ( υ ) υ n τότε ο λόγος n/n εκφράζει το ποσοστό των µορίων που οι ταχύτητές τους βρίσκονται µεταξύ υ και υ+ υ. Η dn f ( υ ) = / dυ n είναι η λεγόµενη συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας και εκφράζει το ποσοστό των µορίων που οι ταχύτητές τους βρίσκονται µέσα στο µοναδιαίο διάστηµα ταχυτήτων. Ας αναφέρουµε τυπικά µόνο ότι µε κατάλληλους συλλογισµούς είναι δυνατόν να προσδιοριστεί η f(υ) αυτού του προβλήµατος η οποία είναι: 1 m mυ 2 2kT f( υ) = 4π υ e 2kT m: η µάζα του µορίου, Τ: η απόλυτη θερµοκρασία, k: η σταθερή του Boltzmann. Ονοµάζεται συνάρτηση κατανοµής των Maxwell Boltzmann. Θεωρούµε αρχικά µια πηγή Laser συνεχούς κύµατος (c.w.) (δηλ. πηγή που εκπέµπει συνεχώς) της οποίας η δέσµη είναι σταθερής έντασης. Γνωρίζουµε ότι η ενταση του φωτός (ΠΑΡ/ΜΑ 1) είναι µια µέση χρονική ποσότητα που δίνεται από 2 2 τη σχέση I = ε c E = cε E 2 (ισχύς ανά µονάδα επιφάνειας) όπου Ε η ένταση 0 τ 0 0 του ηλεκτρικού πεδίου, Ε ο το πλάτος του και τ ο χρόνος ολοκλήρωσης. Η δέσµη επίσης έχει µια µέση σταθερή ισχύ Ρ και κατά προέκταση µια σταθερή µέση φωτονική ροή Φ (photon flux): Φ = AI hv0 = P hv0 (Α: η επιφάνεια της διατοµής της) που δηλώνει τον µέσο αριθµό φωτονίων που φθάνουν π.χ. σ έναν ανιχνευτή (photon counter) ανά µονάδα χρόνου. Μεταξύ της πηγής Laser και του ανιχνευτή παρεµβάλλουµε ένα φωτοφράκτη ο οποίος παραµένει ανοικτός για χρονικό διάστηµα π.χ. 10 µs το οποίο γενικά είναι κατά πολύ µι-

