Fenomene optice. Introducere.Radiaţii

electromagnetice.Proprietăţi

CURS 1Fizica

Unele corpuri, aflate în anumite condiţii, produc asupra ochiului oimpresie fiziologică pe care o numim lumină.Cu studiul propagării undelor luminoase şi a fenomenelor legate deaceste unde, numite unde optice, se ocupă partea fizicii numită optică

In prezent, optica cuprinde studiul undelor electromagnetice a căror lungimi

de undă se găsesc atât în domeniul vizibil ( ) cât şi în

domeniile învecinate (infraroşu: , şi ultraviolet:

m0,8 m0,4=

m10 m0,8= 3 m0,4 m0,02=

Partea opticii care studiază fenomenele luminoase servindu-se de razele de lumină ca

simple linii geometrice se numeşte optică geometrică, iar partea opticii care studiază fenomene ca:

interferenţa luminii, difracţia, polarizarea, etc. se numeşte optică ondulatorie.

Prima teorie ştiinţifică cu privire la natura luminii aparţine lui I. Newton (1704) şi susţine

că sursa de lumină emite corpusculi luminoşi care se propagă în virtutea inerţiei în linie dreaptă cu

o viteză relativ mare. Teoria corpusculară explică fenomenele de reflexie a luminii prin analogie cu

reflexia unor bile elastice de un perete fix, iar fenomenul de refracţie prin atracţia corpusculilor

luminoşi de către mediile mai dense.

In 1690, C. Huygens pune bazele teoriei ondulatorii cu privire la natura luminii, conform

căreia lumina trebuie să fie considerată ca o undă elastică ce se propagă într-un mediu special,

care umple întregul univers, numit eter. Teoria ondulatorie a lui Huygens, completată de Young,

Fresnel şi alţii explică majoritatea fenomenelor optice cunoscute: reflexia, refracţia, interferenţa,

difracţia, polarizarea, dar are şi unele neajunsuri.

Abia în 1893, Maxwell pune bazele teoriei electromagnetice cu privire la natura luminii.

El afirmă că lumina este un fenomen electromagnetic, unda electromagnetică fiind formată dintr-un

câmp electric şi unul magnetic, variabile în spaţiu şi timp. Conform acestei teorii, deosebirea dintre

undele electromagnetice propriu zise şi undele luminoase constă în frecvenţa lor.

Mai târziu, în 1901, Max Planck revine la teoria corpusculară a luminii sub forma teoriei

cuantice a naturii luminii. Conform acestei teorii, lumina are o structură discontinuă, sub formă de

cuante de energie. Einstein (1905) a numit particulele de lumină care au energia egală cu o cuantă,

fotoni.

Dezvoltarea în continuare a cercetărilor în domeniul opticii au arătat că lumina este un

fenomen complex care reprezintă în acelaşi timp proprietăţi ondulatorii şi corpusculare. Louis de

Broglie (1924) dezvoltă această idee şi arată că dualitatea undă-corpuscul nu este caracteristică

numai luminii, ci oricărei particule. Această dualitate confirmă dualitatea materială a luminii.

Radiaţie = propagarea în spaţiu a unor câmpuri de forţe sub formă de unde

sau a unor fluxuri de particule.

Clasificarea radiaţiilor

1. În funcţie de natura lor:

- Radiaţii electromagnetice (EM) – propagarea sub formă de unde transversale a

undelor electromagnetice

- Elastice: propagarea sub formă de unde longitudinale a vibraţiilor unui mediu

elastic

- Corpusculare: fascicule de particule de mare energie

2. În funcţie de energie, în raport efectul lor asupra substanţei cu care

interacţionează:

- Ionizante – cele care sunt capabile să producă ionizarea, datorită energiei mari

- Neionizante – radiaţii de energie mică, incapabile să producă ionizarea.

