Дисперсия света. Разложение белого света призмой. Цвета тел. Виды спектров. Спектральный анализ
С помощью стеклянной призмы в 1666 году Ньютон установил, что белый свет имеет сплошной спектр: в спектре белого света монохроматические лучи непрерывно следуют друг за другом. Такой спектр называют сплошным или непрерывным. В нем цвета (красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый) расположены в порядке убывания длин волн (рисунок 15).
Рис. 4.2.13. Дисперсия света
Рисунок 15. Дисперсия света
Пропустив белый свет через трехгранную стеклянную призму, видим, что синий свет отклониться от первоначального направления сильнее, чем красный.
Абсолютный показатель преломления стекла для синего и красного света:
, следовательно, кр син, т.е. красные лучи распространяются в стекле быстрее, чем синие.
Скорость распространения световых лучей в стекле тем меньше, чем меньше их длина волны или чем больше частота их колебаний.
Зависимость скорости распространения волн в среде от их длины (частоты) называют дисперсией. В подавляющем большинстве случаев с увеличением длины волны показатель преломления уменьшается. Дисперсию такого рода называют нормальной. Дисперсией света в мельчайших капельках воды объясняется появление радуги. Для наблюдения спектров различных излучений пользуются спектроскопом.
Спектры, получаемые от самосветящихся тел, называются спектрами испускания. Они бывают сплошные, линейчатые и полосатые.
Сплошные спектры получаются от светящихся твердых или жидких тел в результате их нагревания.
Линейчатые спектры состоят из узких линий различных цветов, разделенных темными промежутками. Такие спектры получаются от светящихся газов или паров.
Полосатые спектры состоят из ряда светлых полос, разделенных темными промежутками. Они создаются излучением молекул.
Прозрачные вещества поглощают часть падающего на них излучения, и из сплошного спектра белого света часть цветов исчезает, т.е. в сплошном спектре появляются темные линии или полосы поглощения. Такой спектр называется спектром поглощения.
Каждый химический элемент имеет свой характерный линейчатый спектр излучения. Поэтому по линейчатому спектру вещества можно установить, какие именно элементы входят в это вещество. Такой метод называется спектральным анализом. При проведении спектрального анализа пользуются специальными таблицами или атласами спектральных линий, в которых приводится точное расположение линий спектра каждого химического элемента или соответствующие им длины волн. Спектральный анализ широко применяется в науке и технике. Его достоинства – очень высокая чувствительность (10 -9 г), простота и быстрота анализа. Спектральный анализ применяется в астрономии для определения химического состава Солнца и звезд. С помощью спектрального анализа были открыты новые элементы таблицы Менделеева: рубидий, цезий, индий, тантал, гелий.
Электромагнитное излучение в различных диапазонах длин волн. Понятие о парниковом эффекте
Шкала электромагнитных волн:
10000 м – 1 мм ( МГц – МГц) – радиоволны.
100 мкм – 1 мкм – инфракрасные лучи.
1 мкм – 0,4 мкм – видимый свет.
0,4 мкм – 10 нм – ультрафиолетовые лучи.
10 нм – 10 -10 м – рентгеновские лучи.
10 -10 м – 10 -40 м — γ-лучи.
Невидимые лучи, которые в спектре располагаются за красными лучами, называется инфракрасными (латинский “инфра”-под).
Инфракрасные лучи обладают ярко выраженным тепловым действием. Поэтому их часто называют еще тепловыми. Они преломляются слабее красных. Инфракрасные лучи испускают все тела в природе, т.к. их возникновение обусловлено хаотическим движением молекул и атомов любого вещества. С повышением температуры энергия инфракрасного излучения быстро растет. Инфракрасное излучение Земли уносит энергию в мировое пространство. Облака отражают инфракрасное излучение и поэтому ночью при густой облачности становиться теплее.
