Экзамен по Шарову (Оптика 30-66). 30. Природа света

• Название: 30. Природа света
• Дата: 23.05.2023
• Размер: 2.91 Mb.
• Имя файла: Экзамен по Шарову (Оптика 30-66).docx
• Тип: Документы; #1154835
• страница: 14 из 15

§ 173. Типы спектров испускания. Направив на щель спектрографа свет от солнца, лампы накаливания, свечи и т. д., мы получим спектры, имеющие вид сплошной полоски, в которой представлены все длины волн, идущие непрерывной чередой. Такие спектры называются сплошными или непрерывными.

Иной вид имеет спектр, если в качестве источника света использовать светящиеся газы. Направим, на­пример, на спектрограф свет газоразрядной лампы, в ко­торой светится пар ртути. Наблюдаемый спектр имеет вид, изображенный на рис. 322. Он состоит из отдельных рез­ких линий, представляющих собой изображение щели спектрографа в отдельных длинах волн. Каждая линия представляет по существу узкий спектральный интервал, охватывающий некоторый набор длин волн; но интервал этот так узок, что его можно практически считать соответст-



Рис. 322. Спектр пара ртути (длины волн — в ангстремах)



Рис. 323. Небольшой участок спектра железа (от 4143 до 4236 Å)

вующим одной определенной длине волны. Приведенный на рис. 322 в качестве примера спектр ртути характерен для свечения газов или паров. Такие спектры принято называть линейчатыми. Разнообразные пары или газы могут давать спектры, отличающиеся положением спектральных линий (т. е. их длиной волны), а также числом их и распределением по спектру. Спектр пара ртути сравнительно беден линиями; наоборот, в спектре пара железа, например, насчитыва­ется несколько тысяч отдельных спектральных линий (рис. 323), распределенных по видимой и ультрафиолетовой областям спектра.



Рис. 324. Спектр пара иода

При изучении спектров паров или газов наблюдаются также спектры, состоящие из отдельных полос, разде­ленных темными промежутками. Некоторые из этих полос при более тщательном исследовании оказываются состоя­щими из очень большого числа отдельных линий, другие же представляют собой действительно сплошные полоски. Та­кого типа спектры принято называть полосатыми. Рис. 324 дает пример такого спектра, наблюдаемого при свечении пара иода.

§ 174. Происхождение спектров различных типов. Иссле­дование показало, что тип спектра определяется харак­тером светящегося объекта.

Сплошные спектры получаются в результате свечения твердых или жидких тел. В пламени свечи светятся рас­каленные частицы угля, в электрической лампочке — на­каленная металлическая нить. Такие же спектры дают и расплавленные металлы, а также светящиеся газы или пары, если они обладают значительной плотностью, т. е. находят­ся под очень высоким давлением. В частности, сплошной спектр Солнца представляет собой, по-видимому, свечение паров высокой плотности.

Линейчатые и полосатые спектры характерны для свечения газов или паров малой плотности. Линейчатые спектры испускаются светящимися атомами. Многие газы состоят из отдельных атомов, например пары металлов и так называемые инертные газы — гелий, неон, аргон и др. Газы, состоящие из молекул, например водород, кислород, пар иода и др., могут при возбуждении распадаться на атомы (диссоциировать). Такие атомарные газы дают линейчатые спектры. Но можно вызвать све­чение и целых молекул, не разби­вая их на атомы. В таком случае испуска­ются полосатые спектры. При возбуждении таких многоатомных газов или паров нередко происходит частичная диссоциация и наблюдается одновременно и линейчатый и полосатый спектры.

Свечение атомов и молекул в парах и газах можно вызвать нагреванием. Например, в пламени газовой горелки можно наблюдать полосы, соответствующие свечению молекул циана, представляющих соединение углерода и азота (CN). Если в пламя внести крупинку поваренной соли (хлористого натрия, NaCl), то пламя окра­шивается в интенсивный желтый цвет, и спектральный аппарат обнаруживает в жел­той части спектра две близко расположенные линии, характерные для спектра па­ров натрия. Это означает, что в пламени горелки молекулы хлористого натрия рас­пались на атомы натрия и хлора, све­чение атомов натрия легко наблюдается, свечение же атомов хлора возбудить не легко, и оно обыч­но слишком слабо. Гораздо чаще для возбуждения спект­ров атомов и молекул пользуются явлениями электрического разряда в газах. В этом случае трубка с электродами, через которую пропускают электрический ток, наполняется газом при низком давлении.

