 |
Законы распространения света.
|
|
|
|
Свет – это электромагнитные волны с частотами, воспринимаемыми человеческим глазом.
В 1690 г. Гюйгенс открыл волновую теорию света. М. В. Ломоносов показал, что свет – это поперечные волны эфира. В 1881 г. Майкельсон определил скорость света.
Интерференция, дифракция и поляризация привели к появлению в 1846 г. электромагнитной теории света. В 1865 г. Максвелл обосновал совпадение скорости света и электромагнитных волн (300000 км/с).
Интерференция – явление усиления или ослабления амплитуды результирующей волны в зависимости от соотношения между фазами складывающихся двух (или нескольких) волн с одинаковыми периодами. Это явление имеет место для любых волн. Если среда распространения волн однородна, результирующее колебание представляет собой геометрическую сумму колебаний. Явление интерференции применяется при решении различных измерительных задач, как в научных исследованиях, так и в технике.
Дифракция – это огибание волнами препятствий, отклонение волновых движений от законов геометрической оптики. Дифракция впервые была объяснена Юнгом (1800 г.).
Благодаря дифракции волны могут попадать в область геометрической тени, огибать препятствия, проникать через небольшое отверстие в экранах.
В 1690 г. Гюйгенс сформулировал принцип, согласно которому каждая точка, до которой доходит волна, является центром вторичных сферических волн. Путем вторичных и происходит распространение основной волны. Френель дополнил этот принцип идеей об интерференции вторичных волн. Согласно принципу Гюйгенса-Френеля, каждая точка фронта волны является источником вторичных когерентных волн. Принцип Гюйгенса-Френеля – основной принцип волновой оптики и позволяет решать вопрос о дифракции света, играющей важную роль в прикладной оптике.
|
|
|
Явления, обусловленные зависимостью показателя преломления вещества от частоты (или длины волны в вакууме), называют дисперсией света. В более широком аспекте – это разложение света в спектр, происходящее при преломлении, дифракции или интерференции света.
Дисперсию можно объяснить с точки зрения электромагнитной теории. Так как скорость света в вакууме не зависит от частоты, а дисперсия наблюдается только в веществе, то она связана со строением вещества. Атомы и молекулы сами могут стать источником электромагнитных колебаний.
Впервые подробно исследовал дисперсию света Ньютон. Важен вывод Ньютона о том, что лучи разного цвета преломляются по-разному.
На явлении дисперсии основано действие призменных спектрографов, которые служат для получения и наблюдения спектров. Спектральный анализ дает возможность определить качественный и количественный состав вещества на основе изучения его структуры.
Так, например, молекулярный спектральный анализ позволяет определить состав сложных смесей по их молекулярным спектрам.
Раздел физики, изучающий интенсивность света и его источник, называют фотометрией.
Под фотометрией в узком смысле слова понимают световые измерения, т. е. оценку видимого излучения и его действие на глаз.
Под фотометрией в широком смысле понимают измерение характеристик процессов испускания, распространения, поглощения и рассеяния излучения в диапазоне от ультрафиолетовых до инфракрасных лучей. Инфракрасное излучение является преимущественно тепловым излучением.
Свет, излучаемый каким-либо источником, представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Свет обладает двойственной корпускулярно-волновой природой. Волновые свойства света проявляются в закономерностях его распространения, интерференции, дифракции, поляризации, а корпускулярные – в процессах взаимодействия света с веществом.
|
|
|
Квантовые и волновые свойства света взаимно дополняют друг друга и отражают взаимосвязанные закономерности распространения света и его взаимодействие с веществом.
Нанотехнологии.
Нанотехнологии – это технологии, в основе которых лежат манипуляции на уровне отдельных атомов.
«Нано» – приставка к выражениям единиц линейных размеров для создания производных этих единиц в системе СИ. Если 1 миллиметр (мм) означает одну тысячную долю метра (1 мм = 
м), 1 микрон составляет одну миллионную долю метра (1 мкм = 
м), то 1 нанометр составляет одну миллиардную долю метра (1 нм = 
м).
Создается возможность манипулировать отдельными атомами и молекулами. Практически открывается возможность исследовать микроструктуру любого материала.
