Прозорістьіпоглинанняоптичнихматеріалів

Особливості повітря як оптичного середовища

Вивчення оптичних властивостей повітря, моря і суші складає прямі задачі атмосферної оптики. Зворотні задачі – розробка оптичних методів зондування, тобто визначення по виміряним оптичним властивостям повітря, моря і суші інших їх фізичних характеристик.

Оптичні явища в нижніх і верхніх шарах атмосфери (шар озону і вище) різні. У верхніх шарах під впливом сонячного випромінювання відбуваються головним чином фотохімічні реакції. Виникаючі при цьому збуджені частинки висвічують запасену енергію (полярні сяйва, світіння нічного неба та ін.) Вивченням цих явищ займається аерономія.

Інтерес до оптичних явищ в атмосфері виник дуже давно. Колір неба і хмар, зорі, помилкові сонця і т. д. з давніх пір вважалися провісниками погоди. Таких прикмет досить багато і у свій час вважалося навіть, що їх вивчення і є головне завдання атмосферної оптики. Цієї точки зору дотримувався російський геофізик П. І. Броун (30-ті рр.. XXст.). Однак більш детальні дослідження показали, що хоча між оптичними та іншими фізичними явищами в атмосфері зв'язок безсумнівно існує, але часто він буває дуже складниим і неоднозначним; оптичні ознаки погоди іноді суперечать один одному. Поступово стало ясно, що знайти зв'язок між оптичними явищами і погодою можна, лише вивчаючи природу оптичних явищ і одночасно проникаючи в механізм фізичних явищ, що викликають зміни погоди.

Перші спроби пояснити синій колір неба відносяться до XVI ст. Леонардо да Вінчі пояснював синяву небесного склепіння тим, що біле повітря на темному тлі світового простору здається синім. Л. Ейлер вважав (1762), що «самі частинки повітря мають синюватий відтінок і в загальній масі створюють інтенсивну синяву». На початку XVIII ст. І. Ньютон пояснював колір неба інтерференційним відображенням сонячного світла від найдрібніших крапель води, завжди зважених у повітрі. У 1809 році французький фізик Д. Араго відкрив, що світло неба сильно поляризоване.

Перше правильне пояснення синього кольору неба дав англійський фізик Релей (Дж. У. Стрет) (1871, 1881). За теорією Релея кольорові промені, що утворюють сонячний спектр, розсіюються молекулами повітря пропорційно λ^-4(де λ – довжина світлової хвилі). Сині промені розсіюються, приблизно, в 16 разів сильніше, ніж червоні. Тому колір неба (розсіяне сонячне світло) – синій, а колір Сонця (пряме сонячне світло), коли воно низько над горизонтом і промені його проходять великий шлях в атмосфері, - червоний. При цьому розсіяне світло повине бути сильно поляризоване, а під кутом 90 ° від напрямку на Сонце поляризація повинна бути повною.

Вимірювання яскравості, кольору і поляризації світла неба підтвердили теорію Релея. Але в 1907 році російський фізик Л. І. Мандельштам показав, що якщо тіло, в тому числі і повітря, суворо однорідне, то промені, розсіяні окремими молекулами, повинні в результаті взаємної інтерференції гасити один одного так, що ніякого розсіювання взагалі спостерігатися не буде. В дійсності через хаотичний тепловий рух в середовищі завжди виникають флуктуації щільності (тобто випадково розташовані області згущень і розріджень), на яких і відбувається розсіяння. Строга теорія флуктуаційного розсіювання, розроблена польським фізиком М. Смолуховським (1908) і А. Ейнштейном (1910), призвела до тих же формул, які були раніше отримані в молекулярній теорії Релея. Однак всі ці роботи не враховували запиленості атмосфери. Повітря, навіть найчистіше, - високо в горах, в Арктиці й Антарктиці – завжди засмічене органічним і мінеральним пилом, частинками диму, крапельками води або розчинів. Ці частинки дуже малі (радіус близько 0,1 нм), їх маса, а отже, і вага незначні, тому вони так повільно падають на Землю, що найменший струм повітря знову здіймає їх нагору. Таке повітря безупинно перемішується, то в атмосфері завжди ширяє як би мережа з дрібних порошин і крапель, особливо густа в нижніх приземних шарах. Це атмосферний аерозоль, який і є головною причиною мутності повітря. Він зменшує дальність видимості в реальній атмосфері, в порівнянні з ідеальною, приблизно в 20 разів. Крім аерозолю, велику роль в оптичних явищах в атмосфері відіграють водяна пара, вуглекислий газ і озон, хоча вони становлять всього декілька відсотківвід обсягу газів, з яких складається повітряна суміш. Тільки ці гази поглинають сонячне і земне випромінювання і самі випромінюють радіацію.

