Материал: Uchebnoe_posobie_Optika

УДК 53 (071)

Научные консультанты:

д.б.н., профессор Кириллов С.К. (зав. кафедрой медицинской и биологической физики СГМА)

д.п.н., профессор Волкова С.А. (ведущий научный сотрудник ГНУ ИСМО РАО)

Рецензенты:

кандидат физико-математических наук, доцент Цыганок В.И. (доцент кафедры экологии и природопользования Смоленского гуманитарного университета)

кандидат химических наук, доцент Дьяков М.Ю. (доцент кафедры общей и медицинской химии Смоленской государственной медицинской академии)

Авторы:

к.п.н., доцент кафедры медицинской и биологической физики СГМА Светлана Николаевна Деревцова старший преподаватель кафедры медицинской и биологической физики СГМА Ирина Николаевна Соловьёва

Материал, изложенный в пособии, соответствует программе курса “Физика” для студентов фармацевтических вузов (факультетов), составленной в соответствии с государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования.

В учебном пособии рассматриваются закономерности излучения, поглощения и распространения света, теория атома и элементы физики атомного ядра, элементарных частиц, атомная оптическая и рентгеновская спектроскопия. Особое внимание уделено связи физики с химией, фармацевтическими и медицинскими науками.

Физика в фармацевтических вузах и на фармацевтических факультетах являются предметом, необходимым для изучения химических и профильных дисциплин, которые преподаются параллельно с данным предметом или на последующих курсах. Физика является основой для изучения физической и коллоидной химии, органической, аналитической, фармацевтической, биофизической химии, а также анатомии и физиологии.

Фундаментальность, значимость и интегрирующая роль курса физики и биофизики способствует формированию профессиональных знаний и умений студентов фармацевтического факультета.

Пособие рекомендуется студентам очного и заочного отделений фармацевтического факультета в качестве учебного пособия для самостоятельной подготовки к учебной аттестации по дисциплине “Физика”.

Физика: Оптика. Квантовая природа излучения. Элементы физики атомов, атомного ядра и элементарных частиц/ Учебное пособие для студентов очного и заочного отделений фармацевтического факультета / С.Н. Деревцова, И.Н. Соловьёва – Смоленск, 2012, 120 с.

2

I. Оптика

Оптика (греч. optos – видимый) – раздел физики, в котором изучаются процессы распространения света и взаимодействие света с веществом.

Для распространения света не нужно никакой материальной среды. Это впервые установил Э. Торричелли. Он заметил, что предметы хорошо видны через верхнюю часть его барометра, в которой возникает вакуум.

Для понимания природы света много сделали X. Гюйгенс, разработавший волновую теорию света, и Ньютон, считавший, что свет – это поток маленьких частиц – корпускул.

То, что свет представляет собой электромагнитные волны очень малой длины ~ 0,5 мкм (1 микрометр = 10 -6м), было впервые предположено Максвеллом в 1865 г. Максвелл исходил из равенства скоростей распространения электромагнитных волн и света. Это предположение получило подтверждение в опытах Герца, который получил электромагнитные волны и Лебедева, который наблюдал дифракцию и интерференцию электромагнитных волн.

Планк в 1900 г. установил, что свет испускается и поглощается дискретно, отдельными порциями – квантами или фотонами. Таким образом, свет имеет двойственные корпускулярно-волновые свойства. Характеристиками световых волн являются: частота колебания векторов напряженности электриче-

ского E и индукции магнитного B полей, длина волны λ и т.д. Вектор E называется световым вектором. Длину волны можно вычислить по формулам:

ски равная скорости света в воздухе, – частота, Т – период колебаний светового вектора.

Исследования видимого света относятся не только к области физики, но и к физиологии. В этом отношении оптика подобна акустике.

1. Шкала электромагнитных волн. Характеристики световых волн.

Электромагнитные волны классифицируются подлине волныλ:

Единицы измерения: 1мкм = 10-6м – 1 микрометр, 1нм=10-6м– 1нанометр.

