Свет и вещество

Свет это совокупность электромагнитных волн различной длины. Диапазон длин волн видимого света - от 0,4 до 0,75 мкм. К нему примыкают области невидимого света - ультрафиолетовая (от 0,4 до 0,1 мкм) и инфракрасная (от 0,75 до 750 мкм).

Видимый свет доносит до нас большую часть информации из внешнего мира. Помимо зрительного восприятия, свет можно обнаружить по его тепловому эффекту, по его электрическому действию или по вызываемой им химической реакции. Восприятие света сетчаткой глаза является одним из примеров его фотохимического действия. В зрительном восприятии определенной длине волны света сопутствует определенный цвет. Так, излучение с длиной волны 0,48-0,5 мкм будет голубым; 0,56-0,59 - желтым; 0,62-0,75 - красным. Естественный белый свет есть совокупность волн различной длины, распространяющихся одновременно. Его можно разложить на составляющие и выделить их с помощью спектральных приборов (призм, дифракционных решеток, светофильтров).

Как и всякая волна, свет несет с собой энергию, которая зависит от длины волны (или частоты) излучения.

Ультрафиолетовое излучение, как более коротковолновое, характеризуется большей энергией и более сильным взаимодействием с веществом, чем объясняется широкое его использование в изобретательской практике. Например, облучение ультрафиолетом может инициировать или усиливать многие химические реакции.

А.с. 489 602: Способ соединения металлов путем заполнения зазора между соединяемыми деталями металлом, полученным разложением его химического соединения, отличающийся тем, что с целью устранения термического воздействия на соединяемые детали, разложение химических соединений осуществляет облучением ультрафиолетовым светом.

Существенно влияние ультрафиолета на биологические объекты, например, его бактерицидное действие. Следует помнить, что ультрафиолетовое излучение очень сильно поглощается большинством веществ, что не позволяет применить при работе с ним обычную стеклянную оптику. До 0,18 мкм используют кварц, фтористый литий, до 0,12 мкм - флюорит; для еще более коротких волн приходится применять отражательную оптику.

Еще более широко в технике используют длинноволновую часть спектра - инфракрасное излучение. Следует отметить здесь приборы ночного видения, ИК-спектроскопию, тепловую обработку материалов, лазерную технику, измерение на расстоянии температуры предметов.

А.с. 269 400: Способ противопожарного контроля волокнистого материала, например, хлопка-сырца, подаваемого по трубопроводу к месту его хранения, отличающийся тем, что с целью повышения надежности хранения, контроль осуществляется посредством расположенных по периметру трубопровода датчиков, реагирующих на инфракрасное излучение.

А.с. 271 550: Способ ремонта асфальтобетонных дорожных покрытий на основе применения инфракрасного излучения, отличающийся тем, что с целью обеспечения ремонта в зимнее время, вначале создают тепловую защиту непосредственно в месте производства работ путем создания зон положительных температур посредством источников инфракрасного излучения, затем разогревают применяемые в качестве исходного материала асфальтобетонные брикеты одновременно с ремонтируемым участком дорожного покрытия до пластического состояния при помощи инфракрасных лучей.

Еще одно интересное свойство ИК-лучей: прямое облучение стальных изделий светом инфракрасных ламп сдерживает процессы коррозии не только в условиях обычного хранения, но и при повышении влажности и содержания сернистых газов.

Сильным изобретательским приемом является переход от одного диапазона излучения к другому.

А.с. 232 391: Способ определения экспозиции засветки фоторезисторов на основе диасоединений и азидов в процессе фотолитографии, отличающийся тем, что с целью улучшения воспроизводимости и увеличения выхода годных приборов, полупроводниковый эпитаксиальный материал с нанесенным на него фоторезистом облучают ультрафиолетовым или видимым светом, причем экспозицию определяют по времени исчезновения полосы поглощения пленки фоторезиста в области 2000-2500 см

Световое излучение может передавать свою энергию телу не только нагревая его или возбуждая его атомы, но и в виде механического давления. Световое давление проявляется в том, что на освещаемую поверхность тела в направлении распространения света действует распределенная сила, пропорциональная плотности световой энергии и зависящая от оптических свойств поверхности. Световое давление на полностью отражающую зеркальную поверхность вдвое больше, чем на полностью поглощающую при прочих равных условиях.