28 κρότερο από το χρονικό διάστηµα ολοκλήρωσης για τον υπολογισµό της έντασης Ι. Στη διάρκεια των 10 µs που παραµένει ο φωτοφράκτης ανοικτός, ο ανιχνευτής µετρά τον αριθµό των φωτονίων που πέφτουν στην επιφάνειά του. Το πείραµα εκτελείται πολλές φορές (π.χ ). Το στατιστικό πρόβληµα το οποίο καλούµαστε να λύσουµε είναι ο υπολογισµός του ποσοστού n/n των δειγµατοληπτικών µετρήσεων (διαστηµάτων) µέσα στα οποία ο αριθµός των µετρουµένων φωτονίων είναι µεταξύ Ν και Ν+ N τον αριθµό. Η ανάλυση της οποίας θα εκθέσουµε µόνο τ αποτελέσµατα, οδηγεί στην ανάδειξη µιας συνάρτησης πυκνότητας πιθανότητας f(n) για την οποία θα ισχύει: ( Ν ) dn = n f d Ν ηλ. εδώ η f(n) θα εκφράζει το ποσοστό των δειγµατοληπτικών µετρήσεων για τα οποία ο αριθµός των µετρουµένων φωτονίων είναι µεταξύ Ν και της µονάδας µέτρησης του Ν. Εκτελούµε συνολικά n=10 4 µετρήσεις και τις οµαδοποιούµε έτσι ώστε να ξεχωρίσουµε ένδεκα οµάδες που η κάθε µία περιλαµβάνει: 10, 20, 30, 40, 90,100,110 µετρούµενα από τον ανιχνευτή φωτόνια µε εύρος σφάλµατος ± 3 φωτόνια. Ο (Πιν ) µας δίνει τα ποσοστά των µετρήσεων n/n από το σύνολο n=10 4 µετρήσεων και το (Σχ ) το ιστόγραµµα αυτών των ποσοστών συναρτήσει του αριθµού Ν των φωτονίων. Το διάγραµµα αυτό είναι µια πρώτη ένδειξη της µορφής της συνάρτησης πυκνότητας πιθανότητας f(ν) που περιγράφει στατιστικά το πρόβληµα των φωτονίων που πέφτουν και µετρούνται από τον ανιχνευτή, σε σταθερό πάντα χρονικό διάστηµα και που προέρχονται από την πηγή του Laser. Βλέπουµε χαρακτηριστικά ότι ελάχιστη σχεδόν πιθανότητα υπάρχει να καταµετρηθεί από τον ανιχνευτή πολύ µικρός (1-10) ή πολύ µεγάλος ( ή και µεγαλύτερος) αριθµός φωτονίων. Αντίθετα η πιθανότητα είναι µέγιστη στο να µετρήσει αριθµό φωτονίων που ο αριθµός τους αντιστοιχεί στη µέση τιµή µεταξύ 10 και 100 (δηλ. 50 φωτόνια). Η κατανοµή αυτή, όπως αποδεικνύεται θεωρητικά είναι µια κατανοµή Poisson. (Σχ.1.2.6). Ορισµένα ενδιαφέροντα συµπεράσµατα για τις στατιστικές ιδιότητες των καταµετρούµενων φωτονίων γι αυτή τη περίπτωση µπορούµε να βγάλουµε µε τη βοήθεια του (Σχ ). Παριστάνει την ισχύ P(t) της δέσµης, σαν συνάρτηση των καταµετρούµενων από τον ανιχνευτή φωτονίων. Ο άξονας t των τετµηµένων είναι χωρισµένος σε ίδια δειγµατοληπτικά χρονικά διαστήµατα και ενδιάµεσα στο καθένα είναι εµφανής η χρονική αλληλουχία άφιξης και καταγραφής του κάθε φωτονίου. Μπορούµε να διαπιστώσουµε αρχικά ότι τα φωτόνια καταφθάνουν στον ανιχνευτή µε εντελώς τυχαίο τρόπο, δηλ. χωρίς να συσχετίζονται µεταξύ τους.

29 α/α n/n N±3 n n= n n 1 n 10 4 (Πίν ) (Σχ.1.2.4)

30 (Σχ )

31 Επίσης ο αριθµός τους σε κάθε δειγµατοληπτικό διάστηµα δεν διαφέρει πολύ µεταξύ τους. Στο (Σχ ), το κάθε διάστηµα περιλαµβάνει κατά µέσο όρο 50 φωτόνια (κάθε κατακόρυφη γραµµή αντιστοιχεί σε 10 φωτόνια). Βλέπουµε δηλ. ότι ο ανιχνευτής µετράει σταθερή ισχύ P(t) παρά το ότι η άφιξη του κάθε φωτονίου σ αυτόν είναι ένα ανεξάρτητο γεγονός χρονικά. Το φως που χαρακτηρίζεται από τέτοιες ιδιότητες ονοµάζεται σύµφωνο(coherent) και είναι αυτό που προκύπτει συνήθως από τις πηγές Laser. (Σχ ) Αµέσως µετά εκτελούµε το ίδιο ακριβώς πείραµα, µόνο που αντί για τη δέσµη του Laser, χρησιµοποιούµε µια δέσµη φωτός που προέρχεται από µια θερµική πηγή της ίδιας έντασης και ισχύως όπως προηγουµένως. Παραδείγµατα θερµικών πηγών είναι ένας λαµπτήρας πυράκτωσης, το κερί, ο ήλιος κ.α. Κατόπιν από τον αριθµό n=10 4 δειγµατοληπτικών µετρήσεων ξεχωρίζουµε οκτώ οµάδες που η κάθε µία αντιπροσωπεύεται από 0,10,20,,70 φωτόνια, µε εύρος σφάλµατος ± 3 φωτόνια. Ο (Πιν ) µας δίνει τα ποσοστά των µετρήσεων n/n από το σύνολο n=10 4 και το (Σχ ) το ιστόγραµµα αυτών των ποσοστών σε συνάρτηση µε τον αριθµό Ν των φωτονίων. Το τελευταίο διάγραµµα µας δίνει µια κατ αρχή ένδειξη της µορφής της συνάρτησης πυκνότητας πιθανότητας f(n) που περιγράφει στατιστικά το πρόβληµα των φωτονίων που φθάνουν και µετρούνται από τον ανιχνευτή σε συγκεκριµένο πάντα χρονικό διάστηµα και που προέρχονται από την θερµική πηγή. Βλέπουµε χαρακτηριστικά ότι έχουµε µέγιστη πιθανότητα ο ανιχνευτής να καταµετρήσει ελάχιστο ή και µηδενικό αριθµό φωτονίων, ενώ αντίθετα η πιθανότητα να συµπεριλαµβάνονται µέσα στα δειγµατοληπτικά διαστήµατα µεγάλος αριθµός φωτονίων είναι πολύ µικρή. Η κατανοµή αυτή όπως αποδεικνύεται θεωρητικά είναι η κατανοµή Bose Einstein. (Σχ ).

