Жарықтың шашырауы

Жарықтың шашырауы — оптикалық сәуле (жарық) ағынының затпен өзара әсерлесуі кезінде кейбір сипаттамаларының өзгеруі. Мұндай сипаттамаларға жарық қарқындылығының кеңістіктік таралуы, жиіліктік спектр, жарықтың полярлануы жатады. Көбінесе, Жарықтың шашырауы деп ортаның кеңістіктік біртексіздігінен болатын сол ортаның өзіндік емес (меншіксіз) жарқырауын айтады. Жарықтың шашырауын жүйелі түрде кванттық электрдинамикаға негізделген сәуленің затпен әсерлесуінің кванттық теориясы мен зат құрылысының кванттық көзқарасына сүйене отырып сипаттауға болады. Бұл теория бойынша, Жарықтың шашырауының әрбір жеке актісі зат бөлшегінің энергиясы , импульсі к және полярлануы болатын фотонды жұтуы, содан кейін энергиясы , импульсі к және полярлануы болатын фотонды шығаруы деп қарастырылады (мұндағы және — түскен және шашыраған сәуле жиіліктері, к және к — толқындық векторлар). Егер шыққан фотонның энергиясы жұтылған фотонның энергиясына тең болса , онда Жарықтың шашырауы рэлейлік шашырау немесе серпімді шашырау делінеді. Ал Жарықтың шашырауы болғанда, энергия сәуле мен заттың арасында бөлінеді де, ол серпімсіз шашырау деп аталады.

Жарықтың шашырауын, көп жағдайда, сәуленің толқындық теориясы негізінде сипаттау жеткілікті. Бұл теория тұрғысынан, түскен жарық толқыны орта бөлшектерінде электр зарядтарының еріксіз тербелістерін тудырады, ал олар екінші реттік жарық толқындарының көздері болып табылады.

 

 

 

Жарықтың оптикалық талшықта шашырауы

 

 

 Жарық сәулесінің бастапқы таралу бағытын өзгертіп, жан-жаққа ауытқуы. Бұл құбылыс жарықтың оптикалық жағынан біртекті емес ортада таралуы кезінде байқалады. Сол орта ішіндегі бөгде бөлшектер жарықтың таралу бағытын өзгертеді. Жарық толқынының электр өрісі әсерінен мұндай орта электрондары еріксіз тербеледі де, барлық бағытта бастапқы толқын жиілігіндей екінші реттік электрмагниттік толқындар шығарады. Жарық бөгде қоспалардан мұқият тазартылған ортадан (заттан) өткенде де шашырайды. Өйткені молекулалар мен атомдар үздіксіз қозғалыста болатындықтан, шағын көлем ішінде де заттың тығыздығы өзгеруі мүмкін. Осы өзгеріс салдарынан да жарық шашырауы байқалады.

 

 

Жарықтың комбинациялық  шашырауы — белгілі бір затқа түскен жарықтың сол заттан толқын ұзындығы өзгере отырып шашырауы. Бұл құбылысты 1928 жылы ресейлік физиктер Г.С. Ландсберг пен Л.И. Мандельштам (кварц кристалдары үшін) және үнді физиктері Ч.В. Раман мен К.С. Кришнан (сұйықтықтар үшін) әрқайсысы бір-біріне тәуелсіз өз беттерінше ашқан. Соңғы екі ғалымның еңбектері дүниежүз. әдебиетте бұрынырақ жарық көргендіктен, шет елде бұл құбылысты раман эффектісі деп атайды. Жарықтың комбинациялық шашырауы арнаулы қондырғының көмегімен бақыланады. Зерттелетін нысанға қондырғы арқылы жарықтың қарқынды шоғы бағытталады. Қоздырушы жарық көзі ретінде сынапты шамдар, кейінгі кезде лазерлер пайдаланылады. Нысаннан шашыраған жарық әуелі фокусталып, одан кейін фотографиялық не фотоэлектрлік әдіспен тіркеледі. Жарықтың комбинациялық шашырауын анық бақылау үшін жарық мейлінше монохроматты болуы керек, былайша айтқанда, денеге түсірілген толқынның құрамында бір не бірнеше толқын ғана болуға тиіс.

