Как определить угол рассеяния…

Угол рассеивания

Как определить угол рассеяния...

4 Апр 2016

Представьте, вы переступаете порог торгового центра, заходите в магазин, смотрите на вешалки с вещами, и все такое красивое! Потом вы покупаете вещь, которая вам очень понравилась на витрине, одеваете ее, выходите на улицу, а вещь-то не так смотрится, как в магазине. Почему так происходит? На самом деле ответить несложно.

Причины две, и обеими активно пользуются маркетологи, которые постоянно нам с вами пытаются что-то продать.

Первую причину мы с вами подробно рассматривали в статье про индекс цветопередачи, вам ведь нравятся естественные цвета? И причина вторая, и основная, о которой пойдет сегодня речь, это угол рассеивания, и как с его помощью сделать свою жизнь прекраснее.

Что же такое этот самый угол рассеивания и как же он поможет нам? Все просто. Если объяснять без непонятной теории, то это угол, под которым свет расходится от источника, его излучающего.

И, как следствие, получается, что некоторые лампы, при одинаковой мощности, освещают всю комнату, а другие светят в определенную точку.

На упаковке каждой лампы есть маркировка, указывающая на угол рассеивания.

Давайте разберемся, какие бывают углы рассеивания и в какой ситуации применяются. Стоит отметить, что равномерное рассеивание света в помещении — залог комфорта или успешного рабочего дня.

Вам же некомфортно сидеть в офисе, в котором у кого-то из коллег на столе светло, а у кого-то полумрак? Или неприятно, когда дома одна половина комнаты освещена лучше другой? Именно знания касательно угла рассеивания и их грамотное применение помогут вам грамотно выстроить освещение и дома, и на работе, и на даче.

Самый большой угол рассеивания у лампы накаливания, так как она почти вся прозрачная и свет равномерно расходится во все стороны. Также большой угол рассеивания заведомо имеют энергосберегающие лампы.

Правда, есть исключения. И в первом и во втором случае, это лампы типа рефлектор (зеркальные лампы), они обычно имеют более направленное свечение. А вот светодиодные, металлогалогенные, галогенные обычно имеют на коробке маркировки.

Чаще всего этот показатель варьируется от 15 до 180 градусов. Лампу с углом рассеивания 180 градусов можно вкрутить дома в люстру, и она будет светить на всю комнату.

В принципе с большим углом рассеивания все предельно ясно. Гораздо более темный лес в лампах с меньшим углом.

И тут необходимо рассказать про устройства, в которых используются эти источники света – о спотах и точечных светильниках, трековых светильниках и интерьерной подсветке.

Споты — это светильники, как правило, направленного света. Таковыми же являются и трековые светильники. Разница в том, что споты обычно используются в бытовых условиях, для того, чтобы акцентировать свет на какой-нибудь картине или ином объекте.

Они рассчитаны на маломощные лампы. Трековые же светильники, как правило, рассчитаны на более мощные лампы и их обычно применяют в торговом освещении.

Представляете, стоите вы посреди магазина, а перед вами манекен в рубашке, которую вы давно хотели? А он еще и весь в лучах освещения, правда, хочется купить? Споты имеют больший угол рассеивания, нежели трековые светильники.

Ко всему прочему, трековые светильники, при домашнем использовании, будут смотреться красиво только в интерьере «лофт», для них нужны специальные громоздкие крепления, и они не экономны.

Перейдем к точечным светильникам. Такие светильники используются в натяжных и гипсокартонных потолках. У кого-то из вас наверняка есть подсветка кухни или зеркала в ванной комнате, там как раз встроены точечные светильники. Они также обычно имеют небольшой угол рассеивания.

В такие светильники ставятся совершенно разные лампы от обычных ламп накаливания до капсульных галогенных и светодиодных ламп. Точечные светильники бывают всевозможных форм, от простого стального круга и заканчивая хрустальным изделием с дополнительной светодиодной подсветкой.

Итак, теперь мы с вами имеем понимание видов основных светильники и их угол рассеивания, и на основании этой информации можем делать выводы. Чтобы достичь идеального освещения в помещении, нам понадобятся светильники, как с большим углом рассеивания, так и направленного света.

