Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Rozpraszanie elastyczne światła na drobinach Jeszcze raz o zasadzie Huygensa i roli konstruktywnej interferencji Rozpraszanie na obiektach kulistych i.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "Rozpraszanie elastyczne światła na drobinach Jeszcze raz o zasadzie Huygensa i roli konstruktywnej interferencji Rozpraszanie na obiektach kulistych i."— Zapis prezentacji:

1 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 żółte, a zachód bywa czerwony? LIDAR

2 Rozpraszanie światła Kiedy światło napotyka materię, wzbudza drgania jej cząsteczek i i powoduje wypromieniowanie (wtórnych) fal elektromagnetycznych. Ze zjawiskiem rozpraszania światła związane są też zjawiska dyspersji, interferencji i dyfrakcji. Rozpraszanie światła jest wszędzie obecne. Zachodzi na pojedyńczych cząsteczkach i rozciągłych powierzchniach. Rozpraszanie jest podstawą prawie wszystkich zjawisk fizycznych.

3 Rozpraszanie przez poszczególne cząsteczki jest słabe, ale wiele takich rozproszeń może się dodać, (szczególnie, gdy jest to rozpraszanie spójne i konstruktywne) i dać makroskopowy efekt. zasada Huyghensa Odbicie od porowatych powierzchni (odbicie dyfuzyjne), dyfrakcja, odbicie i załamanie światła można tłumaczyć rozpraszaniem światła ( zasada Huyghensa ). Fale te interferują ze sobą. Wypadkową powierzchnię falową tworzy powierzchnia styczna do wszystkich powierzchni fal cząstkowych i ją właśnie możemy obserwować. promieniowanie rozproszone. Fala elektromagnetyczna oddziałując z materią powoduje jej drgania i wypromieniowanie (wtórnych) fal EM: promieniowanie rozproszone. Rozpraszanie światła

4 Zazwyczaj obserwujemy wynik interferencji wzdłuż jednego, wybranego kierunku, z dala od obiektu. Zazwyczaj spójna, konstruktywna interferencja zachodzi w jednym kierunku, zaś interferencja destruktywna we wszystkich pozostałych!. Dzięki temu możemy zastąpić fale kuliste przez fale płaskie w tym kierunku, co bardzo upraszcza sytuację (podstawa optyki geometrycznej!). Z dala od obiektu rozpraszającego front falowy fal kołowych jest prawie płaski

5 Światło rozproszone w wyniku transmisji przez powierzchnię (załamanie) Podobnie jak dla rozpraszania, wiązka załamana pozostanie fala płaską dla kierunku, dla którego zachodzi konstruktywna interferencja. prawo Snella Konstruktywna interferencja pojawi się dla wiązki przechodzącej spełniającej prawo Snella. wiązka padająca wiązka odbita wiązka załamana

6 szorstkiejpowierzchni Rozpraszanie niespójne: odbicie od szorstkiej powierzchni Niezależnie od tego, z którego kierunku patrzymy na powierzchnię, każda fala rozproszona na szorstkiej powierzchni ma różną 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.

7 Wiązka światła w próżni jest niewidoczna Aby zrobić zdjęcie wiązki laserowej w laboratorium, trzeba nadmuchać zwykle trochę dymu…. Jeśli patrzymy na wiązkę światła, która rozchodzi się w czystym powietrzu, na ogół jej nie widzimy. Związane jest to z faktem, że powietrze stanowi ośrodek bardzo rozrzedzony ( N jest względnie małe), cząsteczki powietrza rozpraszają niespójnie i mają niewielkie zdolności rozpraszające. To oko prawie nie widzi światła To oko jest oślepione (nie rób tak !!!)

8 Rozpraszanie na obiektach kulistych Granica dwóch ośrodków n1n1 n2n2 W niektórych kierunkach zajdzie interferencja konstruktywna, w innych zaś interferencja destruktywna: prążki interferncyjne.