На рисунке диапазоны γ–лучей и рентгеновских лучей (открыл Рентген) перекрываются, т.к. в данном случае классификация идет не по длине волны, а по принципу получения лучей. Рентгеновские лучи возникают при переходах электроновнаорбитах атома, а γ–лучи излучаются из ядра при ядерных реакциях.

3

Видимый свет дает человеку 90% всей информации об окружающей среде. В зависимости от длины волны видимый свет вызывает в глазе качественно различныеощущения– цвет.

Монохроматическим называют излучение какой-либо одной длины волны. По ощущению это определенный цвет спектра: красный, оранжевый, желтый, зе-

леный,голубой,синий,фиолетовый.

Белый свет содержит все волны видимого диапазона в определенном соотношениипоинтенсивности– это соотношениеопределяетсяСолнцем.

Луч – это линия, вдоль которой распространяется поток энергии волны; воображаемая линия, указывающая направление распространения световой волны.

Фронт световой волны – совокупность близлежащих точек, имеющих одинаковую фазуколебаний; поверхность, до которой световая волна распростра-

явления с точки зрения волновой природы света и геометрическую оптику, рассматривающую методы построенияизображенийвоптическихсистемах.

2. Элементы геометрической оптики

Раздел оптики, изучающий законы распространения световых волн в предельном случае нулевой длины волны = 0, называется геометрической опти-

кой.

В геометрической оптике пренебрегают явлениями, зависящими от длины волны, такими как интерференция, дифракция и т.д.

При переходе из одной среды в другую или из вакуума в вещественную среду световой поток: 1). Отражается от поверхности раздела сред; 2). Преломляясь, проходит внутрь второй среды.

Еще до установления природы света были известны следующие основ-

ные законы оптики: закон прямолинейного распространения света в оптически однородной среде; закон независимости световых пучков (справедлив только в линейной оптике); закон отражения света; закон преломления света.

Геометрическая оптика, оставаясь приближённым методом построения изображения в оптических системах, позволяет разобрать основные явления, связанные с прохождением через них света, и является основой теории оптических приборов.

4

2.1. Основные законы оптики и их использование

Закон прямолинейного распространения света: свет в оптически од-

нородной среде распространяется прямолинейно.

Доказательством этого закона является наличие тени с резкими границами от непрозрачных предметов при освещении их точечными источниками света (источники, размеры которых значительно меньше освещаемого предмета и расстоянии до него). Однако эксперименты показали, что этот закон нарушается, если свет проходит сквозь очень малые отверстия, причем отклонение от прямолинейности распространения тем больше, чем меньше отверстия.

Закон независимости световых пучков: эффект, производимый от-

дельным пучком, не зависит от того, действуют ли одновременно остальные пучки или они устранены. Разбивая световой поток на отдельные световые пучки (например, с помощью диафрагм), можно показать, что действие выделенных световых пучков независимо.

Если свет падает на границу раздела двух сред (двух прозрачных веществ), то падающий луч разделяется на два – отраженный и преломленный, направления которых задаются законами отражения и преломления.

Отражениесвета

Рассмотрим отражение света от гладких полированных поверхностей –

зеркальноеотражение.

Зеркальное отражение света наблюдается, если размер шероховатостей отражающей поверхности мал по сравнению с длиной волны падающего света. Если размер шероховатостей соизмерим или больше длины волны света, то отражение будет диффузным, а поверхность называется матовой. Например, отражение света от белого листа бумаги.

Законы отражения света:

1. Лучи падающий, отраженный и перпендикуляр в точку падения лежат в одной плоскости. 2. Уголпаденияравен углуотражения.

Угол падения – это угол между падающим лучом и перпендикуляром в точку падения луча, угол отражения – угол между отражённым лучом и перпендикуляром в точку падения луча.

Преломления света

При переходе света из одной среды в другую изменяется длина волны и скорость света, но частота остаётся постоянной, ν = const. Явление изменения направления световых лучей при переходе из одной среды в другую называется пре-

ломлением или рефракцией света. Абсолютным показателем преломления на-

зывается отношениескорости светаввакууме к скорости света в среде: n c . Аб-

солютныйпоказательпреломлениядля воздухаn~1.

5