CURS 1 Fizica. Fenomene optice. Introducere.Radiaţii electromagnetice.proprietăţi

HTML
DOWNLOAD

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "CURS 1 Fizica. Fenomene optice. Introducere.Radiaţii electromagnetice.proprietăţi"

Ιολανθη Αμάλθεια Ζάχος
7 χρόνια πριν
Προβολές:

1 CURS 1 Fizica Fenomene optice. Introducere.Radiaţii electromagnetice.proprietăţi

2 Unele corpuri, aflate în anumite condiţii, produc asupra ochiului o impresie fiziologică pe care o numim lumină. Cu studiul propagării undelor luminoase şi a fenomenelor legate de aceste unde, numite unde optice, se ocupă partea fizicii numită optică In prezent, optica cuprinde studiul undelor electromagnetice a căror lungimi de undă se găsesc atât în domeniul vizibil ( = 0,4 m 0,8 m ) cât şi în domeniile învecinate (infraroşu: = 0,8 m 3 10 m, şi ultraviolet: = 0,02 m 0,4 m

3 Partea opticii care studiază fenomenele luminoase servindu-se de razele de lumină ca simple linii geometrice se numeşte optică geometrică, iar partea opticii care studiază fenomene ca: interferenţa luminii, difracţia, polarizarea, etc. se numeşte optică ondulatorie. Prima teorie ştiinţifică cu privire la natura luminii aparţine lui I. Newton (1704) şi susţine că sursa de lumină emite corpusculi luminoşi care se propagă în virtutea inerţiei în linie dreaptă cu o viteză relativ mare. Teoria corpusculară explică fenomenele de reflexie a luminii prin analogie cu reflexia unor bile elastice de un perete fix, iar fenomenul de refracţie prin atracţia corpusculilor luminoşi de către mediile mai dense. In 1690, C. Huygens pune bazele teoriei ondulatorii cu privire la natura luminii, conform căreia lumina trebuie să fie considerată ca o undă elastică ce se propagă într-un mediu special, care umple întregul univers, numit eter. Teoria ondulatorie a lui Huygens, completată de Young, Fresnel şi alţii explică majoritatea fenomenelor optice cunoscute: reflexia, refracţia, interferenţa, difracţia, polarizarea, dar are şi unele neajunsuri. Abia în 1893, Maxwell pune bazele teoriei electromagnetice cu privire la natura luminii. El afirmă că lumina este un fenomen electromagnetic, unda electromagnetică fiind formată dintr-un câmp electric şi unul magnetic, variabile în spaţiu şi timp. Conform acestei teorii, deosebirea dintre undele electromagnetice propriu zise şi undele luminoase constă în frecvenţa lor. Mai târziu, în 1901, Max Planck revine la teoria corpusculară a luminii sub forma teoriei cuantice a naturii luminii. Conform acestei teorii, lumina are o structură discontinuă, sub formă de cuante de energie. Einstein (1905) a numit particulele de lumină care au energia egală cu o cuantă, fotoni. Dezvoltarea în continuare a cercetărilor în domeniul opticii au arătat că lumina este un fenomen complex care reprezintă în acelaşi timp proprietăţi ondulatorii şi corpusculare. Louis de Broglie (1924) dezvoltă această idee şi arată că dualitatea undă-corpuscul nu este caracteristică numai luminii, ci oricărei particule. Această dualitate confirmă dualitatea materială a luminii.

1. În funcţie de natura lor: - Radiaţii electromagnetice (EM) propagarea sub formă de unde transversale a undelor electromagnetice - Elastice: propagarea sub formă de unde longitudinale a vibraţiilor

4 1. În funcţie de natura lor: - Radiaţii electromagnetice (EM) propagarea sub formă de unde transversale a undelor electromagnetice - Elastice: propagarea sub formă de unde longitudinale a vibraţiilor unui mediu elastic - Corpusculare: fascicule de particule de mare energie 2. În funcţie de energie, în raport efectul lor asupra substanţei cu care interacţionează: - Ionizante cele care sunt capabile să producă ionizarea, datorită energiei mari - Neionizante radiaţii de energie mică, incapabile să producă ionizarea. Radiaţie = propagarea în spaţiu a unor câmpuri de forţe sub formă de unde sau a unor fluxuri de particule. Clasificarea radiaţiilor