9 Teoria Mie Elastyczne rozpraszanie na kulkach Opis rozpraszania elastycznego pola elektromagnetycznego na jednorodnej kulce o dowolnych właściwościach optycznych i rozmiarze

10 Teoria Mie Elastyczne rozpraszanie na kulkach Na zewnątrz: fala padająca: pole fali płaskiej pole fali rozproszonej EiEi E in out in Wewnątrz: pole fali załamanej Podział pól na pole padające i rozproszone jest czysto matematyczną procedurą. Całkowite pole w obecności obiektu rozpraszającego jest sumą wektorową odpowiednich pól padających i rozproszonych

11 Przy braku zewnętrznych ładunków i prądów poszukujemy pól harmonicznych wewnątrz: i na zewnątrz kuleczki: które spełniają: równania Maxwella + warunki graniczne Elastyczne rozpraszanie na kulkach EiEi E in out in pole fali załamanej Teoria Mie fala padająca: pole fali płaskiej pole fali rozproszonej

12 Elastyczne rozpraszanie na kulkach Teoria Mie Opis rozpraszania Mie (klasyczna elektrodynamika!) polega na obliczeniu różnicy między tymi polami w funkcji parametrów charakteryzujących obiekt rozpraszający. Pole E i nie jest modyfikowane!

13 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. Gustaw Mie, 1908 Parametry zewnętrzne: promień kulki promień kulki długość fali padającej długość fali padającej funkcja dielektryczna (zespolony współczynnik załamania) kulki i jej otoczenia funkcja dielektryczna (zespolony współczynnik załamania) kulki i jej otoczenia Rozwiązania pozwalają znaleźć wielości mierzone: natężenie światła rozproszonego w danym kierunku całkowite przekroje czynne na absorpcję i rozpraszanie: Elastyczne rozpraszanie na kulkach σ ekstynkcja = σ absorpcja + σ rozpraszanie Teoria Mie out in q f R y z x

14 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. Gustaw Mie, 1908 Rozwiązania pozwalają znaleźć wielości mierzone: natężenie światła rozproszonego w danym kierunku całkowite przekroje czynne na absorpcję i rozpraszanie: Elastyczne rozpraszanie na kulkach σ ekstynkcja = σ absorpcja + σ rozpraszanie Rozwiązania Mie zależą od parametru rozmiaru współczynnika załamania kulki i jej otoczenia (dla ustalonego współczynnika załamania kulki i jej otoczenia) : Teoria Mie out in q f R y z x

15 Elastyczne rozpraszanie na kulkach Teoria Mie Całkowite przekroje czynne na absorpcję, rozpraszanie i ekstynkcję na nanokulce złota, n out =1,5 w funkcji częstości

16 Zadanie do domu (dla doktorantów optyki) Przedyskutuj poprawność stosowalności prawa Beera w zawiesinie zawierającej nanokulki.

17 = 150, 100, 80, 60, 40, 20 nm z tyłu: z przodu: Mimo bardzo niskiej koncentracji (< 10 2 % wagowych), kolory są bardzo wyraziste i silnie zależą od rozmiaru. Różnice kolorów przy oświetleniu z tyłu i z przodu przy tej samej wielkości cząstek wskazują, że barwy nie są prostym dopełnieniem barw absorbowanych, tak jak by to było dla cząsteczek barwników (np. o barwie światła transmitowanego decydowałoby, która barwa została pochłonięta (absorbcja)). Zawiesina sferycznych cząstek złota w wodzie, oświetlenie światłem białym: Zależność od rozmiaru: Rozpraszanie na obiektach kulistych Teoria Mie: O spektakularności barw zawiesin cząstek metalowych o R 10nm decyduje elastyczne rozpraszanie, a nie absorpcja, jak to ma miejsce dla (malutkich) cząsteczek barwnikowych Teoria Mie

18 Elastyczne rozpraszanie na kulkach Teoria Mie

19 Elastyczne rozpraszanie na kulkach Zależność od kąta rozpraszania i geometrii polaryzacyjnej: Rozkład kątowy natężenia 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 różnią się jedynie skalą radialną. cząstka duża: Teoria Mie

20 Elastyczne rozpraszanie na kulkach Zależność od kąta rozpraszania i geometrii polaryzacyjnej: Rozkład kątowy natężenia 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 różnią się jedynie skalą radialną. cząstka duża: Teoria Mie

21 Elastyczne rozpraszanie na kulkach Zależność od kąta rozpraszania i geometrii polaryzacyjnej: Rozkład kątowy natężenia 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 różnią się jedynie skalą radialną. cząstka duża: Rozkład kątowy natężenia światła (λ=488nm) rozproszonego przez cząstkę (R=30nm) zgodnie z teorią Mie (bez przybliżeń) dla polaryzacji: równoległej (linia czerwona) i prostopadłej (linia niebieska) do płaszczyzny rozpraszania oraz dla światła niespolaryzowanego (linia czarna). cząstka mała: Teoria Mie

