Radiatii - notiuni generale
Prin radiatie se intelege in sensul cel mai larg propagarea in spatiu a unor campuri sub forma de unde sau a unor fluxuri de particule
Clasificarea radiatiilor:
1. Dupa natura lor:
- rad. electromagnetice - reprezinta propagarea sub forma de unde transversale a variatiilor campului electromagnetic
- rad. elastice - reprezinta propagarea sub forma de unde longitudinale a vibratiilor unui mediu elastic
- rad. corpusculare - sunt formate din fascicule de particule de mare energie/viteza
2. Dupa energie :
- ionizante - radiatii de mare energie, capabile sa produca ionizarea
- neionizante - radiatii de energie mai mica, insuficienta pentru a produce ionizarea
Energia de ionizare a H2 = 13,4 eV, pentru O2 = 13,57 eV, pentru N2 = 14,24 eV, iar pentru C = 11,24 eV.
Energia de 12-13 eV. corespunde domeniului UV indepartat.
Aceasta clasificare e intr-o oarecare masura arbitrara, pentru ca are drept criteriu energia de ionizare a atomilor izolati. In aglomerari de atomi (cristale, macromolecul 949f512j e biologice) energia de ionizare e mai mica. Totusi, probabilitatea de ionizare la energii sub 12 eV e mica, si efectele principale ale acestor radiatii nu se datoreaza ionizarii.
Se ia in considerare energia fotonului: E = hν , unde h- constanta lui Planck, ν - frecventa radiatiei, si energia cinetica Ec a radiatiei corpusculare
Unde electromagnetice
Fenomenele electrice si magnetice, din punct de vedere al manifestarii in spatiu/timp, sunt descrise in mod unitar de ecuatiile lui Maxwell
rotH = j + D/ t
rotE = - δB/δt
divD = ρe
divB = 0
unde H - campul magnetic, E - campul electric, D - inductia electrica, D= εE, B - inductia magnetica, B = μH; rot si div sunt operatori diferentiali.
Ex. divD = δDx/δx + δDy/δy + δDz/δz
Pentru vid, unde ε ε μ μ , se poate demonstra ca δ2Ex/δx2 = μ0ε0 δ2Ex/δt2 (ecuatia undelor), cu μ0ε0 = 1/c2
c = 1/ √μ0ε0 = 3*108 m/s
- undele electromagnetice - unde transversale
- s-a constatat ca v undelor electromagnetice = c (viteza luminii in vid), de unde natura electromagnetica a luminii
Producerea undelor electromagnetice - 1886, Henrick Hertz
c = λ*ν
ν = 1/ T
c = λ / T
Clasificarea undelor electromagnetice
Dupa fenomenul ce sta la baza producerii lor, undele se impart in:
1. Unde hertziene - datorate oscilatiilor electronilor in circuitele oscilante sau in circuite electronice speciale
2. Radiatia terminca - radiatie electromagnetica rezultata din transformarea energiei interne in energie electromagnetica
3. Radiatia de franare - apare la franarea electronilor accelerati in campul nucleului
Cea mai uzuala impartire este dupa frecventa si lungime de unda
Undele radio: = 7500km - 0 m
= 40 Hz - 109 Hz
- sunt unde lungi, medii sau scurte
Microundele: sunt generate de instalatii electronice cu ν = 109 Hz - 3*1011 Hz si λ = 30 cm - 1 mm
- in telecomunicatii, radar, cercetare stiintifica, la studiul atomilor/moleculelor
- sunt decimetrice, centimetrice, milimetrice
Infrarosiile: produse de corpurile incalzite; exista instalatii electronice care emit unde IR cu λ < 1 mm. In general, λ = 10-2 m - 7,8*10-3 m, iar ν = 3*1011 Hz - 4*1014 Hz
Radiatiile vizibile (VIS): = 7,6 * 10-7 m - 4*10-7m
Radiatiile UV : λ = 3,8 * 10-7 m - 6*10-10m
- sunt generate de molecule si atomi dintr-o descarcare electrica in gaze. Soarele e deasemenea o puternica sursa de UV
Radiatiile X (Röntgen)
- produse in tuburi speciale: un fascicul de electroni accelerati cu ajutorul unei tensiuni electrice mari bombardeaza un electron, care va emite radiatii X
Radiatiile γ (gamma): ν = 3*1018 - 3*1022 Hz
- emise de nucleele atomilor
- intre 0,1*1012 - 10*1012 Hz : radiatia teraHertz
Spectroscopia teraHertz e un instrument puternic pentru caracterizarea unui domeniu larg de materiale. Fiind situat intre microunde si IR, nu poate fi produs prin metodele clasice ale microundelor sau undelor IR. Aceasta radiatie a fost folosita de chimisti si astronomi pentru caracterizarea spectrelor de rotatie si vibratie a moleculelor simple. In ultimii 20 de ani, s-a produs o evolutie in spectroscopia teraHertz, cu aplicatii in semiconductori, medicina, cercetari spatiale, etc
Optica
- parte a fizicii care trateaza fenomene fizice legate de propagarea undelor electromagnetice de λ scurte, si interactiunea acestora cu substanta.
