Optikai mérések műszeres analitikusok számára A fény tulajdonságai, bevezetés az optikába http://tp1957.atw.hu/ma_elo_0.ppt Állapot: folyamatban Frissítés: 2014. 09. 17.

A 3/15. optikai elmélet órái 2014. 09. 09. kedd Bevezetés, követelmények, témák A fény, mint elektromágneses sugárzás Az elektromágneses spektrum és felosztása A fény kettős természetének bemutatása Hullámtermészet igazolása: interferencia, törés 2014. 09. 16. kedd A fény frekvenciája és hullámhossza A fény energiája A fény részecsketermészetének igazolása: kölcsönhatás atomi rendszerekkel 2014. 09. 17. ellenőrző kérdések (internet) 2014. 09. 22. hétfő 1. témazáró dolgozat Új tananyag: refraktometria A kutatók éjszakája a FÉNY jegyében 2014. 09. 26. programja

A tanév témái kb. óraszámokkal Fénytani alapfogalmak 4 óra Refraktometria 5 óra Polarimetria 5 óra Fotometria, spektrofotometria 14 óra Infravörös spektroszkópia 12 óra Fluoreszcens spektrometria 4 óra Atom-spektrometriai módszerek 14 óra Fotoakusztikus mérések 4 óra Ismétlés 2 óra

A fény általános jellemzői A fény az elektromágneses sugárzások népes családjának tagja. Az elektromágneses hullámok az egymásra merő-leges elektromos és mágneses tér periodikus változásának megnyilvánulásai. E elektromos H mágneses térerő Forrás: www.szgti.bmf.hu/opto/4_Optika.htm

Az elektromágneses sugárzások minőségi jellemzői frekvencia: a másodpercenkénti rezgések száma (f vagy  [1/s = s–1 = Hz = c/s = cps]), terjedési sebesség (c [m/s]). Az elektromágneses sugárzások terjedési sebessége vákuumban a fénysebesség: kb. 3 · 108 m/s. Ez az ismert legnagyobb sebesség, csak az elektromágneses hullámok képesek ilyen gyors terjedésre (mai ismereteink szerint). Más közegben (pl. víz, üveg) a sebesség kisebb ennél. hullámhossz ( [m]). Ez is függ a közegtől. A minőségi jellemzők összefüggése: c =  · Egyes esetekben (pl. IR tartományban) a hullámhossz helyett használják még a hullámszámot (σ, [m–1]), ami az egységnyi hosszúságra (pl. 1 m-re vagy 1 cm-re) eső hullámok száma: σ = 1/

A fénysebesség meghatározása (Foucault)

A fénysebesség meghatározása (működés)

A fénysebesség mérése (számítás) Albert Michelson mérése (Foucault módszer fejlesztése) Mérési adatok:  = 528 s–1 D = 1 000 m ϑ = 0,0708 ⁰ Számolás (c [m/s]). Az összefüggésből kifejezve:

Az elektromágneses sugárzások Fotometria Összeállította: Tihanyi Péter Budapest, 2009. 6/61

Az elektromágneses spektrum 1. Forrás: http://mkweb.uni-pannon.hu/tudastar/ff/02-eghajlat/images/006.png

Az elektromágneses spektrum 2. Forrás: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/4a/EM_Spectrum_Properties_edit_hu.svg/675px-EM_Spectrum_Properties_edit_hu.svg.png

Az elektromágneses spektrum 3. hálózati áram indukciós tűzhely tengeralattjáró adó mikrohullám lopásvédelem szolárium (UV) rádióadás tv-adás röntgen radar lézer alacsony frekvencia magas frekvencia mikrohullám infravörös UV ionizáló sugárzás frekvencia, f látható hullámhossz,  Elektromágneses mezők frekvenciája, hullámhossza és technikai alkalmazása Forrás: http://sugarzas.info/images/spektrumD.gif

Az elektromágneses sugárzások Ibolya: 400 - 420 nm Indigókék: 420 - 440 nm Kék: 440 - 490 nm Zöld: 490 - 570 nm Sárga: 570 - 585 nm Narancs: 585 - 620 nm Vörös: 620 - 780 nm

Az elektromágneses sugárzások kettős természete Az elektromágneses sugárzások eltérően viselkedhetnek: terjedéskor hullámként, keletkezéskor, anyaggal való kölcsönhatáskor, elnyelődéskor részecskeként. Terjedési jelenségek: visszaverődés, fénytörés, elhajlás, interferencia. Film: Öveges 33 (sorozat) 05 - A fény kettős természete (9:58) Y 17 - A fény hullámtermészete (9:48) Y Modern fizika (sorozat) 11 - A fényelhajlás optikai rácson, a fény hullámhosszának meghatározása (2:39) Y

A hullámhossz mérése interferenciával Az interferencia jelensége lehetőséget teremt a hullámhossz mérésére. optikai rács: d = 0,0033 mm vászon távolság: L = 300 mm pötty távolság: h = 59 mm Képlet: → (a pontos képlet: ) Film: Dr. Kvantum: kettős rés kísérlet (5:03) Y1 Y2 h L