22 Elastyczne rozpraszanie na kulkach Zależność od geometrii polaryzacyjnej i kąta rozpraszania: Natężenia światła rozproszonego w okolicy kąta prostego dla polaryzacji równoległej i prostopadłej do płaszczyzny rozpraszania w funkcji kąta θ dla cząstek wody (R =2000 nm, =488 nm) polaryzacja p: polaryzacja s: Teoria Mie out in q f R y z x

23 Teoria Mie a przybliżenie Rayleigha Jeśli cząstka rozpraszająca jest dużo mniejsza niż długość fali rozpraszanej: R<< rozpraszania Rayleigha natężenie światła rozpraszanego elastycznie obliczone w ramach teorii Mie odpowiada wynikowi opisu rozpraszania Rayleigha (opis dla cząstek nieabsorbujących, jednowymiarowych, zawyżone rozpraszanie dla barwy niebieskiej niż czerwonej)). Przybliżenie 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 zależnym od kierunku osi dipola

24 Przybliżenie Rayleigha a teoria Mie Przybliżenie Rayleigha a teoria Mie Elastyczne rozpraszanie światła

25 Przybliżenie Rayleigha Elastyczne rozpraszanie światła PRAWO RAYLEIGHA: Natężenie promieniowania rozproszonego: Jeśli promieniowanie padające jest spektralnie złożone, (składa się z fal o różnych długościach), możemy oczekiwać, że promieniowanie o mniejszych długościach fali ulegnie rozproszeniu w większym stopniu, niż promieniowanie bardziej długofalowe. Nie jest więc prawdą, że czyste gazy (powietrze) nie rozpraszają światła ! ! !

26 Przybliżenie Rayleigha Elastyczne rozpraszanie światła gdzie: R - odległość do cząstki, θ - kąt rozproszenia, n - współczynnik załamania światła materiału cząstki, d - średnica cząstki. Wnioski: rozproszenie światła zależy silnie od długości fali świetlnej (w przybliżeniu 4 potędze, o ile n słabo zależy ), światło jest rozpraszane we wszystkich kierunkach, występująca zależność od kąta rozproszenia jest niewielka, światło rozproszenie w przód, ma takie samo natężenie jak światło rozproszone wstecz. dla cząsteczek: -polaryzowalność czasteczki

27 Następny wykład odbędzie się 11 stycznia 2010r Egzamin 11 stycznia 2010r Na egzamin w terminie zerowym zapisywać się można po wykładzie 11 stycznia 2010r, lub w pokoju 4, budynek VIII. Konsultacje odbędą się 25 stycznia 2008r. (czwartek) w pokoju 4, budynek VIII (lub w sali wykładowej).

28 Rozpraszanie elastyczne w atmosferze ziemskiej Niebieski kolor odległych przedmiotów Błękitny kolor nieba Ż ó łty kolor słońca Czerwony kolor zachodu Kiedy obserwujemy nasze otoczenie, zwykle nie zwracamy uwagi na zjawiska, do których przywykliśmy:

29 Niebieski kolor odległych obiektów:

30 Grand Canion

31 Tatry Zachodnie Niebieski kolor nieba:

32

33 Rozpraszanie światła na cząsteczkach powietrz można opisać w przybliżeniu Rayleigha (są one dużo mniejszcz niż ). Gdy światło przechodzi przez atmosferę, jest rozpraszane we wszystkich kierunkach. Niebieskie światło rozpraszane jest bardziej intensywnie niż pozostałe barwy, gdyż jego długość fali jest krótsza. Niebieski kolor nieba: Barwa niebieska rozproszona w różnych kierunkach ulega ponownemu rozproszeniu. Dlatego w którymkolwiek kierunku obserwator spogląda na niebo jest ono błękitne

34 Z analizy spektralnej wynika, że niebieska i fioletowa barwa nieba mają zbliżone natężenia. Niebieski kolor nieba: Dlaczego niebo nie jest fioletowe?