- se imparte in optica geometrica si optica fizica
Optica geometrica se ocupa cu studiul propagarii luminii prin diferite medii, plecand de la faptul ca aceasta se propaga si sub forma de raze, fara a lua in considerare natura intima a luminii.
Pe baza unor principii si legi stabilite (legea propagarii rectilinii, legea independentei propagarii radiatiei luminoase, reversibilitatea drumului razelor, legea reflexiei/refractiei ), optica geometrica studiaza formarea imaginii in aparate optice si da relatii cantitative privind proiectarea aparatelor optice. Tinand cont de natura electromagnetica a luminii, optica geometrica = "aproximatie a opticii". Aceasta e valabila doar daca λ e mult mai mica decat dimensiunea corpurilor cu care lumina interactioneaza, iar raza de curbura a frontului undei e mult mai mare decat lungimea de unda. Legile opticii geometrice nu pot deci fi aplicate in apropierea imediata a unei surse luminoase; optica geometrica nu poate fi aplicata la granita dintre umbra/partea luminata a unui ecran.
Optica fizica - cuprinde optica ondulatorie si optica fotonica.
Optica ondulatorie studiaza fenomene in care e preponderent caracterul ondulatoriu, de ex. Interferenta, difractiam polarizarea. Optica fotonica studiaza fenomene in care se ia in considerare natura corpusculara a luminii (ef.Compton, efect fotoelectric, emisia si absorbtia luminii).
Evolutia conceptelor despre natura luminii
1621 - Snelius : i/r = constant (raportul unghiurilor de incidenta/refractie)
Descartes: sin i / sin r = constant
Teoria corpusculara: Newton - nevalida
Fizeau - demonstreaza ca viteza luminii in apa e mai mica decat in vid
Michelson - pe baza esecului teoriei sale, ia nastere TRR a lui Einstein
Fotometria
Undele luminoase de natura electromagnetica transporta o anumita cantitate de energie ce poate fi masurata, transformand-o cu ajutorul diferitilor receptori in alta forma de energie. Partea opticii care se ocupa cu studiul cantitativ al energiei luminoase se numeste fotometrie. In sens mai larg, fotometria include masuratorile din VIS, UV, IR.
Propagarea radiatiei electromagnetice implica o propagare de energie, dar numai unele din aceste radiatii dau senzatia de lumina; de aceea se impune definirea a 2 sisteme de marimi si unitati: a. Energetice
b. Fotometrice
Marimile energetice caracterizeaza lumina din punct de vedere al energiei transportate de undele luminoase, in timp ce marimile fotometrice caracterizeaza lumina din punct de vedere al perceperii luminii de catre ochi. Ochiul - traductor ale carui informatii sunt prelucrate in creier.
Marimi energetice: flux energetic θe, intensitate energetica Ie, iluminare energetica Ee
Marimi fotometrice: flux θ, intensitate I, iluminare E
Energia radianta este energia transportata de unda electromagnetica
Consideram o sursa de lumina intr-un mediu transparent, izotrop (aceleasi proprietati in toate punctele) - nu se pierde energie prin absorbtie. Consideram un fascicul de raze continute intr-un con in varful caruia se afla sursa S de lumina. Energia ce strabate o sectiune oarecare a conului in unitatea de timp se numeste flux de energie radianta.
Θe = W/t, unde W=energia ce trece prin aria A in timpul t.
<θe>SI = w (watt)
Presupunem ca acest con e decupat dintr-o sfera de raza r, cu S in centru. Baza conului va determina o calota de arie ΔA. Unghiul volumic determinat de suprafata laterala a conului si varful acestuia se numeste unghi solid (Ω), masurat prin raportul dintre aria calotei sferice, si patratul razei acesteia: ΔΩ = ΔA/r2.
<Ω>SI = steradian
Intensitatea energetica a unei surse punctiforme: Ie = Δθe/ΔΩ.
Iluminarea energetica: Ee = Δθe/ΔA.
Ee = Δθe/ΔA = Ie * ΔΩ/ ΔA = Ie/r2 (pentru un flux perpendicular)
Ee = Ie cosα /r2 (pentru un unghi α)
|
