Vlnová optika, elektromagnetické záření- lazi

Vlnová optika, elektromagnetické záření- Lazi
Vysvětlete pojem elektromagnetického záření a světelného záření.Vysvětlete vlnové a korpuskulární vlastnosti záření.
- světlo je vlnění
- vlnová optika - odraz, lom, interference, tenká vrstva, mřížka, interference na vrstvě, Nikolův hranol
- polarizace, spektra látek
- korpuskulární: částicové, de Brogliovy vlny, fotoelektrický jev, černé těleso, Heykensův princip
Elektromagnetické záření=Elektromagnetické vlnění
Elektromagnetické záření
|
λ při šíření vzduchem
|
Radiové
|
30 km až 30 μm
|
Infračervené
|
0,3 mm až 760 nm
|
Světelné
|
760 nm až 390 nm
|
Ultrafialové
|
400 nm až 10 nm
|
Rentgenové
|
10 nm až 1 pm
|
Záření gama
|
< 300 pm
| Není ostrá hranice, plynulé přechody a překryvy.
Radiové záření (vlnění) rozděleno ještě na další tři podskupiny (dlouhé vlny, střední vlny, krátké vlny, velmi krátké vlny, mikrovlny UHF a mikrovlny SHF)
Rádiové: zdroj: elmag. oscilátory, mikrovlnné generátory; přenos rozhlasového a televizního signálu, radiokomunikace, mikrovlny např. i pro ohřev
Infračervené: optické záření, též tepelné záření; zdroj: každé těleso s teplotou větší než absolutní nula; platí pro něj stejné zákony jako pro světlo (odraz, lom atd.)
Světlo: optické záření; zaujímá úzkou oblast spektra viditelnou okem; zdroje: tělesa zahřátá na teplotu větší než 520°C, el. výboje v plynech, luminescence, monochrom. světlo: lasery
Ultrafialové: optické záření; zdroje: tělesa o velmi vysoké teplotě; rozkládá organické molekuly (poškozuje tkáně: rakovina kůže, vady očí; používá se k ničení mikroorganismů); částečně pohlcováno ozonosférou Země
Rentgenové: vznik: dopad rychlých elektronů na kovovou elektrodu, jejich energie se mění na energii elmag. vln (měkké: vyzařované elektrony narážejícími na kov, spojité spektrum; tvrdé: vyzařované excitovanými atomy kovu, do kterého narazili elektrony, čárové spektrum); prochází látkami a je v nich částečně pohlcováno (atomy s vyšším atomový číslem pohlcují záření lépe)
Gama: součást radioaktivního záření, emitovaného atomovými jádry při radioaktivních přeměnách
Spektra látek (u optického a rentgenového záření: emisní spektrum; pohlcování záření: absorpční spektrum)
Emisní spektrum:
Čárové spektrum: obsahuje vlny jen některých vlnových délek; plyny a páry prvků při vysokých teplotách (např. při el. výboji): elektrony přeskočí do vyšší energetické hladiny a při přechodech do nižších hladin vyzařují elmag. vlny (fotony); spektrální čáry: charakteristické pro každý prvek, lze stanovit přesné složení látek
Spojité spektrum: obsahuje všechny vlny vlnových délek z určitého intervalu; pevné látky a kapaliny; molekuly excitované na vyšší energetické hladiny vyzařují při přechodu na nižší hladiny elmag. vlnu (foton)
Absorpční spektrum: soubor temných čar či pásů vznikajících při průchodu světla látkou jako důsledek pohlcování záření atomy a molekulamy)
Tepelné záření
Infračervené záření; vysílané látkou v důsledku tepelné excitace atomů (atomy srážkomi získávají vetší energii, kterou pak vyzařují do okolí; kirchhoffův zákon vyzařování: zářivost tělesa při dané frekvenci záření je úměrná jeho absorpční frekvenci
Černé těleso: dokonale pohlcuje veškeré dopadající elektromagnetické záření; jeho tepelné záření pak závisí jen na jeho termodynamické teplotě; v praxi se používá dutina s matně černými stěnami a malým otvorem: stěny postupnými odrazy záření absorbují veškeré záření, které vstoupilo otvorem a vyzáří ho otvorem v podobě tepelného záření
Stefan-Boltzmannův zákon: intenzita vyzařování Me = σT4 , Stefan-Boltzmannova konstanta σ = 5,6705*10-8 Wm-2 K-4
Wienův posunovací zákon: maximum spektrální intenzity připadá na vlnovou délku λmax = b / T , b = 2,898*10-3 m*K
Planckův zákon: spektrální intenzita
Hλ = (2hc2)/(λ5*(ehc/kλT - 1),
k = Boltzmannova konstanta, c = rychlost světla,
h = Planckova konstanta (viz níže)
Kvantová optika
Fotoelektrický jev: základ: zjištění, že zinek osvětlený UV zářením se nabíjí kladně; postupně i další kovy (světlo dopadající na povrch uvolňuje z kovu elektrony); energie uvolněných elektronů rostě lineárně s frekvencí dopadajícího světla; Einstein: působení Planckových světelných kvant na elektrony kovu (elektron dostane celou energii E jednoho kvanta a její část spotřebuje na opuštění kovu (E0); podle Plancka E = hf (Planckova konstanta h = 6,625*10-34 J*s); potom konečná energie elektronu Ek = E - E0 = h (f - f0) => každému kovu přísluší nejmenší frekvenci, kterou musí světlo mít, aby mohlo z kovu vyloučit elektrony; Einsteinova rovnice: eU = h (f - f0) , kde f0 je charakteristická frekvence kovu.