Один нанометр (1 нм) в 100 тысяч раз меньше диаметра человеческого волоса, который имеет диаметр 100 мкм. Размер в 1 нм сравним с размерами молекулы, а многие вирусы имеют размер около 10 нм. К нанотехнологиям относят процессы и объекты в пределах от 1 нм до 100 нм. Размером в 1 нм обладают отдельно взятые молекулы.
Развитие нанотехнологий как изготовление сверхмикроскопических конструкций идет по трем направлениям: изготовление наномашин размером с молекулу, электронных схем того же размера, изготовление приборов для непосредственной манипуляции атомами и молекулами.
Нанотехнологии могут изменить среду обитания человека.
Нанотехнологии носят междисциплинарный характер и в значительно большей мере, по сравнению с кибернетикой и синергетикой.
В ближайшей перспективе нанотехнологии позволят создать:
• нановолокна, состоящие из 60–70 молекул;
• нанозеркало для лазеров со сверхвысокой отражающей способностью;
• атомную иглу, которая позволит изучать рельеф поверхности на молекулярном уровне;
• нанороботы – манипуляторы для переноса отдельных молекул;
• наногенераторы электрического заряда внутри человеческого организма для электропитания имплантантов;
• сверхскоростной нано-Интернет с увеличением
• диагностику качества пищевых продуктов для выявления опасных загрязнителей;
|
|
|
• наногранулы для доставки лекарственного препарата прямо к рецептору;
• нанокод, т.е. молекулы антител, иммобилизованные на поверхности нанотел для индефикации чужеродных веществ по иммунной реакции;
• наночастицы косметического крема, проходящие через мембраны клеток кожи для клеточного питания дермы.
Исследования нанотехнологий постоянно расширяются и в ближайшей перспективе займут ведущую роль.
Начала термодинамики.
Термодинамика изучает тепловые свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, на основе законов превращения и сохранения энергии.
Под термодинамической системой имеется в виду любое конечных размеров макротело или совокупность макротел.
В термодинамике изучаются тепловые процессы, связанные с изменением температуры тела.
Термин «термодинамика» предложен в 1854 г. В. Томсоном. Основы термодинамики заложили в своих работах Майер, Кельвин, Клаузиус, Джоуль, Гельмгольц.
В 1843 году Майером был сформулирован первый закон (первое начало) термодинамики как закон сохранения энергии для термодинамической системы, согласно которому работа может совершаться только за счет теплоты или какой-либо другой формы энергии. Первый закон (начало) термодинамики – это закон сохранения и превращения энергии в применении к тепловым процессам.
Первое начало термодинамики можно сформулировать так: количество теплоты, сообщаемое системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы против внешних сил.
Q = ΔU + A,
где Q – количество теплоты, получаемой системой, ΔU – изменение внутренней энергии, А – совершенная работа.
Из первого начала термодинамики следует невозможность создания вечного двигателя, т.е. такого двигателя, который совершал бы работу без затраты энергии извне.
Тепловой двигатель не может совершать работу большую, чем сообщенная ему извне энергия.
Второе начало термодинамики определяет направленность реальных тепловых процессов, протекающих с конечной скоростью. Название этому принципу и формулировку дал Р. Клаузиус: невозможен процесс, при котором тепло переходило бы самопроизвольно от тел более холодных к телам более нагретым.
|
|
|
В современной термодинамике второе начало термодинамики формулируется как закон возрастания энтропии. Энтропия – функция состояния, характеризующая направление протекания самопроизвольных процессов в замкнутой термодинамической системе. В состоянии равновесия энтропия замкнутой системы достигает максимума и никакие макроскопические процессы в такой системе невозможны. Максимальная энтропия соответствует полному хаосу.
Клаузиус на основе второго начала термодинамики утверждал, рано или поздно энтропия Вселенной должна достигнуть своего максимума, температура всех тел Вселенной будет одинаковой (полное тепловое равновесие). Все процессы во Вселенной прекратятся – наступит тепловая смерть Вселенной. Ошибочность такого вывода в том, что нельзя применять второе начало термодинамики к Вселенной, которая не замкнута, а постоянно расширяется – галактики разбегаются. Вселенная нестационарна.
Третье начало термодинамики (установлено В.Нернстом в 1906 году) утверждает, что при прочих фиксированных условиях, например, при неизменных объеме и давлении, энтропия системы стремится к нулю температуры.
Из третьего начала термодинамики вытекает следствие: абсолютного нуля температуры нельзя достичь ни в каком конечном процессе.
|
|
|