32 α/α n/n N±3 n n= n n 1 n 10 4 (Πίν ) (Σχ ) Με τη βοήθεια του (Σχ ) προκύπτουν τα εξής συµπεράσµατα: Βλέπου- µε αρχικά ότι τα φωτόνια καταφθάνουν στον ανιχνευτή µε εντελώς τυχαίο τρόπο, αλλά σαν σύνολο συσχετίζονται µεταξύ τους. Το γεγονός αυτό γίνεται εµφανές από την περιοδική εµφάνιση πυκνωµάτων και αραιωµάτων των κατακόρυφων γραµµών οι οποίες κατά τα γνωστά παριστάνουν καταγραφόµενα φωτόνια στα ίσα χρονικά µεταξύ τους δειγµατοληπτικά διαστήµατα µέτρησης. Αυτό θα έχει σαν συνέπεια να

33 (Σχ.1.2.9)

34 υπάρχει µια εγγενής (λόγω της φύσης της πηγής) διαταραχή στην ένταση Ι(t) και άρα στην ισχύ P(t) της δέσµης του φωτός, παρά το ότι η µέση τιµή της Ι και της P είναι σταθερές. ηλ. η άφιξη των φωτονίων στον ανιχνευτή δεν είναι µια διαδοχή ανεξαρτήτων γεγονότων (όπως στην περίπτωση των συµφώνων πηγών Laser). Αυτός είναι ακριβώς ο λόγος που στην περίπτωση αυτή ισχύει η στατιστική των Bose Einstein. Το φως που διαθέτει τέτοιες ιδιότητες ονοµάζεται χαοτικό(chaotic) και συνήθως είναι αυτό που προκύπτει από τις θερµικές πηγές. Από την προηγούµενη µελέτη διαπιστώνουµε ότι µεταξύ του φωτός που εκπέµπτεται από µια σύµφωνη πηγή και αυτού από µια χαοτική, υπάρχει διαφορά παρά το ότι οι εντάσεις τους κατά µέσο όρο είναι ίσες. Η διαφορά αυτή είναι εγγενής δηλ. οφείλεται καθαρά στον τρόπο παραγωγής του φωτός στην κάθε πηγή ξεχωριστά. 1.3 Κατάταξη των φασµάτων των πηγών φωτός Τα φάσµατα γενικά διακρίνονται σε φάσµατα εκποµπής(transmission spectra) και απορρόφησης(absorption spectra). Πιο συγκεκριµένα έχουµε: α) Συνεχή φάσµατα εκποµπής. Συνεχή φάσµατα απορρόφησης. (Continuous emission spectra) (Continuous absorption spectra) β) Γραµµικά φάσµατα εκποµπής. Γραµµικά φάσµατα απορρόφησης. (Line emission spectra) (Line absorption spectra) γ) Ταινιωτά φάσµατα εκποµπής. Ταινιωτά φάσµατα απορρόφησης. (Band emission spectra) (Band absorption spectra) Η λήψη των φασµάτων στην κλασσική περίπτωση γίνεται µέσω αναλυτικών οργάνων των φασµατοµέτρων(spectometers) ( 6.3) για ένα από τα οποία το φασµατοσκόπιο έχουµε ήδη περιγράψει στοιχειωδώς τον τρόπο λειτουργίας του. Συνεχή φάσµατα. Ένα συνεχές φάσµα εκποµπής, περιλαµβάνει την παράθεση µιας συνεχούς διαδοχής των συνιστώσων της ακτινοβολίας διαφορετικών µήκων κύµατος µεταξύ δύο ορίων, χωρίς ενδιάµεσα να υπάρχει καµµιά ασυνέχεια. Τα διάπυρα στερεά και υγρά συνήθως αποτελούν πηγές παραγωγής συνεχών φασµάτων. Τέτοια µπορεί να είναι ένα κοµµάτι σίδηρος ή ένα άλλο µέταλλο, ένα κοµµάτι πορσελάνη, η διάπυρη λάβα κ.λ.π. Το µέλαν σώµα (black body) το οποίο στοιχειωδώς θα µελετήσουµε στην ( 2.1), αποτελεί ένα κλασικό παράδειγµα εκποµπής συνεχούς φάσµατος και