У розсіянні світла в атмосфері вирішальне значення має аерозоль. Німецький фізик Г. Мі (1908) побудував теорію розсіювання світла частинкою довільного розміру, яку широко користовують в атмосферній оптиці. Ця теорія була істотно розвинена і доповнена радянськими вченими В. В. Шулейкиним (1924), В. А. Фоком (1946), К. С. Шифріним (1951) і голландським ученим Хюлстом (1957). Розрахунки показують, що характер розсіяння залежить від відношення радіуса частинки α до довжини хвилі λ і від речовини частинки. Малі частки (α / λ «1) поводяться так само, як молекули в теорії Релея, але чим більше частинки, тим слабша залежність розсіяння від довжини хвилі. Великі частинки (α / λ »1) розсіюють світло нейтрально – всі хвилі однаково. Це, зокрема, відноситься до крапель хмар, радіуси яких в 10-20 разів більше довжини хвилі видимого світла. Саме тому хмари мають білий колір. З цієї ж причини небо стає білястим, якщо повітря містить пилинки або крапельки води. У дослідженнях яскравості й поляризації неба великий внесок внесли радянські вчені В. Г. Фесенков, І. І. Тіхановскій, Є. В. Пясковська-Фесенкова, а у дослідженнях прозорості хмар, туманів, нижніх шарів атмосфери – А. А. Лебедєв, І . А. хвостик, С. Ф. Родіонов, американські вчені Д. Стреттон і Г. Хаутон, французькі вчені Е. і А. Васею, Ж. Брікар.

Поряд з експериментальними роботами створювалися також методи розрахунку розподілу яскравості й поляризації по небу, для чого необхідно враховувати багаторазовість розсіювання світла і віддзеркалення від земної поверхні. Для цього випадку російським фізиком О. Д. Хвольсоном (1890) було запропоновано рівняння переносу випромінювання. Для безхмарного неба вплив багатократного розсіяння не дуже великий, але для хмар, які являють собою сильно каламутні середовища, це – основний фактор, без якого не можна правильно розрахувати прозорість хмар, відображення і світловий режим усередині них. Великий внесок у розробку методів рішення рівняння переносу внесли радянські вчені В. А. Амбарцумян (1941-43), В. В. Соболєв (1956), Е. С. Кузнєцов (1943-45) та індійський учений С. Чандрасекара (1950) .

Видимість предметів обумовлена насамперед прозорістю повітря, а також їх відбивними властивостями. Відображення дифузно, тобто розсіяно на всі боки (за винятком відбиття від поверхні спокійної води) і для різних поверхонь відбувається по-різному, в результаті чого (для несамосвітних тіл) виникає яскравосний контраст предмета з тлом. Якщо контраст більше деякого порогового значення, то предмет видно; якщо менше, то предмет втрачається на загальному тлі. Дальність видимості предмета залежить від прозорості повітря і від освітленості (в сутінки і вдень поріг розрізнення неоднаковий). Видимість (прозорість атмосфери) входить до числа основних метеорологічних елементів, спостереження над якими ведуть метеорологічні станції. Дослідження умов, що впливають на горизонтальну і похилу видимість (на фоні неба або Землі) - важлива прикладна задача атмосферної оптики. В її рішенні значні результати отримали радянські вчені В. В. Шаронов, Н. Г. Болдирев, В. А. Березкін, В. А. Фаас, німецький вчений Х. Кошмидер, канадський учений Д. Мідлтон.

