Rozpraszanie elastyczne światła

Podobne dokumenty
ZASTOSOWANIE LASERÓW W OCHRONIE ŚRODOWISKA

Interferencja. Dyfrakcja.

Własności optyczne materii. Jak zachowuje się światło w zetknięciu z materią?

Dlaczego niebo jest niebieskie?

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Zjawisko interferencji fal

Widmo fal elektromagnetycznych

Dr Piotr Sitarek. Instytut Fizyki, Politechnika Wrocławska

Fala elektromagnetyczna o określonej częstotliwości ma inną długość fali w ośrodku niż w próżni. Jako przykłady policzmy:

falowego widoczne w zmianach amplitudy i natęŝenia fal) w którym zachodzi

Optyczna spektroskopia oscylacyjna. w badaniach powierzchni

I. PROMIENIOWANIE CIEPLNE

ELEMENTY GEOFIZYKI. Atmosfera W. D. ebski

Falowa natura światła

ZDALNA REJESTRACJA POWIERZCHNI ZIEMI

Kwantowe własności promieniowania, ciało doskonale czarne, zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne.

Problemy optyki falowej. Teoretyczne podstawy zjawisk dyfrakcji, interferencji i polaryzacji światła.

Natura światła. W XVII wieku ścierały się dwa, poglądy na temat natury światła. Isaac Newton

Niezwykłe światło. ultrakrótkie impulsy laserowe. Piotr Fita

Analiza spektralna widma gwiezdnego

Wstęp do astrofizyki I

Oddziaływanie promieniowania X z materią. Podstawowe mechanizmy

Fizyka elektryczność i magnetyzm

17. Który z rysunków błędnie przedstawia bieg jednobarwnego promienia światła przez pryzmat? A. rysunek A, B. rysunek B, C. rysunek C, D. rysunek D.

Wykład XI. Optyka geometryczna

Zjawisko interferencji fal

Podstawy fizyki wykład 8

E ω 2 p. dt a natężenie do czwartej potęgi częstości: I E 2

Prawa optyki geometrycznej

20. Na poniŝszym rysunku zaznaczono bieg promienia świetlnego 1. Podaj konstrukcję wyznaczającą kierunek padania promienia 2 na soczewkę.

Wyznaczanie zależności współczynnika załamania światła od długości fali światła

Wprowadzenie do technologii HDR

Laboratorium techniki laserowej. Ćwiczenie 5. Modulator PLZT

Zjawisko interferencji fal

Fizyka kwantowa. promieniowanie termiczne zjawisko fotoelektryczne. efekt Comptona dualizm korpuskularno-falowy. kwantyzacja światła

- 1 - OPTYKA - ĆWICZENIA

Dyfrakcja. interferencja światła. dr inż. Romuald Kędzierski

Feynmana wykłady z fizyki. [T.] 1.2, Optyka, termodynamika, fale / R. P. Feynman, R. B. Leighton, M. Sands. wyd. 7. Warszawa, 2014.

Elementy optyki relatywistycznej

Wykład 17: Optyka falowa cz.2.

Wstęp do astrofizyki I

Wykład 17: Optyka falowa cz.1.

Spektroskopia ramanowska w badaniach powierzchni

Wyznaczenie masy optycznej atmosfery Krzysztof Markowicz Instytut Geofizyki, Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski

Fale elektromagnetyczne w dielektrykach

Współczesne metody badań instrumentalnych

Opis matematyczny odbicia światła od zwierciadła kulistego i przejścia światła przez soczewki.

OPTYKA. Leszek Błaszkieiwcz

Optyka. Optyka geometryczna Optyka falowa (fizyczna) Interferencja i dyfrakcja Koherencja światła Optyka nieliniowa

Reflekcyjno-absorpcyjna spektroskopia w podczerwieni RAIRS (IRRAS) Reflection-Absorption InfraRed Spectroscopy

Pomiar długości fali świetlnej i stałej siatki dyfrakcyjnej.