35 µάλιστα για περιοχές από το υπεριώδες µέχρι το υπέρυθρο. Στις (Eικ α,β,γ) βλέπουµε τα συνεχή φάσµατα εκποµπής για τις περιπτώσεις διάπυρων στερεών στην ορατή περιοχή. Η (α) αντιστοιχεί σε φάσµα από τόξο άνθρακα (Σχ ) θερµοκρασίας (θετικού πόλου) 4000 ο C. Η (β) και η (γ) αντιστοιχούν σε φάσµατα νήµατος Βολφραµίου θερµοκρασίας 2000 ο C και 1500 ο C αντίστοιχα. Το φάσµα της (α) περιλαµβάνει όλη τη γκάµα των χρωµάτων από το ιώδες µέχρι το κόκκινο. Αυτό της (β) περιλαµβάνει µόνο την πορτοκαλί κόκκινη περιοχή, ενώ αυτό της (γ) µόλις και διακρίνεται λίγο το βαθύ κόκκινο. Τα φάσµατα έχουν ληφθεί µε (Εικ ) φασµατογράφο πρίσµατος ( 6.3.3). Αν θεωρήσουµε τις προαναφερόµενες πηγές σαν κατά προσέγγιση µέλανα σώµατα, τότε από τις καµπύλες των συναρτήσεων κατανοµής Ι λ ( 2.1.1) µέσω των (Σχ και ) µπορούµε να επιβεβαιώσουµε αυτά που βλέπουµε στις εικόνες όσον αφορά τα όρια εκποµπής της κάθε πηγής. Πραγµατικές πηγές που παράγουν συνεχή φάσµατα για τις περιοχές του ορατού, υπεριώδους και υπερύθρου περιγράφουµε στο (κεφ. 2). Ένα συνεχές φάσµα απορρόφησης θα προκύψει αν µεταξύ µιας πηγής που εκπέµπει συνεχές φάσµα ακτινοβολιών και του αναλυτικού οργάνου παρεµβληθεί ένα µέσο το οποίο θα απορροφήσει τµήµατα του συνεχούς φάσµατος. Στην (Εικ ) µπορούµε να δούµε τα εξής: (α) το συνεχές φάσµα εκποµπής µιας πηγής µεταξύ nm. (β) το τµήµα του συνεχούς φάσµατος που παραµένει (κόκκινο πορτοκαλί περιοχή) όταν µεταξύ πηγής οργάνου παρεµβάλλουµε ένα κόκκινο φίλτρο (γ). Το τµήµα του συνεχούς φάσµατος που παραµένει (ιώδης και λίγη από τη µπλε περιοχή) όταν παρεµβάλλουµε ένα ιώδες φίλτρο (δ). Το τµήµα του συνεχούς φάσµατος που παραµένει όταν παρεµβάλλουµε ένα γυαλί ιδυµίου. Στην τελευταία περίπτωση, εκτός ορισµένων άλλων ζωνών απορρόφησης υπάρχει µια έ- ντονη στην κίτρινη περιοχή. Στα διαγράµµατα (Σχ α,β,γ) φαίνονται οι κα-