В этих условиях разряд имеет характер тлеющего (см. т. II, § 100). Нередко трубке тлеющего разряда придают форму, указанную на рис. 325, с тем чтобы сконцентриро­вать свечение в узкой части, что удобно для освещения щели спектрографа. На этом рисунке 1 — электроды, 2 — уз­кая часть, где плотность тока (т. е. ток, рассчитанный на единицу площади) и яркость свечения имеют наибольшее значение. Для той же цели может служить электрическая искра или дуга между исследуемыми электродами.

Если повышать давление светящегося пара или газа, то спектральные линии начинают расширяться, захватывая



Рис. 325. Труб­ка тлеющего разряда

больший спектральный интервал. При очень больших давлениях (сотни и больше атмосфер) линейчатый спектр постепенно переходит в сплошной, характерный для сжатых газов.

Спектр (лат. spectrum «виде́ние») в физике — распределение значений физической величины (обычно энергии, частоты или массы). Графическое представление такого распределения называется спектральной диаграммой[источник не указан 1033 дня]. Обычно под спектром подразумевается электромагнитный спектр — спектр частот (или то же самое, что энергий квантов) электромагнитного излучения.

В научный обиход термин спектр ввёл Ньютон в 1671—1672 годах для обозначения многоцветной полосы, похожей на радугу, которая получается при прохождении солнечного луча через треугольную стеклянную призму.[1]

По характеру распределения значений физической величины спектры могут быть дискретными (линейчатыми), непрерывными (сплошными), а также представлять комбинацию (наложение) дискретных и непрерывных спектров.

Примерами линейчатых спектров могут служить масс-спектры и спектры связанно-связанных электронных переходов атома; примерами непрерывных спектров — спектр электромагнитного излучения нагретого твердого тела и спектр свободно-свободных электронных переходов атома; примерами комбинированных спектров — спектры излучения звёзд, где на сплошной спектр фотосферы накладываются хромосферные линии поглощения или большинство звуковых спектров.

Другим критерием типизации спектров служат физические процессы, лежащие в основе их получения. Так, по типу взаимодействия излучения с материей, спектры делятся на эмиссионные (спектры излучения), адсорбционные (спектры поглощения) и спектры рассеивания.

63. Дисперсия показателя преломления различных материалов. Коэффициенты поглощения, отражения и пропускания.

Дисперсия показателя преломления различных мате­риалов. Измерения показателя преломления в зависимости от длины волны для разных веществ показывают, что дисперсия различных материалов может быть весьма раз­лична. В табл. 9 приведены в качестве примера значения

*) Дисперсия — лат. dispersus — рассеянный, разбросанный. На­блюдавшееся Ньютоном явление следует точнее называть дисперсией показателя преломления, ибо и другие оптические величины обнаружи­вают зависимость от длины волны (дисперсию).
Таблица 9. Зависимость показателя преломления от длины волны для разных веществ



показателя преломления в зависимости от длины волны для двух сортов стекла и двух различных жидкостей.

На рис. 311 изображено, как выглядел бы спектр солнечного света, полученный при помощи призм одинаковой фор­мы, сделанных из перечисленных в таблице материалов.



Рис.311. Сравнительная дисперсия разных веществ: 1 — вода, 2 — легкий крон, 3 — тяжелый флинт. О темных линиях в спектре см. в § 178

Различие в дисперсии для разных стекол позволяет исправлять хроматическую аберрацию, как об этом упо­миналось в § 106.

Отражающие и рассеивающие тела. Наряду с задачей концентрации светового потока нередко возникает потреб­ность распределения этого потока на большую площадь с целью создания равномерной и умеренной освещенности. Для этой цели обычно заставляют световой поток отражать­ся и рассеиваться соответствующими поверхностями. Одна­ко надо считаться с тем, что при этом лишь часть светового потока отражается или пропускается телом, часть же неминуемо поглощается.