Предположим, что мы освещаем спальню. Нам с вами понадобится люстра, которая будет светить в центре комнаты и заливать ее светом. Также нам понадобится пара направленных прикроватных светильников.

Вы сможете читать книжку, направив в нее свет, а если кто-то спит рядом с вами, он, вероятно, продолжит спать. А еще представим, что у вас в комнате есть пара картин, и их подсветить можно спотовыми светильниками. И предположим, над вами на потолке сложная конструкция из гипсокартона.

В нее ставим точечные светильники и светодиодную ленту таким образом, чтобы вам нравилось.

Источник: https://shop.p-el.ru/blog/istochniki-sveta/ugol-rasseivaniya/

Угол рассеивания и другие параметры светодиодных ламп

Как определить угол рассеяния...

Светодиодная лампочка – это чудо-изобретение. Ведь до ее появления при превращении электричества в свет получалось промежуточное физическое явление. Электрический ток течет по проводам, побочный эффект этого – выработка тепла: проводник нагревается, и на это уходит часть энергии тока.

Природа светодиодного свечения

Не сразу люди догадались это тепло использовать для обогрева помещений и для освещения. В последнем случае необходимо так сильно разогреть проволоку, чтобы она сама начала светиться.

И не красным цветом раскаленной в печи стали, а ярко до ослепительности. Получается, свет в данном случае лишь второй продукт после тепла.

Ток вырабатывает тепло, а тепло разогревает металл, заставляя его светиться.

Лампа накаливания

Такая двухшаговая схема использования электроэнергии – явление обычное. Что при использовании электричества, что при его выработке.

Потому что механическая энергия воды, например, не сразу дает ток, а сначала вращает турбину, прикрепленную к ротору генератора, ротор со статором вместе вырабатывают переменное магнитное поле, а уж поле формирует электрический ток в проводниках. Аналогично и с тепловой генерацией.

Полупроводники дали возможность сразу, без посредников превращать одни виды энергии в другие. Соответственно, при этом сразу увеличился КПД, что способствовало эффективности и экономичности. В солнечных батареях солнечная энергия прямо переходит в электрическую.

А электрическая так же просто излучается в виде света. При этом механика процесса несложна – простая пластинка полупроводника с определенными свойствами.

Вот это и есть та самая революция XXI века, которую уже давно предрекали, и возможности которой еще не полностью изучены.

Нас интересует полупроводник – излучатель света, выполненный в виде диода, светодиод.

Интересны его свойства. У него много плюсов. Но и минусы уже нашлись. А может, его минусы – это просто не совсем понятые и нереализованные плюсы?

Свет полупроводник излучает безынерционно. Приложить можно постоянное напряжение, а можно – переменное. Причем в широком диапазоне напряжений. И он начнет светиться, причем так, как к нему приложили напряжение.

Постоянное – будет свет постоянный, переменное – начнет мигать. Это считается недостатком светодиодных ламп. Но это не их недостаток, а недостаток напряжения, которое на него подают.

Подавайте сглаженное, стабилизированное, или вообще постоянное, они и будут светить непрерывно и мягко.

Угол рассеяния света

Абсолютно такая же картина с углом рассеяния света. Светодиод выпускается в виде маленьких прямоугольных пластинок, и светит у него одна из граней. Ну и свет от нее будет, соответственно, как от плоской светящейся пластинки, или светящегося окошка. То есть рассеяние у него обычное для некогерентного света.

Большая часть света идет перпендикулярно, а вокруг оси направленности (перпендикуляра к поверхности) его поток убывает обратно пропорционально тангенсу угла отклонения.

В общем, диаграмма направленности элементарного светодиода примерно такая же, как и диаграмма плоского светильника из тех же светодиодов. Получается, он светит вперед конусом с размытой границей.

Примерный угол конуса света – около 120°.

Сейчас выпускают светодиодные лампы по форме точь-в-точь как лампы накаливания: с резьбой Эдисона, стеклянным баллоном и даже имитацией спирали внутри баллона. Причем спираль выполнена из проволочки, покрытой полупроводником, и эта проволочка излучает свет.