Interacţiunea radiaţiilor cu substanţa

La interacţiunea cu substanţa, radiaţia cedează o parte din energia sa,

în general conform unei legi de absorbţie exponenţiale

unde I0 reprezintă intensitatea incidentă, I – intensitatea emergentă, d – grosimea stratului de

substanţă străbătut, k – coeficient specific de atenuare (acesta depinde de natura radiaţiei şi de

caracteristicile substanţei)

Energia cedată se transformă în alte forme de energie, producând efecte diferite cu atât mai

importante cu cât energia absorbită de substanţă este mai mare.

Interacţiunea radiaţie - substanţă se realizează la diferite nivele de organizare a materialului

absorbant:

- La nivel molecular – efecte termice, excitări vibraţionale şi rotaţionale ale moleculelor, reacţii

chimice;

- La nivel atomic, producând excitări ale ionilor sau ionizări;

- La nivel nuclear – excitări ale nucleului sau declanşarea unor reacţii nucleare.

Parametrii caracteristici undelor electromagnetice transversale

Mărimile caracteristice undelor sunt perioada T (timpul după care oscilaţia se repetă), lungimea de undă λ (spaţiul parcurs

într-un interval de timp egal cu o perioadă T) şi frecvenţa ν (inversul perioadei T). Relaţiile care există între mărimile

caracteristice undelor sunt următoarele:

unde c reprezintă viteza de propagare a undei.

Undele electromagnetice sunt unde transversale care au componentă magnetică şi o componentă

electrică, vectorii electric şi magnetic fiind perpendiculari unul pe celălalt şi pe direcţia de propagare (Fig.

1). Din punct de vedere al caracteristicilor ondulatorii spectrul radiaţiilor electromagnetice se întinde de la

undele radio lungi caracterizate prin frecvenţe mici şi lungimi de undă mari (km) până la razele γ de mare

energie, de frecvenţe mari şi lungimi de undă mici (Å) (Fig. 2). Conform relaţiei lui Planck, energia unei

unde electromagnetice este:

unde h = 6,62 ⋅10-34 Js, constanta lui Planck, iar c = 3⋅ 108 m/s, viteza luminii în vid.

COURS D’OPTIQUE GEOMETRIQUE modules S1 G et S1 SM-d 1999-2000 Yves Georgelin

Propagarea luminii. Principiul lui Fermat

Unda luminoasă este de natură

electromagnetică; ea poate fi

reprezentată într-un mediu omogen

prin vectorii câmp electric şi câmp

magnetic care sunt perpendiculari

între ei şi perpendiculari pe direcţia

de deplasare. Deoarece şi au

aceeaşi fază şi variază sincron, unda

electromagnetică poate fi

reprezentată ca în figura: Fig 1E

HFig 1

O proprietate importantă a undelorelectromagnetice, ce rezultă dinecuaţiile lui Maxwell, este aceea că ceidoi vectori şi sunt perpendiculari între eişi împreună cu alcătuiesc un triedrudrept

n

Referitor la viteza de propagare a undelor

electromagnetice în vid, din teoria lui Maxwell,

rezultă:

00

1=c

s

m103=c 8

Viteza undelor luminoase într-un mediu oarecare:

n

c=

c=

1=

1=v

rrrr00

)f(=n Fenomen de dispersie

Indicele de refracţie notat n la o temperatură dată şi

lucrând cu lumină de lungime de undă, λ, fixată este o

constantă fizică importantă care caracterizează cu

precizie o substanţă deoarece mici cantităţi de

impurităţi modifică valoarea acestui indice.

Măsurătorile de indici de refracţie se pot realiza rapid

şi cu cantităţi mici de substanţă

Conform legilor refracţiei empirice:

sin i/sin r = n

reprezintă indicele de refracţie al mediului 2 în raport

cu primul şi este egal cu raportul vitezelor de

propagare în cele două medii (în mediul mai dens cu

viteză mai mică)

Dacă r = 90° raza se propagă în mediul 2 perpendicular

pe interfaţa celor două medii şi se poate scrie:

Această valoare i este denumită unghi limită sau unghi

critic.