Инфракрасные лучи используются в технике для сушки, в приборах ночного видения, для наведения снарядов и ракет и т.д.
Электромагнитные волны, короче видимых, называют ультрафиолетовыми (латинский “ультра” — сверх). Они преломляются сильнее фиолетовых и вызывают почернение светочувствительной бумаги. Ультрафиолетовые лучи солнечного излучения сильно поглощаются атмосферой и поэтому у поверхности Земли их мало. Они убивают бактерии и дезинфицируют. Ультрафиолетовые лучи используются в фотографии и медицине.
Рентгеновские лучи (РЛ) были открыты немецким физиком В. Рентгеном. Они невидимы и вызывают свечение многих веществ. РЛ образуются при резком торможении быстро летящих электронов. При ударе меняется магнитное поле электрона и излучается электромагнитная волна. Длина этой волны тем меньше, чем больше скорость электрона в момент удара о препятствие. Т.к. электроны имеют различные скорости, то рентгеновское излучение имеет сплошной спектр. Важной особенностью РЛ является их проникающая способность. Чем короче волна РЛ, тем слабее они поглощаются и тем выше их проникающая способность. Говорят, что чем короче волна РЛ, тем они более жесткие. Показатель преломления РЛ мало отличается от 1. Поэтому они применяются в технике и медицине для диагностирования.
Исследование радиоактивных явлений позволило обнаружить электромагнитные излучения, длина волны которых меньше, чем у рентгеновских лучей. Это излучение было названо гамма-излучением. Оно возникает при распаде ядер атомов.
Парниковый эффект (оранжевый эффект) — это свойство атмосферы Земли пропускать солнечное излучение, но задерживать земное излучение и тем самым способствовать накоплению тепла Землей.
Земная атмосфера сравнительно хорошо пропускает коротковолновое солнечное излучение, которое почти полностью поглощается земной поверхностью. Нагреваясь, Земля становится источником длинноволнового инфракрасного излучения. Прозрачность атмосферы для инфракрасного излучения мала и оно почти полностью поглощается атмосферой.
Благодаря парниковому эффекту при ясном небе только 10-20% земного излучения может уходить в космическое пространство.
Дисперсия света – удивительное явление природы
Дисперсия света представляет собой явление разложения луча белого света на цветные лучи. Это происходит при прохождении света через трёхгранную призму.
История открытия
Явление дисперсии света было открыто в 1672 году известным учёным Ньютоном, который путём серии экспериментов доказал прямую зависимость между цветом световой волны и её частотой. Самым наглядным природным подтверждением проделанного учёным опыта является появление радуги после дождя. В этом случае белый свет преломляется через множество капель, образуя целый спектр света, от красного к фиолетовому цвету. Во многом именно благодаря открытию явления дисперсии света удалось доказать волновую природу света.
Изучение явления
Спектральный прибор
Видимый белый свет включает монохроматические волны, обладающие разной длиной. Совокупность таких волн называют световым спектром, а прибор, при помощи которого изучают дисперсию света, именуется спектральным. Так, простейшим спектральным прибором, при помощи которого можно произвести разложение света в спектр, является стеклянная призма. Математически явление дисперсии света определяется как зависимость преломления того или иного вещества от длины световой волны.
Дифракционная решетка
Дифракционная решетка на лазер
Для более детального изучения явления дисперсии света были изобретены дифракционные решётки. Эти приборы состоят из большого количества щелей и выступов, которые в периодической последовательности наносятся на специальные (стеклянные или металлические) поверхности. Благодаря применению высоких технологий, удалось создать такие дифракционные решётки, которые на каждом миллиметре своей структуры содержат около 2000 штрихов. Существуют также более грубые дифракционные решётки, содержащие всего лишь 100 штрихов на 1 миллиметр. Однако следует отметить, что функцию этого прибора могут выполнять такие обыденные предметы, как граммофонная пластинка или компакт-диск.