Велике значення має вивчення умов поширення ватмосфері невидимих інфрачервоних хвиль довжиною 3 - 50 мкм, які обумовлюють променисту передачу тепла (механізм її полягає в поглинанні і наступного перевипромінювання). Дуже важливі прямі вимірювання у вільній атмосфері, які можуть бути виконані з літаків або з штучних супутників Землі (ШСЗ). У дослідженні променистої теплопередачі істотні результати були отримані радянськими вченими А. І. Лебединським, В. Г. Кастровим, К. Я. Кондратьєвим, Б. С. Непорентом, Є. М. Фейгельсоном і американськими - Д. Хоуарда і Р. Гуді.

При постановці обернених задач атмосферної оптики виникають дві труднощі:

по-перше, потрібно встановити, що в оптичної інформації містяться потрібні дані;

по-друге, - вказати спосіб їх вилучення і необхідну точність вимірювань.

В. Г. Фесенков ще в 1923 показав, що по зміні яскравості сутінкового неба можна судити про будову атмосфери на висотах більше 30 км. Через 30 років відомості про будову стратосфери й іоносфери, отримані безпосередньо за допомогою ракет, підтвердили дані сутінкового методу. У розвиток сутінкового методу внесли значний внесок радянські вчені Г. В. Розенберг, Н. М. Штауде. Вдалося розробити кілька методів, що дозволяють досліджувати будову мутних середовищ за особливостями їх світлорозсіювання, які знайшли застосування не тільки в геофізиці. НайбільшийінтересвикликаєрозробкаметодівзондуванняатмосферизШСЗдлявизначеннятемпературиземноїповерхніабохмарпоінфрачервономувипромінюванню, щоприходитьнасупутник. Досліджуєтьсятакожспосібвизначеннявертикальнихпрофілівтемпературиівологостізахарактеромприходитьвипромінювання. УрозробціцьогометодуважливірезультатиотриманірадянськимвченимМ. С. Малкевічем, американським - Л. Капланоміяпонським - Г. Ямамото.

Прозорістьіпоглинанняоптичнихматеріалів

    Прозорість (інапівпрозорість) - фізичнахарактеристикаоптичнихматеріалів, щовиражаєздатністьсвітлапройтичерезсередовище; величина, оберненасвітлопоглинанню(непрозорість). Напівпрозорістьпов'язаназсвітлорозсіюванням. Колисвітловзаємодієзматеріалом, характерцієївзаємодіїзалежатьвідприродисвітла (йогодовжинихвилі, частоти, енергії, іт.д.) івідприродаматеріалу. Світловіхвилівзаємодіютьзматеріальнимисередовищамивпроцесівиборчоговідбиттясвітлата / абойогопроходженнявматеріалі (поглинання, розсіювання, заломлення).
    Наприклад, середовища типу оптичного скла і чистої води, дозволяють велику частину променів світла, що падає на них, проводити з малою частиною відбитих променів. Такі матеріали називають оптично прозорими. Багато рідин і водних систем практично обсолютно прозорі. Відсутність структурних дефектів (порожнечі, тріщини, і т.д.) і молекулярна структура більшості рідин, що найголовніше, відповідальна за чудову оптичну передачу.
    Матеріали, якінепередютьсвітло, називаютьнепрозорими. Багатотакихречовинмаютьхімічнийсклад, якийвключаєте, щозгадується, якцентрипоглинання.Частинаінгредієнтівхарактеризуютьсяїхпоглинаннямпевногодіапазонучастотбілогосвітла. Вони поглинають певні промені видимого спектру, відображаючи інші. Частоти спектра, які не поглинені і відображені, це промені світла, які ми сприймаємо візуально нашими органами зору (очі). Це те, що створює світ квітів і фарб. Ослаблення світла всіх частот і довжин хвиль відбувається через об'єднані механізми поглинання і розсіювання.