 

Жарықтың комбинациялық  шашырау теориясы

 

Жарықтың комбинациялық шашырауы кванттық теория тұрғысынан оңай түсіндіріледі. Жарықтың шашырауы — жарық кванттары мен зат молекулаларының бір-біріне әсер етуі нәтижесінде болатын құбылыс. Кванттық теория бойынша жиілігі n0 фотонның энергиясы һn0-ге тең (мұндағы һ — Планк тұрақтысы). Егер молекуланың меншікті тербеліс жиілігі nі болса, онда оны қоздыру үшін һnі энергия керек. Жарық фотоны зат молекуласымен әсерлесіп, өзінің энергиясын азайтады. Сонда шашыраған фотонның энергиясы былай анықталады: һn¢=һn0–һnі немесе n¢=n0–nі (мұндағы n¢ — шашыраған жарықтың жиілігі). Бұл жағдайда шашыраған жарық жиілігі бастапқы қоздырушы жарық жиілігінен кем. Сонда бұл сызық Жарықтың комбинациялық шашырауы спектріндегі “қызыл” серік сызық болып табылады. Ал егер фотон алдын ала қозған молекулаға түсірілсе, онда фотон молекуламен әсерлесу кезінде молекуланың қозу энергиясын өзіне қосып алады. Бұл жағдайда шашыраған фотонның энергиясы: һn²=һn0+һnі немесе n²=n0+nі болады. Сонымен шашыраған жарық жиілігі бастапқы жарық жиілігінен артық. Бұл сызық “күлгін” серік сызық болып есептеледі. Қалыпты жағдайда қозған күйдегі молекулалардың саны негізгі күйдегі молекулалардың санынан әлдеқайда аз. Тәжірибеде “күлгін” серіктер өте-мөте әлсіз болады да, көбінесе көрінбейді, тек “қызыл” серіктер ғана байқалады. Концентрациясы аз заттарда кейбір жағдайда резонанстық Жарықтың комбинациялық шашырауын байқауға болады. Жарықтың комбинациялық шашырауы сызықтары кейде көп не кейде аз дәрежеде полярланады. Қоздырушы жарық көзі ретінде лазерлерді пайдалану Жарықтың комбинациялық шашырауы әдісімен зерттелетін нысандардың ауқымын кеңейтті. Жарықтың комбинациялық шашырауы құбылысы күрделі молекулалар мен түрліше күрделі кристалл денелердің құрылысын анықтауда кеңінен қолданылады.

 

Жарықтың шашырауының кванттық жолмен де сипаттау

Жарықтың шашырауын классикалық  жолмен де, кванттық жолмен де сипаттаудың  сандық сипаттамасы шашыраудың дифференциалдық  қимасы (д) болып есептеледі. Ол (д) денелік  бұрыштың (д) кішкене элементінде  шашыраған сәуле ағынының (дЖ) түскен сәуле ағынының (Ж0) шамасына қатынасы ретінде анықталады: д=дЖ/Ж0. Шашыраудың толық қимасы барлық бағыт бойынша (яғни д ішіндегі) д-лардың қосындысына тең (қиманың өлшемділігі см2). Жарықтың шашырауын анықтайтын факторлардың әр түрлі болатындығынан оның барлық жағдайын қамтитын біртұтас дәл тәсілді көрсету қиын. Сондықтан құбылысты әр түрлі дәлдікпен сипаттайтын идеал жағдайлар қарастырылады (мысалы, жеке электрондағы Жарықтың шашырауы, жеке атомдағы Жарықтың шашырауы, молекуладағы Жарықтың шашырауы, ұсақ бөлшектердегі Жарықтың шашырауы, ірі бөлшектердегі Жарықтың шашырауы). Көп бөлшектен құралған ортадағы Жарықтың шашырауының жеке бөлшектердегі Жарықтың шашырауынан ерекше айырмашылығы бар. Ол, ең алдымен, толқындар интерференциялануына, екіншіден көп рет шашырау эффектісіне, үшіншіден, бөлшектердің өзара әсерлесуіне байланысты болып келеді.