De Broglieovy vlny: hypotéza: každý pohybující se svazek mikročástic má kromě částicových také vlnové vlastnosti; každé částici s energií E a hybností p lze přiřadit rovinnou vlnu s frekvencí f a vlnovou délkou λ; λ = h / p = h / (mv); f = E / h = mc2/ h; λ se nazývá deBroglieova vlnová délka, vlny přiřazené těmto částicím se nazývají deBroglieovy vlny;
využití: studium atomové struktury látek (s využitím difrakce); elektronové a iontové mikroskopy (lepší rozlišení než optické: malé vlnové délky => menší ovlivnění ohybem)
Vlnová optika (nahlíží na světlo jako na vlnění)
Světlo: elmag. vlnění (frekvence 390 – 760 nm; je na ně citlivé oko); šíření optickým prostředím (vakuum: 3 × 108 m/s-1, látkové prostředí: rychlost světla menší); charakterizováno vlnovou délkou (λ=c/f); frekvence (a vlnová délka) charakterizují barvu světla
Šíření: Huygensův princip: každý bod na čele šířící se vlny lze v každém okamžiku považovat za zdroj vlnění => šíření v kulových vlnoplochách (velké vzdálenosti: kul. plochy rovinné
Světelný paprsek: přímka kolmá na vlnoplochu; udává směr šíření ve stejnorodém optickém prostředí (přímočaré šíření)
Zdroje světla
– přirozené: slunce, oheň, hvězdy
– umělé: žárovka, zářivka, výbojka, laser
– chromatické: složené ze světla více vlnových délek, např. bílé světlo (složené ze sedmi barev)
– monochromatické: 1 vlnová délka – laser
Optická prostředí
a) podle průchodnosti světla
– průhledné – nedochází k rozptylu světla, např. sklo
– průsvitné – světlo se částečně rozptyluje, např. matné sklo
– neprůhledné – světlo se pohlcuje nebo odráží
b) podle jiných vlastností prostředí:
– opticky homogenní – všude má stejné optické vlastnosti
– opticky izotropní – rychlost světla je všemi směry stejná
– opticky anizotropní – rychlost světla je závislá na směru šíření (krystal křemene)
V opticky homogenním prostředí se světlo šíří přímočaře a jednotlivé světelné paprsky se mohou navzájem protínat, ale neovlivňují se a postupují nezávisle jeden na druhém – princip nezávislosti chodu světelných paprsků.
Vlnové vlastnosti světla
ODRAZ = reflexe: světelný paprsek dopadá na rozhraní světelných prostředí a do druhého prostředí nemůže všechno nebo část světla proniknout.
Zákon odrazu: úhel dopadu α: paprsek s kolmicí dopadu k (vztyčená v místě dopadu O); paprsek dopadajícího světla a kolmice dopadu v rovině: rovina dopadu; odražené světlo: paprsek v rovině dopadu, svírá s kolmicí dopadu k úhel odrazu α’; α = α’
Využití u zrcadel
LOM = refrakce: světelný paprsek prochází z jednoho do druhého prostředí.
Zákon lomu (Snellův zákon): dopad do bodu dopadu O; úhel dopadu α; v O vztyčena kolmice dopadu k; paprsek a kolmice leží v rovině dopadu; lomený paprsek: z bodu O druhým prostředím pod úhlem lomu β, leží v rovině dopadu.
(n1: index lomu prostředí, ze kterého paprsek přichází; n2: index lomu prostředí, do kterého paprsek prochází)
index lomu n: n = c/v
přechod mezi prostředími (opticky hustší je prostředí s větším n)
opticky řidší -> opticky hustší: lom ke kolmici (β < α)
opticky hustší -> opticky řidší: lom od kolmice (β > α).
využití u čoček.
|