Zwierciadło kuliste stanowi część gładkiej, wypolerowanej powierzchni kuli. Wyróżniamy zwierciadła kuliste:

Ćwiczenie 363. Polaryzacja światła sprawdzanie prawa Malusa. Początkowa wartość kąta 0..

Optyka. Optyka falowa (fizyczna) Optyka geometryczna Optyka nieliniowa Koherencja światła

Ćw. 20. Pomiary współczynnika załamania światła z pomiarów kąta załamania oraz kąta granicznego

Fala jest zaburzeniem, rozchodzącym się w ośrodku, przy czym żadna część ośrodka nie wykonuje zbyt dużego ruchu

Metody Optyczne w Technice. Wykład 5 Interferometria laserowa

Rozważania rozpoczniemy od fal elektromagnetycznych w próżni. Dla próżni równania Maxwella w tzw. postaci różniczkowej są następujące:

Podstawy elektrodynamiki / David J. Griffiths. - wyd. 2, dodr. 3. Warszawa, 2011 Spis treści. Przedmowa 11

Fale elektromagnetyczne. Obrazy.

WŁASNOŚCI FAL ELEKTROMAGNETYCZNYCH: INTERFERENCJA, DYFRAKCJA, POLARYZACJA

Rys. 1 Interferencja dwóch fal sferycznych w punkcie P.

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE

Ćwiczenie 12 (44) Wyznaczanie długości fali świetlnej przy pomocy siatki dyfrakcyjnej

Rodzaje fal. 1. Fale mechaniczne. 2. Fale elektromagnetyczne. 3. Fale materii. dyfrakcja elektronów

Laboratorium techniki światłowodowej. Ćwiczenie 3. Światłowodowy, odbiciowy sensor przesunięcia

POMIARY OPTYCZNE 1. Wykład 1. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

POMIAR APERTURY NUMERYCZNEJ

Optyka stanowi dział fizyki, który zajmuje się światłem (także promieniowaniem niewidzialnym dla ludzkiego oka).

Wykład FIZYKA II. 7. Optyka geometryczna. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Wykład XIV. wiatła. Younga. Younga. Doświadczenie. Younga

Jest to graficzna ilustracja tzw. prawa Plancka, które moŝna zapisać następującym równaniem:

Światło fala, czy strumień cząstek?

POMIAR DŁUGOŚCI FALI ŚWIETLNEJ ZA POMOCĄ SIATKI DYFRAKCYJNEJ I SPEKTROMETRU

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE W MEDYCYNIE

Wykład 3 Zjawiska transportu Dyfuzja w gazie, przewodnictwo cieplne, lepkość gazu, przewodnictwo elektryczne

przenikalność atmosfery ziemskiej typ promieniowania długość fali [m] ciało o skali zbliżonej do długości fal częstotliwość [Hz]

Rozpraszanie światła

PODSTAWY BARWY, PIGMENTY CERAMICZNE

ELEMENTY OPTYKI Fale elektromagnetyczne Promieniowanie świetlne Odbicie światła Załamanie światła Dyspersja światła Polaryzacja światła Dwójłomność

Fal podłużna. Polaryzacja fali podłużnej

Podstawy fizyki kwantowej

WYMAGANIA EDUKACYJNE Z FIZYKI

pobrano z serwisu Fizyka Dla Każdego zadania z fizyki, wzory fizyczne, fizyka matura

Własności optyczne półprzewodników

Jaki kolor widzisz? Doświadczenie pokazuje zjawisko męczenia się receptorów w oku oraz istnienie barw dopełniających. Zastosowanie/Słowa kluczowe

- Strumień mocy, który wpływa do obszaru ograniczonego powierzchnią A ( z minusem wpływa z plusem wypływa)

Metoda osłabionego całkowitego wewnętrznego odbicia ATR (Attenuated Total Reflection)

Zespolona funkcja dielektryczna metalu

Wstęp do astrofizyki I

POLARYZACJA ŚWIATŁA. Uporządkowanie kierunku drgań pola elektrycznego E w poprzecznej fali elektromagnetycznej (E B). światło niespolaryzowane

Ćwiczenia z mikroskopii optycznej

Zaznacz prawdziwą odpowiedź: Fale elektromagnetyczne do rozchodzenia się... ośrodka materialnego A. B.