И какой у нее угол рассеяния? Проволочка – это цилиндр, значит, направление рассеяния по двум координатам будет 360 градусов, но проволочку изогнули и втиснули, и стала она светить точно так же, как спираль в лампе накаливания. Такая модель явно шаг назад относительно прогресса, поэтому, думается, она вряд ли проживет достаточно долго. Ровно до тех времен, когда «лампочка Ильича» уже не будет вызывать ни у кого ностальгию.

Диаграмма направленности светодиодной лампы

Диаграммы направленности различных ламп

Вот диаграммы направленности разных выпускаемых сейчас светодиодных ламп:

  1. матовое полушарие с цоколем E27. Светит так же, как плоская лампа;
  2. E27, но диаграмма значительно шире. Примерно как у обычных таких же по форме лампочек накаливания;
  3. то же, но E14 – «толстенькая» свеча;
  4. E14 – матовая свеча;
  5. «кукуруза» Е27 и Е14;
  6. GU10;
  7. MR16;
  8. E14 – свеча с тремя лепестками;
  9. E14 и E27 с конусной линзой.

    E14 и E27 с конусной линзой

По диаграммам направленности можно видеть, как поведет себя лампа в разных видах подключений. Там, где сверху на диаграмме завал, понятно, что если лампу поставить в люстру баллоном вверх, потолок останется неосвещенным. Некоторые из таких ламп хороши в люстрах, некоторые – в настольных светильниках.

Человеческая фантазия неисчерпаема. Впереди еще множество экспериментов с диодными шнурами, лентами, матрицами, подсветками разной степени скрытности источника. Пока какой-то элемент не будет окончательно унифицирован в качестве общего для всех систем, легко подключаемого модуля. Вот тогда и можно будет «строить свет» таким, каким хочется.

Источник: https://LampaGid.ru/vidy/svetodiody/ugol-rasseivaniya

Рассеяние частиц. Опыт Резерфорда. Эффективное сечение взаимодействия

Как определить угол рассеяния...

Наши задачи: на примере открытия существования ядра в атоме, сделанным Э. Резерфордом в 1911 году, продемонстрировать основной метод исследования микромира, определить понятие эффективного сечения взаимодействия.

Человек — существо макроскопическое, и нам недоступно непосредственное восприятие микрообъектов. Все измерения в ядерной физике — косвенные. Посмотрим, как это делается на примере установления структуры атома.

Атомы долгое время представлялись как неделимые частицы вещества (греческое слово atomos — неделимый). Размер атома имеет порядок 10-10 м.

В последнее десятилетие XIX века был сделан ряд открытий (рентгеновское излучение, естественная радиоактивность, существование носителя элементарного заряда- электрона), приводящих к осознанию того, что атомы имеют сложную структуру. Поскольку в состав атома входят электроны, а атомы нейтральны, атом должен содержать и положительный заряд.

модели атома

Две мыслимые модели можно предложить. Первая модель атома предложена Дж. Томсоном: положительный заряд занимает весь объем атома и в него вкраплены электроны. Вторая структура — положительный заряд сконцентрирован в сердцевине, называемой ядром.

Резерфорд с сотрудниками провел опыты по зондированию атомов альфа-частицами. В начале прошлого века не могло быть речи об ускорителях. В распоряжении экспериментаторов были только радиоактивные изотопы. Альфа-частицы возникают при распаде радия и ряда других элементов, а представляют собой ядра гелия, т.е.

полностью ионизированные атомы гелия. Масса альфа-частицы почти в 8000 раз больше массы электрона, поэтому не следует ожидать, что при столкновении их с электронами произойдет заметное изменение направления движения. Рассеяние (изменение направления движения) могут вызвать только положительно заряженная часть атома. Э.

Резерфорд, однако, заметил, что определенные альфа-частицы отклонялись от ожидаемого направления в значительно большей степени, чем это допускалось теорией Дж. Томсона.

Работая с Эрнестом Марсденом, студентом Манчестерского университета, ученый подтвердил, что довольно большое число альфа частиц отклоняется дальше, чем ожидалось, причем некоторые под углом более чем 90 градусов. Размышляя над этим явлением, Э. Резерфорд в 1911 г. предложил новую модель атома.