 Егер шашыраған толқынның  фазасы түскен толқынның фазасымен  бір мәнді анықталатын болса, онда Жарықтың шашырауы когерентті Жарықтың шашырауы деп, ал керісінше жағдайда ол когерентті емес Жарықтың шашырауы деп аталады. Жарықтың шашырауы құбылысы физиканың, химияның және техниканың әр түрлі саласындағы зерттеу жұмыстарында кеңінен пайдаланылады.

 

Жарық –Корінетін жарық - барлық жарықтың бірі

тар мағынада – көрінетін сәуле, яғни жиілігі 7,5 •1014 – 4,0 • 1014Гц аралығындағы адам көзі қабылдайтын электрмагниттік толқын;

кең мағынасында — қабылданатын сәулемен бірге спектрдің ультракүлгін және инфрақызыл аймағындағы сәулелерді де қамтитын оптикалық сәуленің синонимі.

 

Жарық дифракциясы

 

Жарық дифракциясы – жарық толқындарының  мөлшері сол толқындардың ұзындығымен  қарайлас тосқауылды (тар саңылау, жіңішке  сым, т.б.) орап өту құбылысы. Жарық дифракциясы болу үшін жарық түскен дененің айқын шекарасы болуы тиіс. Дифракция жарыққа ғана тән емес, басқа да толқындық процестерде де байқалады (мысалы, механикалық толқындардың жолында кездескен тосқауылды орап өтуі, т.б.). Жарық дифракциясы кезінде жарықтың түзу сызық бойымен таралу заңы, яғни геометриялық оптиканың негізгі заңдары бұзылады. Жарық толқындарының ұзындығы өте қысқа болғандықтан, қалыпты жағдайда жарық дифракциясы байқалмайды. Жарық дифракциясы – жарықтың толқындық қасиетін дәлелдейтін негізгі құбылыстардың бірі. Бұл құбылысты 17-ғасырда италиялық физик және астроном Франческо Гримальди ашты, ал оны француз физигі Огюстен Жан Френель түсіндірді.

 

Жарық жылдамдығы

 

'Жарық жылдамдығы, с' – кез  келген электрмагниттік толқындардың (оның ішінде жарықтың да) бос  кеңістіктегі (вакуумдағы) таралу жылдамдығы; іргелі физикалық тұрақтылардың  бірі. Жарық жылдамдығының шамасы материалдық дененің массасы мен толық энергиясын байланыстырып тұрады. Санақ жүйесі өзгерген кезде координатты, жылдамдықты және уақытты түрлендіру жарық жылдамдығы арқылы өрнектеледі. Жарық жылдамдығын алғаш рет 1676 ж. Юпитер серіктерінің тұтылулары арасындағы уақыт аралығының өзгеруі бойынша дат астрономы Оле Ремер өлшеді (бақылау нәтижесінде с=215000 км/с болды). Жарық көзі ретінде лазерлерді пайдаланып жүргізген өлшеулер нәтижесінде жарық жылдамдығын өлшеу дәлдігі жоғары көтерілді: с=299792,5•0,15 км/с. Қазіргі кезде жарық жылдамдығының вакуумдағы мәні үшін ресми түрде с=299792,458•1,2 м/с қабылданған.

 

Жарық интерференциясы

 

Жарық интерференциясы – жарық  толқындарының қабаттасуы нәтижесінде  бірін-бірі күшейтуі немесе әлсіретуі. Егер екі толқынның өркештері мен өркештері, сайлары мен сайлары дәл келсе, онда олар бірін-бірі күшейтеді; ал біреуінің өркештері екіншісінің сайларына дәл келсе бірін-бірі әлсіретеді. Жарық интерференциясы кезінде қабаттасқан жарық шоғының қарқындылығы бастапқы шоқтың қарқындылығына тең болмайды. Механикалық толқындар да интерференцияланады. Жарық интерференциясына қатысты кейбір құбылыстарды Исаак Ньютон бақылаған. Бірақ ол өзінің корпускулалық теориясы тұрғысынан бұл құбылысты түсіндіре алмады. 19-ғасырдың басында ағылшын ғалымы Томас Юнг және француз физигі Огюстен Френель жарық интерференциясын толқындық құбылыс ретінде түсіндірді. Кез келген жарық толқындары қабаттасқанда интерференция құбылысы байқалмайды. Тек когерентті толқындар ғана интерференцияланады. Жарық интерференциясының көмегімен жарық толқындарының ұзындығы өлшенеді, спектр сызықтарының нәзік түзілісі зерттеледі, заттың тығыздығы мен сыну көрсеткіші тәрізді қасиеттері анықталады.