Dzień dobry. Miejsce: IFE - Centrum Kształcenia Międzynarodowego PŁ, ul. Żwirki 36, sala nr 7

interferencja, dyspersja, dyfrakcja, okna transmisyjne Interferencja

Powierzchniowo wzmocniona spektroskopia Ramana SERS. (Surface Enhanced Raman Spectroscopy)

Polarymetr. Ćwiczenie 74. Cel ćwiczenia Pomiar kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji w roztworach cukru. Wprowadzenie

Jan Drzymała ANALIZA INSTRUMENTALNA SPEKTROSKOPIA W ŚWIETLE WIDZIALNYM I PODCZERWONYM

Transkrypt:

Wykład 11 Rozpraszanie elastyczne światła na drobinach Jeszcze raz o zasadzie Huygensa i roli konstruktywnej interferencji Rozpraszanie na obiektach kulistych i teoria Mie Rozpraszanie Rayleigha Dlaczego niebo jest niebieskie, słońce Ŝółte, a zachód bywa czerwony? LIDAR Światło rozproszone w wyniku transmisji przez powierzchnię (załamanie) Podobnie jak dla rozpraszania, wiązka załamana pozostanie fala płaską dla kierunku, dla którego zachodzi konstruktywna interferencja. wiązka padająca wiązka odbita wiązka załamana Konstruktywna interferencja pojawi się dla wiązki przechodzącej spełniającej prawo Snella. Rozpraszanie światła Kiedy światło napotyka materię, wzbudza drgania jej cząsteczek i i powoduje wypromieniowanie (wtórnych) fal elektromagnetycznych. Ze zjawiskiem rozpraszania światła związane są teŝ zjawiska dyspersji, interferencji i dyfrakcji. Rozpraszanie światła jest wszędzie obecne. Zachodzi na pojedyńczych cząsteczkach i rozciągłych powierzchniach. Rozpraszanie jest podstawą prawie wszystkich zjawisk fizycznych. Rozpraszanie niespójne: odbicie od szorstkiej powierzchni NiezaleŜnie od tego, z którego kierunku patrzymy na powierzchnię, kaŝda fala rozproszona na szorstkiej powierzchni ma róŝną fazę. Tak więc rozpraszanie jest niespójne; zobaczymy światło docierające z wielu kierunków. Rozpraszanie spójne zazwyczaj związane jest z jednym, lub kilkoma dobrze określonymi kierunkami; rozpraszanie niespójne odbywa się w wielu kierunkach. Rozpraszanie moŝe być spójne, bądź niespójne. 1 2

Rozpraszanie na obiektach kulistych Granica dwóch ośrodków Całkowite pole w obecności obiektu rozpraszającego jest sumą wektorową odpowiednich pól padających i rozproszonych fala padająca: pole fali płaskiej Na zewnątrz: pole fali rozproszonej Wewnątrz: pole fali załamanej E r, = E( r, + E ( r, out( i s ε in E in ε out n 1 E i n 2 W niektórych kierunkach zajdzie interferencja konstruktywna, w innych zaś interferencja destruktywna Podział pól na pole padające i rozproszone jest czysto matematyczną procedurą. Opis rozpraszania pola elektromagnetycznego na jednorodnej kulce o dowolnych właściwościach optycznych i rozmiarze Przy braku zewnętrznych ładunków i prądów poszukujemy pól harmonicznych wewnątrz: r r iωt E in (, ω ) = E in ( ) e i na zewnątrz kuleczki: r r iωt E out (, ω ) = E out ( ) e które spełniają: równania Maxwella + warunki graniczne pole fali załamanej fala padająca: pole fali płaskiej pole fali rozproszonej ε in ε out E r, = E( r, + E ( r, out( i s E i E in 3 4