5 Interacţiunea radiaţiilor cu substanţa La interacţiunea cu substanţa, radiaţia cedează o parte din energia sa, în general conform unei legi de absorbţie exponenţiale unde I 0 reprezintă intensitatea incidentă, I intensitatea emergentă, d grosimea stratului de substanţă străbătut, k coeficient specific de atenuare (acesta depinde de natura radiaţiei şi de caracteristicile substanţei) Energia cedată se transformă în alte forme de energie, producând efecte diferite cu atât mai importante cu cât energia absorbită de substanţă este mai mare. Interacţiunea radiaţie - substanţă se realizează la diferite nivele de organizare a materialului absorbant: - La nivel molecular efecte termice, excitări vibraţionale şi rotaţionale ale moleculelor, reacţii chimice; - La nivel atomic, producând excitări ale ionilor sau ionizări; - La nivel nuclear excitări ale nucleului sau declanşarea unor reacţii nucleare.

Parametrii caracteristici undelor electromagnetice transversale Mărimile caracteristice undelor sunt perioada T (timpul după care oscilaţia se repetă), lungimea de undă λ (spaţiul parcurs într-un

6 Parametrii caracteristici undelor electromagnetice transversale Mărimile caracteristice undelor sunt perioada T (timpul după care oscilaţia se repetă), lungimea de undă λ (spaţiul parcurs într-un interval de timp egal cu o perioadă T) şi frecvenţa ν (inversul perioadei T). Relaţiile care există între mărimile caracteristice undelor sunt următoarele: unde c reprezintă viteza de propagare a undei. Undele electromagnetice sunt unde transversale care au componentă magnetică şi o componentă electrică, vectorii electric şi magnetic fiind perpendiculari unul pe celălalt şi pe direcţia de propagare (Fig. 1). Din punct de vedere al caracteristicilor ondulatorii spectrul radiaţiilor electromagnetice se întinde de la undele radio lungi caracterizate prin frecvenţe mici şi lungimi de undă mari (km) până la razele γ de mare energie, de frecvenţe mari şi lungimi de undă mici (Å) (Fig. 2). Conform relaţiei lui Planck, energia unei unde electromagnetice este: unde h = 6, Js, constanta lui Planck, iar c = m/s, viteza luminii în vid.

7 COURS D OPTIQUE GEOMETRIQUE modules S1 G et S1 SM-d Yves Georgelin

8 Propagarea luminii. Principiul lui Fermat Fig 1 Unda luminoasă este de natură electromagnetică; ea poate fi reprezentată într-un mediu omogen prin vectorii câmp electric şi câmp magnetic care sunt perpendiculari între ei şi perpendiculari pe direcţia de deplasare. Deoarece şi au aceeaşi fază şi variază sincron, unda electromagnetică E poate H fi reprezentată ca în figura: Fig 1

10 O proprietate importantă a undelor electromagnetice, ce rezultă din ecuaţiile lui Maxwell, este aceea că cei doi vectori şi sunt perpendiculari între ei şi împreună cu n alcătuiesc un triedru drept Referitor la viteza de propagare a undelor electromagnetice în vid, din teoria lui Maxwell, rezultă: c = c 8 = 3 10 m s Viteza undelor luminoase într-un mediu oarecare: v = 1 = 1 = c 0 0 r r r r = c n n = f( ) Fenomen de dispersie

11 Indicele de refracţie notat n la o temperatură dată şi lucrând cu lumină de lungime de undă, λ, fixată este o constantă fizică importantă care caracterizează cu precizie o substanţă deoarece mici cantităţi de impurităţi modifică valoarea acestui indice. Măsurătorile de indici de refracţie se pot realiza rapid şi cu cantităţi mici de substanţă Conform legilor refracţiei empirice: sin i/sin r = n reprezintă indicele de refracţie al mediului 2 în raport cu primul şi este egal cu raportul vitezelor de propagare în cele două medii (în mediul mai dens cu viteză mai mică) Dacă r = 90 raza se propagă în mediul 2 perpendicular pe interfaţa celor două medii şi se poate scrie: Această valoare i este denumită unghi limită sau unghi critic. Dacă r > 90 asistăm la o reflexie totală adică raza nu trece în mediul 2.