 

 

 

Жарық қысымы

 

Жарық қысымы – жарықтың шағылдыратын немесе жұтатын денеге түсіретін  қысымы. Күн маңынан ұшып өткен кезде құйрықты жұлдыздың (кометаның) құйрығының қисаюына жарық қысымының әсері болатындығын 1619 ж. алғаш рет неміс ғалымы Иоганн Кеплер болжаған. 1873 ж. ағылшын физигі Джеймс Максвелл электрмагниттік теорияға сүйене отырып, жарық қысымының шамасын анықтады. 1899 ж. орыс физигі Петр Лебедев жарықтың қатты денелерге, кейінірек газдарға (1907 – 10) түсіретін қысымын өлшеді. Жарық қысымын жарықтың электрмагниттік теориясы мен кванттық теориясы негізінде түсіндіруге болады. Жарық қысымы әсерінен Жердің жасанды серіктерінің орбиталары аз да болса толықсиды.

 

 

 

 

Жарықтың сынуы

Жарықтың сынуы – екі ортаның  шекаралық қабатына түскен сәуленің екінші ортаға өткен бөлігінің бастапқы бағыттан ауытқуы. Жарықтың сыну заңдары былай тұжырымдалады:

түскен сәуле, сынған сәуле және екі ортаны бөлетін шекаралық бетке жүргізілген перпендикуляр бір жазықтықта жатады. Түскен сәуле мен сынған сәуле өзара қайтымды болады;

түсу бұрышы синусының (α) сыну бұрышы синусына (φ) қатынасы тұрақты шама болады: мұндағы н – ортаның сыну көрсеткіші. Берілген заттың вакууммен салыстырғандағы сыну көрсеткіші сол заттың абсолюттік сыну көрсеткіші деп аталады.

 

Жарықтың шағылуы – жарықтың екі түрлі орта шекарасына (кем дегенде біреуі мөлдір болатын) түсуі кезінде байқалатын құбылыс. Мөлдір ортадағы жарық сәулесі сыну көрсеткіші сол ортаға қарағанда өзгеше болатын екінші ортаға жеткен соң, оның біршама бөлігі сынып, басқа бағытпен таралады да, енді бір бөлігі бірінші ортаға қарай кері шағылады. Шағылған және сынған сәулелер қарқындылығының салыстырмалы шамасы жарық түскен дене бетінің тегістігіне, жарықтың құрамы мен түсу бұрышына, т.б. байланысты болады. Кейде жарық сәулесі толығымен кері шағылады.

Жарықтың шашырауы

 

 

Жарықтың комбинациялық  шашырауы — белгілі бір затқа түскен жарықтың сол заттан толқын ұзындығы өзгере отырып шашырауы. Бұл құбылысты 1928 жылы ресейлік физиктер Г.С. Ландсберг пен Л.И. Мандельштам (кварц кристалдары үшін) және үнді физиктері Ч.В. Раман мен К.С. Кришнан (сұйықтықтар үшін) әрқайсысы бір-біріне тәуелсіз өз беттерінше ашқан. Соңғы екі ғалымның еңбектері дүниежүз. әдебиетте бұрынырақ жарық көргендіктен, шет елде бұл құбылысты раман эффектісі деп атайды. Жарықтың комбинациялық шашырауы арнаулы қондырғының көмегімен бақыланады. Зерттелетін нысанға қондырғы арқылы жарықтың қарқынды шоғы бағытталады. Қоздырушы жарық көзі ретінде сынапты шамдар, кейінгі кезде лазерлер пайдаланылады. Нысаннан шашыраған жарық әуелі фокусталып, одан кейін фотографиялық не фотоэлектрлік әдіспен тіркеледі. Жарықтың комбинациялық шашырауын анық бақылау үшін жарық мейлінше монохроматты болуы керек, былайша айтқанда, денеге түсірілген толқынның құрамында бір не бірнеше толқын ғана болуға тиіс.