Поглинання легких, первинних матеріальних елементів включає:

· На електронному рівні - поглинання в зоні спектру світла УФ та області видимих променів спектру. У разі чи є електрон orbitalsроздільним (або квантованим) і такий, коли вони можуть поглинути квант світла (або фотон) певної частоти, а також не порушують правила відбору. Наприклад, у більшості атомів електрони не мають жодних доступних рівнів енергії вище них в діапазоні пов'язаного з видимим світлом. В даному випадку поглинання, якщо вони це роблять, то вони порушують правила відбору. Таким чином, немає ніякого помітного поглинання в чистих (нелегованих) з'єднаннях, що робить їх ідеальним прозорим матеріалом, наприклад, для вікон в будівлях.

· На атомному або молекулярному рівні, фізичне поглинання в інфрачервоній частині спектру залежить від частот атомних або молекулярних коливань або хімічних сполук, і також підпорядковане правилам поглинання. Азот і кисень будучи не в змозі газів, не поглинає промені у зв'язку з відсутністю молекулярного дипольного моменту.

Щодорозсіюваннясвітла (дисперсії), найкритичнішийфактор – величинадовжинихвилібудь-якихзцихструктурнихособливостейщододовжинихвилірозсіюваногосвітла.

Первинними матеріальними середовищами для розгляду є:

· Прозора структура: яка залежить від того, наскільки запакований після її утворення її атоми або молекули і чи дійсно атоми або молекули є постійними, визначальними прозорі середовища у вигляді твердих частинок.

· Гладка структура: де розсіяні центри мають коливання щільності та / або складу.

· Мікроструктура: коли розсіяні центри включають внутрішні поверхні, типу зерен, меж зерна і мікроскопічні пори.

2.1. Природа світла

Поширююча (видима) енергія – енергія, яка поширюється у вигляді електромагнітних хвиль. Тип світла, що ми сприймаємо через нашу зорову систему (оптичні датчики (очі)), прийнято називати білим, що включає діапазон кольорів (ROYGB: червоний, оранжевий, жовтий, зелений, синій) по діапазону довжин хвилі, або частот. Видиме (біле) світло – тільки маленька частина (діапазон довжин хвиль) всього спектра електромагнітного випромінювання. У діапазоні коротких довжин хвиль розташовані невидимі ультрафіолетові(УФ) промені світла. У ще більш коротких довжин хвиль, ніж УФ розташовані рентгенівські і гамма-промені. У зоні з більш довгими хвилями, в кінці того спектра розташовані інфрачервоні промені світла (ІЧ), які використовуються для вечірнього бачення і інших пристроїв з наведенням по тепловому променю. У більш довгих довжинах хвилі, ніж інфрачервоний - мікрохвильові печі (радар), і радіо / телевізійні хвилі.

Електромагнітнарадіаціякласифікованазгідночастоті (абодовжинахвилі, якаєоберненопропорційноючастоті) світла. Це застосовується (в разі збільшення частоти) в:

 радіохвилях,

 мікрохвильових печах,

 радіації терагерц,

 інфрачервоної радіації,

 видимих легких ультрафіолетових випромінювачах, * рентгенівських і гамма випромінюваннях.

Зних, радіохвилімаютьнайдовшідовжинихвилі, ігамма-променімаютьнайкоротший. Маленький діапазон частот, названих видимим(або білим світлом), складає частину спектру, сприйманий неозброєним оком різних організмів.