Тот факт, что мы видим тела, связан с тем, что они различным образом отражают, преломляют и поглощают па­дающий на них свет. Если некоторое тело отражает свет сильнее, чем окружающие его тела, то оно представляется нам светлым на темном фоне. Если же тело отражает мень­ше света, чем окружающие его тела, то оно будет казаться нам темным. Например, белая бумага отражает свет силь­нее, чем серый картон, и кусочек картона на листе бумаги кажется нам темным. Этот же кусочек картона, если его положить на черный бархат (очень слабо отражающее тело), кажется нам светлым. Тело, отражающее свет так же, как и окружающий фон, сливается с этим фоном.

Прозрачные тела мы видим частично в отраженном, ча­стично в прошедшем через них свете. Рассматривая, например, такой, казалось бы, простой предмет, как граненая стеклянная пробка от графина, мы имеем дело с рядом слож­ных явлений: свет частично отражается от граней пробки или рассеивается, если ее грани матированы; часть света про­ходит сквозь пробку, преломляясь на ее поверхности. Если вполне прозрачное тело погрузить в жидкость с тем же по­казателем преломления, как у данного тела, то оно станет невидимым, так как световые лучи пройдут через него, не изменяя ни своего направления, ни интенсивности. Поглощение света ведет к потерям в световом потоке, энергия которого расходуется при этом главным образом на нагревание поглощающего тела. Как правило, стремятся избегать поглощения светового потока; иногда, впрочем, бывает необходимо обеспечить темный фон или устранить световые потоки нежелательного направления; при этом прибегают к сильно поглощающим покрытиям (например, чернение некоторых поверхностей внутри оптических при­боров). Поглощение характеризуется коэффициентом пог­лощения а, равным отношению светового потока Ф_, пог­лощенного телом, к световому потоку Ф_i, падающему на тело:

(76.1)

Отражение светового потока оценивается коэффициентом отражения , показывающим отношение отраженного по­тока Ф_ к падающему Ф_i, т. е.

(76.2)

Наконец, для характеристики пропускания света служит коэффициент пропускания , равный отношению пропущен­ного телом светового потока Ф_ к падающему Ф_i, т. е.

(76.3)

По закону сохранения энергии имеем



откуда на основании (76.1), (76.2) и (76.3) следует

(76.4)

Итак, сумма коэффициентов поглощения, отражения и про­пускания равна единице. Коэффициенты , ,  зависят обыч­но от цвета (длины волны) света.

Как при отражении, так и при пропускании светового потока следует различать направленное и диффузное (рас­сеянное) отражение и пропускание.



Рис. 162. Отражение светового потока от плоской поверхности: а) на­правленное отражение; б) диффузное отражение; диаграмма б) не из­меняется при изменении угла падения первичного пучка; в) направлен­ное (зеркальное) отражение; параллельный пучок света, падающий на полированную металлическую поверхность, создает резко очерченный отраженный луч; г) диффузное отражение; при падении параллельного пучка световых лучей на белую бумагу свет отражается по всем направ­лениям

При зеркальном отражении от плоской поверхности те­лесный угол светового потока не изменяется (рис. 162, а, в). При рассеянном отражении происходит увеличение телес­ного угла, в котором распространяется световой поток (рис. 162, б, г).Увеличение может быть более или менее зна­чительным в зависимости от свойств рассеивающей поверх­ности. Аналогично, направленное пропуска­ние характеризуется сохранением телесного угла при про­хождении потока сквозь тело, например прохождении света через плоскопараллельную пластинку (рис. 163, а). В про­тивоположность этому диффузное пропускание



Рис. 163. Пропускание света плоскопараллельной пластинкой: а) на­правленное пропускание; б) диффузное пропускание. Диаграмма б) не меняется при изменении угла падения первичного пучка

сопровождается более или менее значительным увеличением телесного угла светового потока. Примером диффузно от­ражающей поверхности может служить матовая бумага; примером диффузно пропускающего материала — так на­зываемые молочные стекла. Матовое стекло явля­ется одновременно и диффузным отражателем и диффузно пропускающей средой.