Радуга
В том случае, если свет внутри дождевой капли преломляется только один раз, появляется так называемая первичная радуга. Однако при двух отражениях на небе появляется двойная радуга, которая представляет собой более редкое природное явление. Та радуга, диаметр которой меньше, более яркая и обладает стандартным порядком цветов. Вторая радуга, напротив, менее заметна и обладает обратным порядком цветов спектра. Таким образом, необычно красивое явление радуги после дождя можно объяснить простыми физическими законами.
Дисперсия света: что это такое, причины, примеры
Дисперсия света (разложение света; светорассеяние) — это разложение света в спектр, обусловленное зависимостью показателя преломления среды от частоты световой волны.
Наверное, вы уже наблюдали явление образования разноцветной дуги в небе — радугу. Если нет, то, возможно, вы видели разноцветные капли росы солнечным утром. Если вам не нравится дождь и вы не любите вставать по утрам, поставьте перед собой стакан с газированной минеральной водой так, чтобы его освещали солнечные лучи. Затем вы увидите, что пузырьки газа в стекле меняют свой цвет и светятся. Все эти явления являются проявлениями разложения (дисперсии) света.
Разложение солнечного света с помощью призмы, проведенное Ньютоном в 1665-66 годах, было признано научным миром как один из десяти самых красивых экспериментов в истории физики. Таким образом, ученый продемонстрировал, что белый свет на самом деле представляет собой смесь цветов. При этом повторное соединение всех цветов в спектре дает белый свет.
Разложение белого света
Физиком, который впервые доказал, что белый свет представляет собой смесь различных цветов, был Исаак Ньютон, первооткрыватель закона всемирного тяготения. Именно Ньютон использовал призму в своем эксперименте.
Призма — это твердое тело из оптически прозрачного материала (обычно стекла), представляющее собой призму с треугольным основанием. Когда свет проходит через призму, он преломляется дважды: сначала на границе раздела воздух-стекло (при входе в призму), а затем на границе раздела стекло-воздух (при выходе из призмы). Ход светового луча в призме показан на рисунке 1 ниже.
Рис. 1. Путь луча света в призме
Опыт. Как и почему рассеивается свет?
Проверим гипотезу о том, что белый свет разлагается, потому что он представляет собой смесь основных, простых цветов.
Что вам понадобится?
- источник белого света (светодиодный фонарик, проектор);
- щель;
- призма с подставкой;
- экран.
Инструкция.
- Расположите щель вертикально непосредственно за источником света.
- Направьте источник света на одну стенку призмы.
- Расположите экран так, чтобы свет падал на него после прохождения через призму.
Вывод, который получим в результате опыта.
На экране мы наблюдаем так называемый спектр белого света, который представляет собой набор цветов от фиолетового до красного в результате дисперсии пучка белого света. Таким образом, белый свет представляет собой смесь цветов.
Каков механизм формирования спектра белого света? Луч света, представляющий собой смесь цветов, претерпевает двойное преломление при прохождении через призму (см. рисунок 2). Каждый компонент преломляется под разным углом, поскольку скорость его распространения меняется при переходе из одной среды в другую.
Рис. 2. Механизм формирования спектра белого света при прохождении через призму
Помните! При прохождении через призму фиолетовый свет отклоняется от своего первоначального направления в наибольшей степени, а красный — в наименьшей.
Дисперсия света уже происходит, когда белый свет попадает в призму. При выходе из призмы углы преломления, под которыми цветовые компоненты белого света покидают призму, увеличиваются, делая явление более заметным.
Дисперсия света может объяснить многие явления, наблюдаемые в природе, например, образование радуги.
Причина дисперсии света
Причина разложения белого света через призму заключается в следующем: свет разных цветов и, следовательно, разных длин волн имеет разную скорость распространения в материале, например, в стекле. В том же стекле, например, скорость распространения синего света ниже, чем красного.