Найпростішапередачапучкасвітлавідбуваєтьсячерезйогомалоінерціальнівластивості – відсутністьмаси. Звідки йде назва як легкий промінь. У силу цього промінь світла поширюється по прямій лінії. Легкі промені взаємодіють з матеріалами (рідини і тверді частинки) декількома різними способами; це у вигляді поглинання, відбиття або передачею об'єктом. Уразі відображення, взаємодія залежить від фізичної та хімічної властивості речовини. Якщо поверхня матеріалів абсолютно гладка (наприклад дзеркало), промені світла усі разом піддаються повному відображенню (або дзеркальне відображення) під кутом відбиття з паралельними лініями між собою.

2.2. Легке розсіювання

Поверхні з грубою шорсткістю, з підвищеною мікронерівністю змушують промені світла відбиватися в багатьох випадкових напрямках.Цей тип відображення називають «розкиданим відображенням» і воно наочно характеризується широкою різноманітністю кутів відбиття.Більшість об'єктів, видимих оку, ідентифіковано через розкидане відображення.Іншийвипадок, щочастовикористовуєтьсядляцьоготипувідображенняь – «розсіюваннясвітла». Розсіювання світлових променів від поверхонь об'єктів – наш початковий механізм спостереження з точки зору фізики процесу.

Рис.2.1.Розкидане відображення

Легке розсіювання в рідинах і твердих частинках логічно залежить від довжини хвилі розсіюваного світла.Межі оцінки видимості (використовуючий біле світло), тому виникають, залежно від частоти світлової хвилі і фізичного виміру (або просторовий масштаб) центру розсіювання.Наприклад, видиме світло з масштабом довжини хвилі при постановці експерименту величиною в мікрометр (мільйонна частка метра), розсіяні центри (або частки) всього в один мікрометр спостерігалися безпосередньо в оптичному мікроскопі з опорним світловим освітленням (наприклад, при броунівському русі).

2.3.Поглинання світла в твердих частинках

Коли світло падає на об'єкт, це зазвичай відбувається тільки з різними частотами (довжинами хвиль). Об'єкти зазвичай вибірково поглинають, відбивають або проводять світло певних частот. Таким чином, наприклад, один об'єкт може відобразити зелене світло, поглинаючи всі інші частоти видимого світла. Інший об'єкт міг би вибірково передати синє світло, поглинаючи всі інші частоти видимого спектру. Манера, в якій видиме світло взаємодіє в об'єкті, залежить від частоти світла, природи атомів в об'єкті, і часто від характеристик електронів в атомах об'єкта.

Рис.2.2.Католицька церква Meining, стакан ХХ ст.

Деякі матеріали дозволяють велику частину світла, що падає на них, щоб бути переданими через матеріал без того, і щоб бути відбитими. Матеріали, які дозволяють передачу світлових хвиль через них, називають оптично прозорими. Хімічно чисте (нелеговане) скло вікна і чиста річка або джерельна вода – очевидні приклади цього.

Матеріали, які не дозволяють передачу будь-яких легких частот хвилі, називають непрозорими. Такі речовини мають хімічний склад, який включає те, що називається поглинальними центрами. Більшість об'єктів складаються з матеріалів, які є відбірними в їх поглинанні білих світлових частот. Таким чином, вони поглинають певні частини видимого спектру світла, відбиваючи інші. Частоти спектра, які не поглинені, або відображені назад або передані для нашого об'єктивного спостереження.Видима частина спектра, це – те, що дозволяє нам отримати кольори фарб.

Укатолицькійцеркві Meiningen, застосованескло 20-огостоліття, якеміститьрізніхімічніелементи, відповідальнізапоявупевнихдовжинхвилівидимогосвітла, щовпливаютьнасприйняттякольоріввідвідувачів. Удіапазонідовжинхвильвідбільшдовгої (0,7 мікрометра) добільшкороткої (0,4-мікрометрового) отримуємоефектперенесеннякольорівімибачимо: червоний, оранжевий, жовтий, зеленийісиній (ROYGB). Механізми добірного колірного поглинання світлової хвилі включають:

ü Електронний: переходи в електронних рівнях енергії в межах атома (наприклад пігменти). Ці переходи знаходяться як правило в ультрафіолетових і / або видимих спектрах спектру.

