Optikai mérések műszeres analitikusok számára

Az előadások a következő témára: "Optikai mérések műszeres analitikusok számára"— Előadás másolata:

1 Optikai mérések műszeres analitikusok számára
A fény tulajdonságai, bevezetés az optikába Állapot: folyamatban Frissítés:

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

3 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

4 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:

5 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/

6 A fénysebesség meghatározása (Foucault)

7 A fénysebesség meghatározása (működés)

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

9 Az elektromágneses sugárzások
Fotometria Összeállította: Tihanyi Péter Budapest, /61

10 Az elektromágneses spektrum 1.
Forrás:

11 Az elektromágneses spektrum 2.
Forrás:

12 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:

13 Az elektromágneses sugárzások
Ibolya: nm Indigókék: nm Kék: nm Zöld: nm Sárga: nm Narancs: nm Vörös: nm

14 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

15 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

16 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)

17 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:

18 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.

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

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

21 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

22 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!)

23 Szakirodalom - internet
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

24 Szakirodalom - film Öveges 33 (sorozat) 05 - A fény kettős természete
17 - A fény hullámtermészete Modern fizika (sorozat) 11 - A fényelhajlás optikai rácson, a fény hullámhosszának meghatározása

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