Следовательно, согласно закону преломления света, синий свет преломляется сильнее, чем красный. В результате различного преломления разных частей белого света, свет разворачивается веером, образуя спектр. Это также называется спектром призмы. При использовании белого света создается непрерывный спектр.
Длины волн и частоты спектральных цветов
Видимый нами диапазон спектра охватывает диапазон длин волн от 390 нм до 780 нм. Это соответствует диапазону частот от 7,7⋅10 14 Гц до 3,8⋅10 14 Гц.
В направлении более длинных волн (более коротких частот) присоединяется инфракрасный свет, а в направлении более коротких волн (более высоких частот) присоединяется ультрафиолетовый свет.
На рисунке 3 приведены частоты и длины волн для шести спектральных цветов. Из данных видно, что каждый спектральный цвет охватывает определенный диапазон длин волн.
Поэтому необходимо проводить различие между светом спектрального цвета (всегда включает в себя диапазон длин волн) и светом определенной длины волны (всегда является частью света спектрального цвета).
Рис. 3. Частоты и длины волн спектральных цветов
Проблемы, возникающие при дисперсии света
Дисперсия света — красивое и эффектное явление, но оно также может доставлять неприятности. Первые наблюдения за небом проводились с помощью телескопов, которые имели одинарные стеклянные линзы.
Рис. 4. Преломление света в линзах астрономического телескопа
Когда луч света проходит через линзу и преломляется, как в призме, особенно в «толстых» линзах, свет может «расщепляться» на основные цвета. Каждый цвет имеет свою фокусную точку (фокус) — поэтому нет единой точки, в которой сходятся все световые лучи. В результате вы можете заметить цветовую кайму (см. рисунок 4) вокруг наблюдаемых объектов и ощутить снижение остроты зрения.
Рис. 5. Хроматическая аберрация (цветовая кайма)
Это явление называется хроматической аберрацией. Определение этого понятия следующее:
Хроматическая аберрация — это дефект линзы, вызванный разложением белого света на составляющие цвета, так что каждый цвет имеет свой собственный фокус, расположенный на разном расстоянии от линзы.
Хроматическая аберрация влияет на качество изображения как при астрономических наблюдениях, проводимых с помощью простых телескопов, так и в процессе обычной фотосъемки, поскольку фотоаппараты оснащены пластиковыми или стеклянными линзами. Этот эффект можно устранить, используя вместо отдельных линз систему соответствующим образом подобранных линз (ахроматическая система).
Происхождение линейчатых спектров
На прошлом уроке мы говорили о дисперсии света и выяснили, что белый свет после прохождения через трехгранную призму разлагается в радужную полоску – спектр. Напомню, что каждый цвет имеет свою конкретную частоту, а белый – смесь всех видимых цветов и постоянной частоты не имеет.
В настоящее время для точного исследования спектров такие простые приспособления, как узкая щель, ограничивающая световой пучок, и призма (которые использовал Ньютон), уже недостаточны. Необходимы приборы, дающие четкий спектр, т. е. приборы, хорошо разделяющие волны различной длины и не допускающие перекрытия отдельных участков спектра. Такие приборы называют спектральными аппаратами. Чаще всего основной частью спектрального аппарата является призма. Рассмотрим схему устройства призменного спектрального аппарата.
Исследуемое излучение поступает вначале в часть прибора, называемую коллиматором. Коллиматор представляет собой трубу, на одном конце которой имеется ширма с узкой щелью, а на другом — собирающая линза. Щель находится на фокусном расстоянии от линзы. Поэтому расходящийся световой пучок, попадающий на линзу из щели, выходит из нее параллельным пучком и падает на призму, которая может быть изготовлена не только из стекла, но и кварца, соли и т.п. (главное, чтобы материал был оптически прозрачен и однороден)
Так как разным частотам соответствуют различные показатели преломления, то из призмы выходят параллельные пучки, не совпадающие по направлению. Они падают на линзу. На фокусном расстоянии этой линзы располагается экран — матовое стекло или фотопластинка. Линза фокусирует параллельные пучки лучей на экране, и вместо одного изображения щели получается целый ряд изображений. Каждой частоте (узкому спектральному интервалу) соответствует свое изображение. Все эти изображения вместе и образуют спектр. Описанный прибор называется спектрографом.