$Dacă mediul 1 este chiar vidul, n reprezintă indicele de refracţie absolut şi: n = n1/n2 (1) În practica de laborator se determină indicele de refracţie faţă de aer.$

12 Dacă mediul 1 este chiar vidul, n reprezintă indicele de refracţie absolut şi: n = n1/n2 (1) În practica de laborator se determină indicele de refracţie faţă de aer. Indicele de refracţie al unei substanţe faţă de vid se numeşte indice de refracţie absolut. Acesta se obţine din cel măsurat în aer prin înmulţire cu Indicele de refracţie variază deci cu densitatea, temperatura şi presiunea mediului. Pentru a elimina influenţa temperaturii şi presiunii, deci a densitaţii, d s-a introdus o nouă constantă de material refracţia specifică: r = (n-1)/d (Gladstone şi Dale)

13 Dispersia luminii

21 Metodele refractometrice pot gasi o larga intrebuintare in multe ramuri ale industriei alimentare, petrochimice, farmaceutice si în laboratoarele biologice, chimice si medico-sanitare. Imbinarea deosebit de pretioasa a preciziei aparatului, a simplitatii tehnice si a accesibilitatii asigura o intrebuintare larga a refractometriei, ca una din cele mai importante metode fizice de analiza. Aparatul poate fi utilizat intr-o paleta larga de aplicatii atat din domeniul experimentarilor - pentru masurarea si interpretarea unor parametri fizico chimici, cat si din domeniul industrial. Folosirea refractometriei, prin utilizarea aparatului, ajuta la obtinerea unei bogate colectii de date utile privind: refractii specifice, constante refractometrice, indici de refractie si variatia acestora cu temperatura si compozitia, pentru o gama foarte larga de substante si produse obtinute in industria mediului, chimica, petrochimica, alimentara, biologica si domeniul medico-sanitar. Indicele de refractie constituie, la o temperatura si lungime de unda date a semnalului luminos, o importanta caracteristica unei combinatii chimice. Acest parametru face parte din putinele constante fizice care se pot masura cu o precizie foarte mare intr-un timp minim, avand la dispozitie o cantitate mica de substanta. Imbinarea metodelor refractometrice cu determinarea altor proprietati fizice sau cu o transformare chimica a substantei de cercetat permite sa se analizeze sisteme ternare si mai complexe si sa se determine astfel compozitia multor produse industriale si biologice importante.

22 Un alt exemplu de aplicare a reflexiei totale îl întâlnim la fibra optică. O fibră optică este un fir de sticlă, cu indicele de refracţie n 1, cu diametrul mult mai mic decât lungimea sa, învelit cu o cămaşă de sticlă mai puţin refringentă, adică n 2 <n 1. Transmisia luminii printr-o astfel de fibră se datorează reflexiilor totale multiple pe pereţii firului. Fig 2 Un fascicul de fibre optice asamblate într-un înveliş elastic poartă denumirea de conductor optic. Fig 3 Fig 2 Fig 3

23 Există două tipuri de conductori optici: a) conductorii de lumină prin care se transmit semnale luminoase modulate în timp (în acest caz poziţia relativă a firelor între ele nu contează). b) conductori de imagini prin care se transmit semnale luminoase modulate în spaţiu şi timp (firele au o poziţie relativ fixă). Fibrele optice au şi capătă pe zi ce trece o largă aplicabilitate în telecomunicaţii, medicină, etc..

24 Bibliografie selectiva 1. Ghiorghe Călugăru etc., Fizică, Teorie şi Aplicaţii, vol.2, 2. Curs Biofizica MG Elemente de fotobiologie 3. L histoire de l optique et de la photonique

Σχετικά έγγραφα

a. 11 % b. 12 % c. 13 % d. 14 %

a. 11 % b. 12 % c. 13 % d. 14 % 1. Un motor termic funcţionează după ciclul termodinamic reprezentat în sistemul de coordonate V-T în figura alăturată. Motorul termic utilizează ca substanţă de lucru un mol de gaz ideal având exponentul