 

Жарықтың комбинациялық  шашырау теориясы

Жарықтың комбинациялық шашырауы кванттық теория тұрғысынан оңай түсіндіріледі. Жарықтың шашырауы — жарық кванттары мен зат молекулаларының бір-біріне әсер етуі нәтижесінде болатын құбылыс. Кванттық теория бойынша жиілігі n0 фотонның энергиясы һn0-ге тең (мұндағы һ — Планк тұрақтысы). Егер молекуланың меншікті тербеліс жиілігі nі болса, онда оны қоздыру үшін һnі энергия керек. Жарық фотоны зат молекуласымен әсерлесіп, өзінің энергиясын азайтады. Сонда шашыраған фотонның энергиясы былай анықталады: һn¢=һn0–һnі немесе n¢=n0–nі (мұндағы n¢ — шашыраған жарықтың жиілігі). Бұл жағдайда шашыраған жарық жиілігі бастапқы қоздырушы жарық жиілігінен кем. Сонда бұл сызық Жарықтың комбинациялық шашырауы спектріндегі “қызыл” серік сызық болып табылады. Ал егер фотон алдын ала қозған молекулаға түсірілсе, онда фотон молекуламен әсерлесу кезінде молекуланың қозу энергиясын өзіне қосып алады. Бұл жағдайда шашыраған фотонның энергиясы: һn²=һn0+һnі немесе n²=n0+nі болады. Сонымен шашыраған жарық жиілігі бастапқы жарық жиілігінен артық. Бұл сызық “күлгін” серік сызық болып есептеледі. Қалыпты жағдайда қозған күйдегі молекулалардың саны негізгі күйдегі молекулалардың санынан әлдеқайда аз. Тәжірибеде “күлгін” серіктер өте-мөте әлсіз болады да, көбінесе көрінбейді, тек “қызыл” серіктер ғана байқалады. Концентрациясы аз заттарда кейбір жағдайда резонанстық Жарықтың комбинациялық шашырауын байқауға болады. Жарықтың комбинациялық шашырауы сызықтары кейде көп не кейде аз дәрежеде полярланады. Қоздырушы жарық көзі ретінде лазерлерді пайдалану Жарықтың комбинациялық шашырауы әдісімен зерттелетін нысандардың ауқымын кеңейтті. Жарықтың комбинациялық шашырауы құбылысы күрделі молекулалар мен түрліше күрделі кристалл денелердің құрылысын анықтауда кеңінен қолданылады.

Жарық толқындары

§ 4.1 Жарық табиғатына көзқарастың дамуы

Жарық табиғатына деген адамдардың көзқарасы ерте заманнан ақ қалыптаса бастаған. Осыдан екi жарым мың жыл бұрын Пифагор «әрбiр зат өзiнен аса ұсақ бөлшектер шығарады, ол бөлшектер адам көзiне жетiп, адам заттарды көредi» деп түсiндiрген. Көптеген ғасырлар бойы үстемдiк құрған осы пiкiрдi И.Ньютон одан әрi дамытты. Ол жарық бөлшектерiн корпускулалар деп атап, бұл бөлшектер инерция заңын қанағаттандырады деп есептедi. Бұлай деу тәжiрибеден байқалатын жарықтың түзу сызық бойымен таралу, шағылу заңдарын түсiндiруге мүмкiндiк беретiн. Одан әрi жарық жөнiнде жаңа тәжiрибелiк деректердiң жинақталу барысында интерференция және дифракция тәрiздi құбылыстар ашылды. Бұл құбылыстарды жарықтың корпускулалық қасиетi арқылы түсiндiру мүмкiн емес едi. Осымен байланысты ХIХ ғасырдың басында Х.Гюйгенс, Ю.Юнг және О.Френель тәрiздi ғалымдардың еңбектерiнде жарықтың толқындық теориясы ұсынылып, қалыптасты.