ü Вібраційний: резонанс в атомних / молекулярних вібраційних способах. Ці переходи знаходяться зазвичай в інфрачервоній частині спектру.

2.4. Інфрачервоне світло

Первинний закон збереження механічної енергії руху в стислому стані в підсумку пов'язаний з високою температурою, або тепловою енергією. Теплова енергія проявляється як енергія руху. Таким чином, висока температура – рух на атомних і молекулярних рівнях. Первинний спосіб руху в прозорих речовинах – вібрація. Будь-який даний атом буде вібрувати щодо середнього положення або становити в середньому положення в межах прозорої структури, оточеній її найближчими сусідами. Ця вібрація в 2 вимірах еквівалентна коливанням маятника годинника. Тобто відбувається маятникове кочення назад і вперед симетрично відносно менше середнього положення або бути в середньому в вертикальному положення. Атомні і молекулярні вібраційні частоти можуть бути досягнуті в середньому з 1012 циклами ((2х1012) герц.

Колилегкахвиляданоїчастотистикаєтьсязматеріалом, зчастинками, щомаютьтіжсаміабо (резонансні) вібраційнічастоти, тодітічастинкипоглинутьенергіюсвітловоїхвилііперетворюютьцевтепловуенергіювібраційногоруху. Так як різні атоми і молекули мають різні природні частоти вібрації, вони вибірково поглинуть різні частоти (або частини спектру) інфрачервоних променів світла. Відображення та передача легких хвиль відбуваються, тому що частоти світлових хвиль не збігаються з природними резонансними частотами вібрації об'єктів. Коли інфрачервоний промінь світла цих частот падає на об'єкт, то енергія може бути відображена або передана.

Якщо об'єкт прозорий, то світлові хвилі передаються сусідніми атомами здебільшого матеріалу і повторно випускаются з протилежного боку об'єкта. Такі частоти світлових хвиль, як кажуть, передані (наприклад, лінза (оптика)).

2.5. Ультрафіолетове світло

Оптичні властивості речовин в ультрафіолетовій області спектру значно відрізняються від їх оптичних властивостей у видимій області. Характерною межею є зменшення прозорості (збільшення коефіцієнта поглинання) більшості тіл, прозорих у видимій області. Наприклад, звичайне склонепрозоре при інтенсивності випромінювання — I < 320 нм; в більш короткохвильовій області прозорі лише увіолевескло, сапфір, фтористий магній, кварц, флюорит, фтористий літій і деякі інші матеріали. Найдальшу межу прозорості (105 нм) має фтористий літій.

Рис.2.3.Флуоресценція мінералів на різних довжинах хвиль при УФ-опроміненні

Для I < 105 нм прозорих матеріалів практично немає. З газоподібних речовин найбільшу прозорість мають інертні гази, межа прозорості яких визначається величиною їхнього іонізаційного потенціалу. Найкороткохвильовішу межу прозорості має гелій (He) — 50,4 нм. Повітря непрозоре практично при I < 185 нм через УФ-поглинання киснем.

Коефіцієнт відбиття всіх матеріалів (у тому числі металів) зменшується із зменшенням довжини хвилі випромінювання. Наприклад, коефіцієнт відбиття свіжонапиленого алюмінію (Al), одного з кращих матеріалів для дзеркальних покриттів, у видимій області спектру, різко зменшується при I < 90 нм. Віддзеркалення алюмінію значно зменшується також унаслідок окислення поверхні. Для захисту поверхні алюмінію від окислення застосовуються покриття з фтористого літію або фтористого магнію. В області I < 80 нм деякі матеріали мають коефіцієнт відбиття 10-30% (золото (Au), платина (Pt), радій (Ra), вольфрам (W) та ін.), проте при I < 40 нм їхній коефіцієнт віддзеркалення знижується до 1% і менше.

Дата добавления: 2018-05-31; просмотров: 288; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!