Если вместо второй линзы и экрана используется зрительная труба для визуального наблюдения спектров, то прибор называется спектроскопом.
В се спектры можно разделить на три сильно отличающихся друг от друга типа, которые определяются состоянием светящегося объекта.
В опыте Ньютона, при пропускании солнечного света через призму, получали спектр в виде сплошной полосы. В ней были представлены все цвета, плавно переходящие один в другой. Такой спектр называется сплошным или непрерывным спектром.
Сплошные спектры излучаются раскаленными твердыми и жидкими веществами, а также газами, находящимися под большим давлением. Это указывает на то, что вид непрерывного спектра и сам факт его существования определяются не только свойствами отдельных излучающих атомов, но и в сильной степени зависят от взаимодействия атомов друг с другом. Основную роль в излучении играет возбуждение атомов и молекул при хаотическом движении этих частиц, обусловленное высокой температурой. Солнце дает сплошной спектр, так как его оболочка состоит из плазмы высокой плотности.
Второй тип спектров — это линейчатые спектры.
Линейчатым называют спектр, состоящий из отдельных резко очерченных цветных линий, отделенных друг от друга широкими темными промежутками.
Например, если внести в пламя газовой горелки кусочек поваренной соли, то пламя окрасится в желтый цвет, а в спектре будут видны две близко расположенные желтые линии, характерные для спектра паров натрия (натриевый дублет).
Наличие линейчатого спектра означает, что вещество излучает свет только вполне определенных длин волн (точнее, в определенных очень узких спектральных интервалах). Каждая из линий имеет конечную ширину.
Такие спектры получаются от светящихся атомарных газов или паров. В этом случае свет излучают атомы, которые практически не взаимодействуют друг с другом. Это самый фундаментальный, основной тип спектров.
Линейчатые спектры различных химических элементов отличаются цветом, положением и числом отдельных светящихся линий.
И последний тип спектров — это полосатыеспектры.
Они состоят из отдельных полос, разделенных темными промежутками. С помощью очень хорошего спектрального аппарата можно обнаружить, что каждая полоса представляет собой совокупность большого числа очень тесно расположенных линий.
Полосатые спектры излучаются отдельными возбужденными молекулами (молекулярный газ). Излучение вызвано как электронными переходами в атомах, так и колебательными движениями самих атомов в молекуле.
Все описанные выше спектры называются спектрами испускания, т.е. спектрами, получаемыми при разложении света, излученного самосветящимися телами.
Однако, кроме спектров испускания, существуют еще так называемые спектры поглощения.
Спектры поглощения получают, пропуская свет от источника, дающего сплошной спектр, через вещество, атомы и молекулы которого находятся в невозбужденном состоянии.
Спектры поглощения твердых и жидких тел обычно имеют вид широких темных полос, закрывающих часть сплошного спектра источника, а в случае атомарных газов или паров они состоят из отдельных черных линий, видимых на фоне сплошного спектра. Пропустив, например, светот электрической лампы через сосуд с парами натрия, мы получим на сплошном спектре лампы две узкие черные линии в желтой области спектра как раз в том месте, где располагаются желтые линии в спектре испускания натрия. Другими словами, линии поглощения атомов натрия точно соответствуют его линиям испускания.
В 1859 году на основе экспериментальных данных немецкий ученый Густав Роберт Кирхгоф сформулировал закон обратимости спектральных линий: линии поглощения соответствуют линиям испускания, т.е. атомы менее нагретого вещества поглощают из сплошного спектра как раз те частоты, которые они в других условиях испускают.