Рассеивающие свойства поверхности характеризуются диаграммами, подобными изображенным на рис. 162, б и 163, б, где длины стрелок показывают, какая часть света рассеивается в том или ином направлении. Диффузно отражающие поверхности могут различаться также и по коэффициенту отражения, который для таких поверхностей обычно называют альбедо. Так, белая бумага для рисования имеет альбедо около 0,70—0,80. Очень высокое альбедо — около 0,95 — имеют поверхности, покрытые окисью маг­ния (белый порошок, получающийся при сжигании металлического магния). Наоборот, очень малым альбедо обла­дает черный бархат — от 0,01 до 0,002.

При наблюдении земной поверхности с самолета и особенно при аэрофотосъемке большое значение имеет альбедо земных покровов и его зависимость от цвета (длины волны). Различные почвы имеют альбедо sot 0,2 до 0,4, причем большие значения соответствуют области оранжево-красного цвета; пески мало отражают (около 0,1) в фиолетовой области, особенно важной при фотосъемке, но их альбедо в красной части повы­шается до 0,5. Трава и листья имеют альбедо до 0,50 в желто-зеленой части (особенно к осени); очень велико альбедо снега, достигающее 0,85 для всех цветов.

64. Спектральный состав света различных источников. Спектры и спектральные закономерности.

Спектральный состав света различных источников.

Опытами Ньютона было установлено, что солнечный свет имеет сложный характер. Подобным же образом, т. е. ана­лизируя состав света при помощи призмы, можно убедить­ся, что свет большинства других источников (лампа нака­ливания, дуговой фонарь и т. д.) имеет такой же характер. Сравнивая спектры этих светящихся тел, обнаружим, что соответственные участки спектров обладают различной яр­костью, т. е. в различных спектрах энергия распределена по-разному. Еще надежнее удостовериться в этом можно, если исследовать спектры при помощи термоэлемента (см. § 149).

Для обычных источников эти различия в спектре не очень значительны, однако их можно без труда обнаружить. Наш глаз даже без помощи спектрального аппарата обнару­живает различия в качестве белого света, даваемого этими источниками. Так, свет свечи кажется желтоватым или даже красноватым по сравнению с лампой накаливания, а эта по­следняя заметно желтее, чем солнечный свет.

Еще значительнее различия, если источником света вме­сто раскаленного тела служит трубка, наполненная газом, светящимся под действием электрического разряда. Такие трубки употребляются в настоящее время для светящихся надписей или освещения улиц. Некоторые из этих газораз­рядных ламп дают ярко желтый (натриевые лампы) или крас­ный (неоновые лампы) свет, другие светятся беловатым све­том (ртутные), ясно отличным по оттенку от солнечного. Спектральные исследования света подобных источников показывают, что в их спектре имеются только отдель­ные более или менее узкие цветные участки.

В настоящее время научились изготовлять газоразряд­ные лампы, свет которых имеет спектральный состав, очень близкий к солнечному. Такие лампы получили наз­вание ламп дневного света (см. § 186).

Если исследовать свет солнца или дугового фонаря, профильтрованный через цветное стекло, то он окажется заметно отличным от первоначального. Глаз оце­нит этот свет как цветной, а спектральное разложение обна­ружит, что в спектре его отсутствуют или очень слабы более или менее значительные участки спектра источника.

Спектральные закономерности. Линейчатый спектр атома представляет собой совокупность большого числа ли­ний, разбросанных по всему спектру без всякого видимого порядка. Однако внимательное изучение спектров показало, что расположение линий следует определен­ным закономерностям. Яснее всего, конечно,



Рис. 326. Линейчатый спектр водорода (серия Бальмера, длины волн в нанометрах). H_, Н_, Н_ и H_ — обозначения первых четырех ли­ний серии, лежащих в видимой области спектра

эти закономерности выступают на сравнительно простых спектрах, характерных для простых атомов. Впервые такая закономерность была установлена для спектра водорода,

изображенного на рис. 326.