Mérés interferenciával Az interferencia jelensége alapján mértünk hullámhosszt. A hullámhossz ismeretében pl. egy hajszál vastagsága is számolható az interferencia alapján. Számolási példa Egy hajszál mögött D = 1,66 m távolságban egy  = 532 nm-es fénnyel kapott interferenciát mértünk: ℓ = 3,5 cm távolságot kaptunk n = 5 interferencia szélességére. Mennyi a hajszál vastagsága? A képlet: d·sin ϑ = n· → sin ϑ ≈ ℓ/D = 0,0211 d = 0,126 mm (A fény hullámtermészete film alapján)

Az elektromágneses sugárzás, mint részecske A fény ‒ és a többi elektromágneses sugárzás ‒ részecskéje a foton. Az egyetlen elemi részecske, ami biztosan m0 = 0 nyugalmi tömeggel rendelkezik, így fénysebességgel halad. Nyugalmi tömeg: a részecske tömege nyugalmi állapotban A foton, ha létezik, mozog. Energiája a frekvenciával arányos: h a Planck-állandó, értéke h = 6,626·10‒34 J·s Tömege kizárólag az energiájából számítható, azzal egyenértékű (E = m·c2): Impulzusa:

Az elektromágneses sugárzás részecske természete A fény részecskeként is viselkedhet. Ennek bizonyítékai: Fotokémiai reakciók csak egy adott frekvencia feletti - illetve a megfelelő hullámhossz alatti - fény hatására mennek végbe. a) Pl. vörös fényben lehet filmet előhívni (hagyományos, ezüst-halogenid alapú fényképezés). b) Az ember bőrének barnulása is fotokémiai reakció, ehhez nem elegendő a látható vagy az IR fény energiája. A fényre hat a gravitáció: a csillagok fénye a nap közelé- ben elhajlik a nap felé; a „fekete lyuk” elnyeli a fényt. Fotoelektromos hatás: megfelelő energiájú fény elektronokat „lök ki” bizonyos fémek atomjaiból. Compton effektus: a röntgensugarak atomokon szóródnak, a szórt sugárzás nagyobb hullámhosszúságú, mint az eredeti volt.

Fotoelektromos hatás v A legérzékenyebb fény-mérés alapja (PM)

Compton effektus (Compton scattering) a röntgensugarak atomokon szóródnak, a szórt sugárzás nagyobb hullám-hosszúságú, mint az eredeti volt. Arthur Compton (1892–1962)

Számítási feladatok (1) Másodpercenként mekkora tömegű fény érkezik a Földünkre a napsugárzás által? A Földre érkező napsugárzás teljesítménye 1350 W/m2, a Föld sugara 6370 km.) Megoldás: A Földre érkező sugárzási energia másodpercenként: Az energiának megfelelő másodpercenkénti tömeg pedig

Számítási feladatok (2) 2. Számítsuk ki, mekkora lehet a látható fény fotonjainak a lendülete! (A látható tartomány 400–800 nm.) 3. Mekkora sebességű elektron lendülete egyezik meg a 663 nm hullámhosszúságú vörös színű fény fotonjainak lendületével? (az elektron ny. tömege m0 = 9,1·10–31 kg) 4. Mekkora energiájú gamma-foton tömege egyezik meg az elektron m0 = 9,1·10–31 kg nyugalmi tömegével? Mekkora a foton hullámhossza? 5. A Nap teljes sugárzásának teljesítménye 3,8·1026 W. Percenként mennyivel csökken a Nap tömege a sugárzása miatt? (Használjuk az E = m·c2 összefüggést!)

Szakirodalom - internet http://sugarzas.info/images/spektrumD.gif http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/4a/EM_Spectrum_Properties_edit_hu.svg/675px-EM_Spectrum_Properties_edit_hu.svg.png http://mkweb.uni-pannon.hu/tudastar/ff/02-eghajlat/images/006.png www.szgti.bmf.hu/opto/4_Optika.htm Varró Sándor (MTA Szilárdtestfizikai és Optikai Kutatóintézet): A fény kettős természete: Einstein és a fotonok. Vámos Lénárd (TeTudSz): Részecske vagy hullám? – A fény és az anyag kettős természetéről

Szakirodalom - film Öveges 33 (sorozat) 05 - A fény kettős természete http://www.youtube.com/watch?v=r3v_KavnKIw 17 - A fény hullámtermészete http://www.youtube.com/watch?v=_OYT4UIPXvA Modern fizika (sorozat) 11 - A fényelhajlás optikai rácson, a fény hullámhosszának meghatározása http://www.youtube.com/watch?v=3yWGdkdflsg

Az optikai mérések felosztása Refraktometria Polarimetria UV-VIS fotometria és spektrofotometria IR spektrofotometria Fluoreszcens spektrometria Atomspektrometria Fotoakusztikus spektrometria