Gustaw Mie, 1908 Równania Maxwella z warunkami brzegowymi na powierzchni kuli pole elektromagnetyczne fali płaskiej padające na cząstkę, pole rozproszone na kulce (na zewnątrz kulki) - poszukiwane pole załamane w jej wnętrzu. E out( r, = Ei ( r, E r, = E( r, + E( r, out( i s Opis rozpraszania Mie (klasyczna elektrodynamika!) polega na obliczeniu róŝnicy między tymi polami w funkcji parametrów charakteryzujacych obiekt rozpraszający. Pole E i nie jest modyfikowane! Rozwiązania pozwalają znaleźć wielości mierzone: natężenie światła rozproszonego w danym kierunku całkowite przekroje czynne na absorpcję i rozpraszanie: σ ekstynkcja = σ absorpcja + σ rozpraszanie Rozwiązania Mie zaleŝą od parametru rozmiaru (dla ustalonego współczynnika załamania kulki i jej otoczenia): 2πR x = λ out Gustaw Mie, 1908 Równania Maxwella z warunkami brzegowymi na powierzchni kuli pole elektromagnetyczne fali płaskiej padające na cząstkę, pole rozproszone na kulce (na zewnątrz kulki) - poszukiwane pole załamane w jej wnętrzu. Rozwiązania pozwalają znaleźć wielości mierzone: natężenie światła rozproszonego w danym kierunku całkowite przekroje czynne na absorpcję i rozpraszanie: Zależność od geometrii polaryzacyjnej i kąta rozpraszania: polaryzacja p: polaryzacja s: σ ekstynkcja = σ absorpcja + σ rozpraszanie Parametry zewnętrzne: promień kulki długość fali padającej funkcja dielektryczna (zespolony współczynnik załamania) kulki i jej otoczenia NatęŜenia światła rozproszonego w okolicy kąta prostego dla polaryzacji równoległej i prostopadłej do płaszczyzny rozpraszania w funkcji kąta θ dla cząstek wody (R =2000 nm, λ=488 nm) 5 6

ZaleŜność od geometrii polaryzacyjnej i kąta rozpraszania: Elastyczne rozpraszanie światła PrzybliŜenie Rayleigha a teoria Mie cząstka mała : Rozkład kątowy natęŝenia światła (λ=488nm) rozproszonego przez cząstkę (R=30nm) zgodnie z teorią Mie (bez przybliŝeń) dla polaryzacji: równoległej (linia czerwona) i prostopadłej (linia niebieska) do płaszczyzny rozpraszania oraz dla światła niespolaryzowanego (linia czarna). cząstka duŝa : Rozkład kątowy natęŝenia światła (λ=488nm) rozproszonego przez cząstkę kulistą (R=600nm) dla polaryzacji: równoległej (linia czerwona) i prostopadłej (linia niebieska) do płaszczyzny rozpraszania oraz dla światła niespolaryzowanego (linia czarna). Rysunki róŝnią się jedynie skalą radialną. a przybliŝenie Rayleigha Jeśli cząstka rozpraszająca jest duŝo mniejsza niŝ długość fali rozpraszanej: R<<λ natęŝenie światła rozpraszanego elastycznie obliczone w ramach teorii Mie odpowiada wynikowi opisu rozpraszania Rayleigha (opis dla cząstek nieabsorbujących, jednowymiarowych, zawyŝone rozpraszanie dla barwy niebieskiej niŝ czerwonej)). PrzybliŜenie Rayleigha -rozpraszanie światła na cząsteczkach o rozmiarach mniejszych od długości fali światła rozpraszanego w przejrzystych ciałach stałych i cieczach i gazach. Cząsteczki traktowane są jako dipole (jednowymiarowe), które pod wpływem padającej na nie niespolaryzowanej fali elektromagnetycznej są pobudzane do drgań i wypromieniowują energię w kierunku zaleŝnym od kierunku osi dipola Elastyczne rozpraszanie światła PRAWO RAYLEIGHA: PrzybliŜenie Rayleigha NatęŜenie promieniowania rozproszonego: 1 I IoN 4 λ Jeśli promieniowanie padające jest spektralnie złoŝone, (składa się z fal o róŝnych długościach), moŝemy oczekiwać, Ŝe promieniowanie o mniejszych długościach fali ulegnie rozproszeniu w większym stopniu, niŝ promieniowanie bardziej długofalowe. Nie jest więc prawdą, że czyste czyste gazy (powietrze) nie rozpraszają światła gazy (powietrze) nie rozpraszają światła!!! 7 8