Объяснить это явление можно как с волновой, так и с корпускулярной точек зрения на природу света. В первом случае – это результат взаимодействия электрического тока, наведенного в теле электрическим полем световой волны, с ее магнитным полем по закону Ампера. Во втором - результат передачи импульса фотонов поглощающей или отражающей стенке.

Величина светового давления мала. Однако простота управления световым потоком и "избирательность" светового давления в отношении тел с различными поглощающими и отражающими свойствами позволяют с успехом использовать это явление в изобретательстве (например, фотонная ракета).

Согласно патенту США 3 590 932, световое давление используется в микроскопах для уравновешивания малых изменений массы или силы. Измерительное фотоэлектрическое устройство определяет, какая величина светового потока, а следовательно и светового давления, потребовалась для компенсации изменения массы образца и восстановления равновесия системы.

А.с. 174 432: Способ перекачки газов или паров из сосуда в сосуд путем создания перепада давления на разделяющей оба сосуда перегородке, имеющей отверстие, отличающийся тем, что с целью повышения эффективности откачки, на отверстие в перегородке фокусируют световой пучок, излучаемый, например, лазером.

Поглощение и рассеяние света. Выше явления рассматривались в предположении, что среды оптически однородны и абсолютно прозрачны для света. В действительности дело обстоит иначе. Процесс прохождения света через вещество - это процесс поглощения атомами и молекулами энергии электромагнитной волны, которая идет на возбуждение колебания электронов и последующего переизлучения этой энергии. При этом не вся энергия переизлучается, часть ее переходит в другие виды энергии, например, тепловую

Поглощение света зависит от длины волны света и имеет максимумы на частотах, соответствующих частотам собственных колебаний электронов в атомах, самих атомов. .Естественно, поглощение зависит от толщины слоя поглощающего вещества.

Ослабление светового излучения при прохождении через среду объясняется также и рассеянием света. В случае наличия в среде оптических неоднородностей переизлучение энергии электромагнитной волны происходит не только в направлении проходящей волны (пропускание), но и в стороны. Эта часть излучения наряду с дифрагированной, преломленной и отраженной на неоднородностях составляющими, и образует рассеянный свет.

Рассеяние обладает дисперсией. В атмосфере, например, рассеиваются преимущественно голубые лучи. Этим объясняется голубой цвет неба, в то время как свет , проходящий через атмосферу, обогащен красными составляющими - красный цвет зорь. При монохроматическом освещении даже в физически сильно неоднородной среде рассеяние не происходит при совпадении коэффициентов преломления компонентов среды. Выбрав компоненты с различными температурными коэффициентами, можно создать оптический термометр.

Распределение интенсивности света, рассеянного средой по различным направлениям (индикатрисса рассеяния), может дать значительную информацию о микрофизических параметрах среды. Такого рода измерения находят применение в биологии, коллоидной и аналитической химии, составляя предмет нефелометрических исследований, а также в аэрозольной технике.

Согласно а.с. 172094, определяют параметры капель жидкости, измеряя характеристики светового излучения, рассеянного на каплях.

Рассеяние наблюдается и в чистых веществах. Оно объясняется возникновением оптической неоднородности, связанный с флуктуациями плотности, например, тепловыми. Рассеянный свет по некоторым направлениям частично поляризован.

В случае комбинационного рассеяния света (эффект Мандельштама-Ландсберга-Рамана) в спектре рассеянного излучения кроме линий, характеризующих падающий свет, имеются дополнительные линии (сателлиты), излучение которых является комбинацией частот падающего излучения и частот собственных тепловых колебаний молекул рассеивающей среды.