Dacă r > 90° asistăm la o reflexie totală adică raza nu

trece în mediul 2.

Dacă mediul 1 este chiar vidul, n reprezintă indicele de

refracţie absolut şi:

n = n1/n2 (1)În practica de laborator se determină indicele de refracţie

faţă de aer. Indicele de refracţie al unei substanţe faţă de vid

se numeşte indice de refracţie absolut.

Acesta se obţine din cel măsurat în aer prin înmulţire cu

1.00027.

Indicele de refracţie variază deci cu densitatea, temperatura

şi presiunea mediului.

Pentru a elimina influenţa temperaturii şi presiunii, deci a

densitaţii, d s-a introdus o nouă constantă de material

refracţia specifică:

r = (n-1)/d (Gladstone şi Dale)

Dispersia luminii

Metodele refractometrice pot gasi o larga intrebuintare in multe ramuri aleindustriei alimentare, petrochimice, farmaceutice si în laboratoarele biologice, chimicesi medico-sanitare.

Imbinarea deosebit de pretioasa a preciziei aparatului, a simplitatii tehnice si aaccesibilitatii asigura o intrebuintare larga a refractometriei, ca una din cele mai importantemetode fizice de analiza.

Aparatul poate fi utilizat intr-o paleta larga de aplicatii atat din domeniulexperimentarilor - pentru masurarea si interpretarea unor parametri fizico chimici, cat si dindomeniul industrial.

Folosirea refractometriei, prin utilizarea aparatului, ajuta la obtinerea uneibogate colectii de date utile privind: refractii specifice, constante refractometrice, indici derefractie si variatia acestora cu temperatura si compozitia, pentru o gama foarte larga desubstante si produse obtinute in industria mediului, chimica, petrochimica, alimentara,biologica si domeniul medico-sanitar.

Indicele de refractie constituie, la o temperatura si lungime de unda date asemnalului luminos, o importanta caracteristica unei combinatii chimice.

Acest parametru face parte din putinele constante fizice care se pot masura cu oprecizie foarte mare intr-un timp minim, avand la dispozitie o cantitate mica de substanta.

Imbinarea metodelor refractometrice cu determinarea altor proprietati fizice saucu o transformare chimica a substantei de cercetat permite sa se analizeze sisteme ternaresi mai complexe si sa se determine astfel compozitia multor produse industriale si biologiceimportante.

Un alt exemplu de aplicare a reflexiei totale îl întâlnim la fibra optică.

O fibră optică este un fir de sticlă, cu indicele de refracţie n1, cu diametrul

mult mai mic decât lungimea sa, învelit cu o cămaşă de sticlă mai puţin

refringentă, adică n2<n1.

Transmisia luminii printr-o astfel de fibră se datorează reflexiilor totale

multiple pe pereţii firului. Fig 2Un fascicul de fibre optice asamblate într-un înveliş elastic poartă

denumirea de conductor optic . Fig 3

Fig 2Fig 3

Există două tipuri de conductori optici:

a) conductorii de lumină prin care se transmit semnale

luminoase modulate în timp (în acest caz poziţia relativă a firelor între ele

nu contează).

b) conductori de imagini prin care se transmit semnale

luminoase modulate în spaţiu şi timp (firele au o poziţie relativ fixă).

Fibrele optice au şi capătă pe zi ce trece o largă aplicabilitate în

telecomunicaţii, medicină, etc..

http://www.prolabs.eu/fibre_cables.asp?source_name=google_ads&gclid=CJWi9Ma-mKcCFRQv3wodlXIgcw

Bibliografie selectiva

1. Ghiorghe Călugăru etc., Fizică, Teorie şi Aplicaţii, vol.2,

2. Curs Biofizica MG 2009-20010 – “Elemente de fotobiologie”

3. L’histoire de l’optique et de la photonique