Elastyczne rozpraszanie światła PrzybliŜenie Rayleigha dla cząsteczek: α -polaryzowalność czasteczki gdzie: R - odległość do cząstki, θ - kąt rozproszenia, n - współczynnik załamania światła materiału cząstki, d - średnica cząstki. Wnioski: rozproszenie światła zaleŝy silnie od długości fali świetlnej (w 4. potędze), światło jest rozpraszane we wszystkich kierunkach, występująca zaleŝność od kąta rozproszenia jest niewielka, światło rozproszenie w przód, ma takie samo natęŝenie jak światło rozproszone wstecz. 1 I I on 4 λ Niebieski kolor nieba: Rozpraszanie światła na cząsteczkach powietrz moŝna opisać w przybliŝeniu Rayleigha (są one duŝo mniejszcz niŝ λ). Gdy światło przechodzi przez atmosferę, jest rozpraszane we wszystkich kierunkach. Niebieskie światło rozpraszane jest bardziej intensywnie niŝ pozostałe barwy, gdyŝ jego długość fali jest krótsza. Barwa niebieska rozproszona w róŝnych kierunkach ulega ponownemu rozproszeniu. Dlatego w którymkolwiek kierunku obserwator spogląda na niebo jest ono błękitne Rozpraszanie elastyczne w atmosferze ziemskiej Niebieski kolor nieba: Dlaczego niebo nie jest fioletowe? Kiedy obserwujemy nasze otoczenie, zwykle nie zwracamy uwagi na zjawiska, do których przywykliśmy: Z analizy spektralnej wynika, Ŝe niebieska i fioletowa barwa nieba mają zbliŝone natęŝenia. Niebieski kolor odległych przedmiotów Błękitny kolor nieba śółty kolor słońca Czerwony kolor zachodu 9 10

Siatkówka oka ludzkiego Siatkówka jest stosem kilku warstw neuronalnych. W skład siatkówki wchodzą komórki receptorowe: czopki i pręciki. Pręciki są wraŝliwe na natęŝenie światła, pozwalają na widzenie czarno-białe, jest ich duŝo w częściach peryferyjnych siatkówki. Czopki skupione w centralnej części siatkówki (w plamce Ŝółtej 180,000 /mm 2) i odpowiadają za widzenie barwne. Zawierają trzy barwniki wraŝliwe na światło niebieskie, zielone i czerwone. Bo taka jest percepcja oka: barwa niebieska i fioletowa powodują pobudzenie tego samego czopka. Dlaczego słońce jest Ŝółte? Krótsze długości fali są w wyniku rozproszenia usunięte z widma wiązki przechodzącej, dlatego słońce wydaje się być Ŝółte. W przestrzeni kosmicznej słońce jest widziane przez człowieka jest białe, a niebo (to co nad głową?) jest czarne. Światło słoneczne Powietrze Jest to więc efekt fizjologiczny (sposób działania naszego oka) a nie fizyczny. Cząsteczki powietrza rozpraszają światło z natężeniem proporcjonalnym do ω 4. 1 I I on 4 λ Dlaczego słońce jest Ŝółte? Dlaczego słońce bywa czerwone? Widzialne widmo Słońca Światło takie (mimo prąŝków absorpcyjnych) widzimy jako światło (prawie) białe Ziemia Atmosfera Słońce i chmury mogą wydawać się czerwone. DłuŜsza droga w atmosferze Gdy powietrze jest bardzo czyste (rozpraszanie na malutkich cząsteczkach powietrza: azotu, 20,95% tlenu, 0,93% argonu), zachód słońca będzie wydawać się Ŝółty: światło pochodzące od słońca przebywa duŝą odległość przez powietrze i istotna część rozpraszania na barwie niebieskiej zachodzi z dala. Gdy Słońce leŝy nisko nad horyzontem, jego promienie pokonują dosyć długą drogę w atmosferze (na ogół zanieczyszczonej). Widmo światła ulega przesunięciu w kierunku niŝszych częstości (ku czerwieni) w skutek wydajniejszego rozproszenia na cząsteczkach aerosoli i innych zanieczyszczeń, kryształkach lodu z chmur itp.). Im więcej zanieczyszczeń, tym barwa ciemniejsza. 11 12