Согласно его теории, которая сегодня стала общепринятой, положительно заряженные частицы сосредоточены в тяжелом центре атома, а отрицательно заряженные (электроны) движутся вокруг ядра, на довольно большом расстоянии от него. Эксперимент решил вопрос о строении атома в пользу ядерной модели.

Итак, есть две модели. В качестве рабочей гипотезы примем существование ядра. Далее проводим расчеты и сопоставляем с результатами опыта. Если будет получено удовлетворительное согласие, гипотезу принимаем.

Рисунок 1.

Примем ряд обозначений: ze — заряд налетающей частицы (для альфа-частицы z=2), Ze — заряд ядра, — масса альфа-частицы, M — масса ядра, v — скорость альфа-частицы.

Имеет смысл рассматривать столкновение частиц в системе центра инерции.

И тогда вместо решения задачи о движении двух частиц (альфа-частицы и ядра) перейдем к задаче о движении одной частицы с приведенной массой μ относительно неподвижного центра, где μ

Энергия кулоновского взаимодействия частиц U равна

Запишем законы сохранения энергии (1) и момента количества движения (2)

Решение системы (см. Приложение) приводит к формуле, связывающей прицельный параметр b и угол рассеяния в системе центра инерции θ,

Но попытка проверить эту формулу на практике потерпит неудачу: если энергия альфа-частиц, скажем, 5 МэВ, угол рассеяния около 30 градусов, то прицельное расстояние имеет порядок 10-14 м, то есть за гранью измеримого.

Получение результата, подлежащего опытной проверке

Рисунок 2

Пусть у нас есть пластина единичной площади с отверстиями (рис.2). Всего N отверстий каждое площадью s0. На эту пластину перпендикулярно ей падает n точечных частиц. Какая доля частиц пройдет через пластину? Очевидно

Доля частиц, испытавших взаимодействие (в нашем примере прошедших через отверстия), отнесенная к числу центров взаимодействия на единице площади мишени, называют эффективным сечением взаимодействия (почему эффективным, поясним позднее). В нашем примере сечение σ = s0.

Поскольку связь угла рассеяния θ и прицельного параметра b однозначная, диапазону углов рассеяния от θ до θ+dθ соответствует диапазон прицельных параметров от b до b+db.

Вычислим долю альфа-частиц, прицельное расстояние которых заключено между θ и θ+dθ. Альфа-частицы, удовлетворяющие этому условию, попадают в кольцо с внутренним радиусом b и внешним b+db (см. рисунок).

Учитывая малость db, площадь кольца 2πbdb. Если на единице площади 1 ядро-мишень, получаем

Здесь dn — число частиц, попадающих в кольцо, n — число частиц, падающих на единичную площадку. Найдем b и дифференциал db, используя формулу (3)

Знак «-» в последней формуле показывает, что с увеличением b угол θ уменьшается. При вычислении площади кольца мы его опустим.

Подставим выражения для b и db в формулу (5), умножив числитель и знаменатель на 2sin(θ/2).

В числителе угловой части оказывается выражение для элемента телесного угла . И окончательно получаем формулу для дифференциального сечения рассеяния, известную как формула Резерфорда

Смысл его — доля рассеянных частиц в единичный телесный угол вблизи θ, отнесенная к числу центров взаимодействия на единице площади мишени.

Если у нас стоит детектор под углом θ, который стягивает к мишени телесный угол ΔΩ, мишень имеет толщину t и концентрацию ядер NC, то число рассеянных частиц, попадающих в детектор, равно

установка Резерфорда

На рисунке слева в камере (5) альфа-частицы от источника (1) падают на фольгу (2). Рассеянные частицы попадают на прозрачный экран (3), покрытый ZnS, вызывают вспышки света, наблюдаемые в микроскоп (4).

Экран с микроскопом можно повернуть вокруг мишени. Вспышки света слабые.

Экспериментатор примерно час сидел в темноте, чтобы повысить чувствительность глаз, а затем минут 15 считал рассеянные частицы, больше не позволяла усталость.