Спектр атомов каждого химического элемента уникален. Не существует двух химических элементов, атомы которых излучали бы одинаковый набор спектральных линий.
Благодаря этому стало возможным появление метода спектрального анализа, разработанного в 1859 году Кирхгофом и Бунзеном. Спектральным анализом называют метод исследования химического состава различных веществ по их спектрам.
Анализ, проводимый по спектрам испускания, называют эмиссионным, а по спектрам поглощения — абсорбционным спектральным анализом.
В основе эмиссионного спектрального анализе лежат следующие факты:
1) Каждый элемент имеет свой спектр (отличается числом линий, их расположением и длинами волн), который не зависит от способов возбуждения.
2) Интенсивность спектральных линий зависит от концентрации элемента в данном веществе.
Для выполнения спектрального анализа вещества с неизвестным химическим составом необходимо осуществить две операции: заставить каким-то образом атомы этого вещества излучать свет с линейчатым спектром, затем разложить этот свет в спектр и определить длины волн наблюдаемых в нем линий. Сравнивая полученный линейчатый спектр с известными спектрами химических элементов таблицы Менделеева, можно определить, какие химические элементы имеются в составе исследуемого вещества. Путем сравнения интенсивности различных линий спектра можно определить и относительное содержание различных элементов в этом веществе.
Спектральный анализ выгодно отличается от химического анализа своей простотой, высокой чувствительностью, а также возможностью определять химический состав отдаленных тел, например звезд. Он используется для контроля состава вещества в металлургии, машиностроении и атомной индустрии. Этот метод применяется также в геологии, археологии, криминалистике и многих других сферах деятельности.
В астрономии методом спектрального анализа определяют химический состав атмосфер планет и звезд, температуру звезд и магнитную индукцию их полей.В процессе изучения и применения линейчатых спектров возникли различные вопросы, которые нельзя было объяснить в рамках классической механики Ньютона. Как, например, объяснить, почему атомы каждого химического элемента имеют свой строго индивидуальный набор спектральных линий? Почему совпадают линии излучения и поглощения в спектре данного элементы? Чем обусловлены различия в спектрах атомов разных элементов? Ответы на эти и многие другие вопросы удалось найти только в начале ХХ в. благодаря возникновению новой физической теории — квантовой механики. Одним изосновоположником этой теории был датский физик Нильс Бор. Бор пришел к заключению, что свет излучается атомами вещества. В связи с этим в 1913 г. он сформулировал два постулата:
Первый постулат (его еще называют постулатом стационарных состояний) гласит, что атомная система может находиться только в особых стационарных (квантовых) состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия, находясь на которых атом не излучает и не поглощает энергии.
Стационарным состояниям соответствуют стационарные орбиты, по которым движутся электроны. При движении по стационарным орбитам электроны не излучают электромагнитные волны, несмотря на ускоренное движение. В каждом стационарном состоянии атом обладает определенным квантовым значением энергии.
Второй постулат (или правило частот) гласит, что при переходе атома из одного стационарного состояния в другое излучается или поглощается квант энергии.
Атомы излучают и поглощают энергию дискретными порциями — квантами, значение которых равно разности энергии тех стационарных состояний, между которыми происходит данный переход.
Состояние атома, в котором все электроны находятся на стационарных орбитах с наименьшей возможной энергией, называется основным. Все другие состояния атома называются возбужденными. У атомов каждого химического элемента имеется свой характерный набор энергетических уровней. Поэтому переходу с более высокого энергетического уровня на более низкий будут соответствовать характерные линии в спектре испускания, отличные от линий в спектре другого элемента.
Совпадение линий излучения и поглощения в спектрах атомов данного химического элемента объясняется тем, что частоты волн, соответствующих этим линиям, а спектре, определяются одними и теми же энергетическими уровнями. Поэтому атомы могут поглощатьсвет только тех частот, которые они способны излучать.