35 Siatkówka jest stosem kilku warstw neuronalnych. W skład siatkówki wchodzą komórki receptorowe: czopki i pręciki. Pręciki są wrażliwe na natężenie światła, pozwalają na widzenie czarno-białe, jest ich dużo w częściach peryferyjnych siatkówki. Czopki skupione w centralnej części siatkówki (w plamce żółtej 180,000 /mm 2) i odpowiadają za widzenie barwne. Zawierają trzy barwniki wrażliwe na światło niebieskie, zielone i czerwone. Siatkówka oka ludzkiego PrecikiCzopki

36 Niebieski kolor nieba: Dlaczego niebo nie jest fioletowe? Bo taka jest percepcja oka: barwa niebieska i fioletowa powodują pobudzenie tego samego czopka. Jest to więc efekt fizjologiczny (sposób działania naszego oka) a nie fizyczny. Krzywe reakcji dla trzech typów receptorów koloru w oku ludzkim

37 Światło takie (mimo prążków absorpcyjnych) widzimy jako światło (prawie) białe Widzialne widmo Słońca Dlaczego słońce jest żó łte?

38 Cząsteczki powietrza rozpraszają światło z natężeniem proporcjonalnym do 4. Krótsze długości fali są w wyniku rozproszenia usunięte z widma wiązki przechodzącej, dlatego słońce wydaje się być żółte. W przestrzeni kosmicznej słońce jest widziane przez człowieka jest białe, a niebo (to co nad głową?) jest czarne. Światło słoneczne Powietrze Dlaczego słońce jest żó łte?

39 Dlaczego zach ó d słońca bywa czerwony?

40 Dlaczego słońce bywa czerwone? Gdy powietrze jest bardzo czyste (rozpraszanie na malutkich cząsteczkach powietrza: azotu, 20,95% tlenu, 0,93% argonu), zachód słońca będzie wydawać się żółty: światło pochodzące od słońca przebywa dużą odległość przez powietrze i istotna część rozpraszania na barwie niebieskiej zachodzi z dala. Gdy Słońce leży nisko nad horyzontem, jego promienie pokonują dosyć długą drogę w atmosferze (na ogół zanieczyszczonej). Widmo światła ulega przesunięciu w kierunku niższych częstości (ku czerwieni) w skutek wydajniejszego rozproszenia na cząsteczkach aerosoli i innych zanieczyszczeń, kryształkach lodu z chmur itp.). Im więcej zanieczyszczeń, tym barwa ciemniejsza. Dłuższa droga w atmosferze Słońce i chmury mogą wydawać się czerwone. Ziemia Atmosfera

41 Dlaczego zach ó d słońca bywa czerwony? Gdy powietrze jest zanieczyszczone drobnymi cząsteczkami, widmo światła rozproszonego ulega przesunięciu w kierunku niższych częstości (ku czerwieni). Im więcej zanieczyszczeń, tym barwa ciemniejsza. Światło zielone, niebieskie i fioletowe rozprasza się bardziej na zanieczyszczeniach, niż czerwone, pomarańczowe i żółte Chmury też mogą wydawać się czerwone.

42 Rozpraszanie Rayleigha w atmosferze

43 Rozpraszanie Rayleigha po zachodzie słońca. Zdjęcie wykonane po godzinie od zachodu słońca na wysokości 500m w kierunku, w którym zaszło słońce.

44 Znajomość opisu rozpraszania: 1.Fizyka atmosfery 2.Diagnostyka rozmiaru cząstek i drobin

45 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 natężenie światła rozproszonego, 5. układu elektronicznego synchronizującego pomiary, 6. komputera sterującego całością.

46 Zalety lidarów są dość oczywiste. Można za ich pomocą zdalnie mierzyć koncentracje składników (w tym zanieczyszczeń) powietrza. Pozwalają one także prowadzić "lotne" kontrole składu dymów kominowych. Lidary mają też swoje wady i ograniczenia: Zasięg lidarów jest nieduży w stosunku do typowych potrzeb monitorowania stanu atmosfery. Stosowalność lidaru zależna jest w dużym stopniu od pogody, Lidar nie może działać w czasie zbyt gęstej mgły lub deszczu. LIDAR

47


Pobierz ppt "Rozpraszanie elastyczne światła na drobinach Jeszcze raz o zasadzie Huygensa i roli konstruktywnej interferencji Rozpraszanie na obiektach kulistych i."

Podobne prezentacje


Reklamy Google