Из формул (8) и (9) следует, что при изменении угла θ

Постоянство этого произведения и проверено на опыте. Результаты для рассеяния на фольге из золота приведены таблице.

Угол отклонения θ, град Среднее число отсчетов
1530456075105120135150
1320007800143547721169.551.943.

0

33.1
38.435.030.829.829.127.529.031.228.8

Из таблицы видно, что число отсчетов меняется в очень широких пределах (примерно в 3500 раз), тогда как произведение dN•sin4(θ/2) остается приблизительно постоянным (изменяется только на 30%).

Делаем вывод: предположение о наличии в атоме ядра с зарядом Ze верно, но теория требует уточнения.

Действительно, формула (8) не может быть правильной, т.к. при θ → 0 выражение стремится к бесконечности. Чего не учли при выводе? Рассмотрена задача о рассеянии альфа-частиц на точечном заряде Ze.

В действительности ядро окружено электронами, и при больших прицельных расстояниях (им соответствуют малые углы рассеяния θ) эффективный заряд будет меньше, и рассеяние слабее. Если b порядка 10-10 м атом нейтрален.

Для больших углов рассеяния b порядка 10-14 м, и надо учесть конечные размеры ядра, что уменьшит рассеяние и в этой области углов θ. Кроме того, при θ > 90° вступают в действие ядерные силы притяжения.

Самостоятельные измерения

Вы можете посмотреть текст статьи, опубликованной в 1911 году Э.Резерфордом «Рассеяние α- и β-частиц веществом и строение атома» и докладом Э.Резерфорда при вручении ему нобелевской премии (1908г.) «Химическая природа α-частиц, испускаемых радиоактивными веществами»(файлы pdf).

1908

LORD ERNEST RUTHERFORD for his investigations into the disintegration of the elements, and the chemistry of radioactive substances.

Эрнест Резерфорд — лауреат нобелевской премии по химии(1908г.). Присуждена она за проведенные им исследования в области распада элементов в химии радиоактивных веществ

Примечание.

Сечение взаимодействия называют эффективным, так как в редких случаях (например, поглощение нейтронов с энергией порядка 10 МэВ ядрами) оно совпадает по величине с площадью центра взаимодействия.

Для медленных нейтронов сечение поглощения может быть в миллион раз больше (из-за проявления волновых свойств нейтрона), для нейтрино — слабо взаимодействующей частицы — в 1019 раз меньше.

 

установка Хофштадтера

Примерно через 40 лет после опытов Э.Резерфорда рассеяние частиц использовано для исследования структуры ядер. Так как размер ядра примерно в 10000 раз меньше чем атома, частицами-бомбардирами служили электроны, ускоренные до энергий порядка 102 МэВ. И установка для регистрации рассеянных электронов (см.

фото) не примитивная с визуальным счетом частиц, а спектрометр, позволяющий кроме углового получить и распределение электронов по энергии. Вся эта махина перемещается по рельсам для задания угла рассеяния θ. Схема нахождения распределения заряда в ядре ρ(r) такова.

Рассчитывают , сравнивают с экспериментальным и подбирают параметры ρ(r), обеспечивающие лучшее согласие.

Приложение. Связь угла рассеяния θ и прицельного параметра b

На рисунке 1b импульс частицы до рассеяния, — после рассеяния.

Закон сохранения энергии требует равенства начальной и конечной энергий частицы, а, следовательно, и модулей импульсов (в процессах сближения и удаления частицы кинетическая энергия сначала уменьшается из-за кулоновского отталкивания, а затем восстанавливает свое значение). Следовательно, треугольник — равнобедренный. Модуль изменения импульса при рассеянии равен

Теперь вспомним механику, а именно, как связаны изменение импульса и сила

Спроектируем это равенство на направление

Из рисунка 1 видно, что

Произведем замену переменных в выражении (П3), перейдем к интегрированию по углу φ. Учтем, что

и получим

Теперь приравняем (П1) и (П6) и получим окончательно формулу (3).

Если устали, то вот забавные и поучительные случаи из жизни Э. Резерфорда

Если возникли вопросы, напишите.

Источник: http://teachmen.ru/work/lectureRz/

Biz-books
Добавить комментарий