Dlaczego zachód słońca bywa czerwony? LIDAR Światło zielone, niebieskie i fioletowe rozprasza się bardziej na zanieczyszczeniach, niŝ czerwone, pomarańczowe i Ŝółte Chmury teŝ mogą wydawać się czerwone. Zalety lidarów są dość oczywiste. MoŜna za ich pomocą zdalnie mierzyć koncentracje składników (w tym zanieczyszczeń) powietrza. Pozwalają one takŝe prowadzić "lotne" kontrole składu dymów kominowych. Gdy powietrze jest zanieczyszczone drobnymi cząsteczkami, widmo światła rozproszonego ulega przesunięciu w kierunku niŝszych częstości (ku czerwieni). Im więcej zanieczyszczeń, tym barwa ciemniejsza. Lidary mają teŝ swoje wady i ograniczenia: Zasięg lidarów jest nieduŝy w stosunku do typowych potrzeb monitorowania stanu atmosfery. Stosowalność lidaru zaleŝna jest w duŝym stopniu od pogody, Lidar nie moŝe działać w czasie zbyt gęstej mgły lub deszczu. LIDAR LIDAR jest akronimem angielskiej nazwy Light Detection And Ranging i jest oczywiscie podobne do słowa RADAR będącego akronimem nazwy Radio Detection And Ranging. Podobieństwo dotyczy zresztą nie tylko nazw - obydwa urządzenia pracują na podobnej zasadzie. Budowa: Lidar składa się z: 1. lasera impulsowego generującego krótkie i silne impulsy światła o wybranych długościach fali, 2. układu optycznego pozwalającego kierować światło lasera w wybranym kierunku, 3. teleskopu (Newtona) zbierającego światło laserowe rozproszone do tylu, 4. detektora promieniowania rejestrującego natęŝenie światła rozproszonego, 5. układu elektronicznego synchronizującego pomiary, 6. komputera sterującego całością. Wiązka światła w próŝni jest niewidoczna Jeśli patrzymy na wiązkę światła, która rozchodzi się w czystym powietrzu, na ogół jej nie widzimy. Związane jest to z faktem, Ŝe powietrze stanowi ośrodek bardzo rozrzedzony (N jest względnie małe), cząsteczki powietrza rozpraszają niespójnie i mają niewielkie zdolności rozpraszające. To oko prawie nie widzi światła Aby zrobić zdjęcie wiązki laserowej w laboratorium, trzeba nadmuchać zwykle trochę dymu. To oko jest oślepione (nie rób tak!!!) 13 14

Następny wykład odbędzie się 11 stycznia 2010r Konsultacje odbędą się 25 stycznia 2010r. (czwartek) w pokoju 4, budynek VIII (lub w sali wykładowej). Egzamin Na egzamin w terminie zerowym zapisywać się moŝna po wykładzie 11 stycznia 2010r, lub w pokoju 4, budynek VIII. 15