В 1885 г. швейцарский физик и математик Иоганн Якоб Бальмер (1825—1898) установил, что частоты отдельных

линий водорода выражаются простой формулой:



где  означает частоту света, т. е. число волн, испускаемых в единицу времени, R— называемая постоянной Ридберга величина, равная 3,28984•10¹⁵ с^-1, и m— целое число. Если задавать для т значения 3, 4, 5 и т. д., то получаются значения, очень хорошо совпадающие с частотами последо­вательных линий спектра водорода. Совокупность этих линий составляет серию Бальмера.

В дальнейшем было обнаружено, что в спектре водорода еще имеются многочисленные спектральные линии, кото­рые также составляют серии, подобные серии Бальмера.

Частоты этих линий могут быть представлены формулами

(серия Лаймана),
(серия Пашена),

причем Rимеет то же самое числовое значение, что и в фор­муле Бальмера. Таким образом, все водородные серии мож­но объединить одной формулой:



где nи m— целые числа, причем mn+1 *).

Спектры других атомов значительно сложнее, и распре­деление их линий в серии не так просто. Оказалось, однако, что спектральные линии всех атомов могут быть распреде­лены в серии. Крайне важно, что сериальные закономерно­сти для всех атомов могут быть представлены в форме, подоб­ной формуле Бальмера, причем постоянная Rимеет почти одно и то же значение для всех атомов.

Существование спектральных закономерностей, общих для всех атомов, указывало несомненно на глубокую связь этих закономерностей с основными чертами атомной струк­туры. Действительно, датский физик, создатель квантовой теории атома Нильс Бор (1885—1962) в 1913 г. нашел ключ к пониманию этих закономерностей, установив в то же время основы современной теории атома (см. гл. XXII).

65. Спектральные аппараты.

Спектральные аппараты. Свечение тел тесно связано с процессами, происходящими в атомах и молекулах. По­этому исследование свечения явилось важным средством для уяснения строения молекул и атомов.

Существенные различия в характере свечения устанавли­ваются при изучении спектров светящихся тел. Для полу­чения спектров используется дифракционная решетка или



Рис.321. Схема устройства спектрографа: S — щель, L₁ — объектив коллиматора, Р — призма, L₂ — объектив камеры, MN — матовое стекло или фотопластинка

чаще призма. Принцип получения спектра при помощи приз­мы изложен в § 160. Для того чтобы спектр был возможно более четким, т. е. чтобы различные спектральные области хорошо разделялись между собой, спектральному аппарату придается более сложное, чем указано в § 160, устройство, схематически изображенное на рис. 321.

Левая часть аппарата — коллиматор SL₁ — состоит из узкой щели S, расположенной в главной фокаль­ной плоскости объектива L₁;благодаря этому свет, упав­ший на щель, выходит из коллиматора параллельным пуч­ком и падает на призму. Из призмы он также выходит

406

параллельным пучком. Но так как лучи разной длины волны (разного цвета) отклоняются призмой на разные углы (дис­персия), то из призмы выходят параллельные пучки раз­ного направления; благодаря этому свет соби­рается вторым объективом L₂ в различных точках его фо­кальной плоскости MN. В этой плоскости получаются, следовательно, изображения щели S, но так, что изображе­ния, соответствующие разным длинам волн, приходятся на разные места плоскости MN. Расположив в плоскости MNматовое стекло или фотографическую пластинку, мы получим на ней четкое изображение спектра. Если свет, падающий на щель S, представляет собой смесь нескольких монохроматических пучков, то спектр имеет вид отдельных изображений щели в разных длинах волн, т. е. имеет вид отдельных узких линий, разделенных темными промежутками. Если на щель падает белый свет, то все отдельные изображения щели сливаются в цветную полосу.

Аппараты, в которых спектр изображается на фотопла­стинке, носят название спектрографов. Иногда вместо ка­меры L₂MNпомещают зрительную трубу и наблюдают спектр глазом. В этих случаях спектральный аппарат при­нято называть спектроскопом. Призма изготовляется из стекла, обладающего значительной дисперсией, либо из кварца, флюорита или каменной соли, если спектрограф предназначен для работы в ультрафиолетовой или инфра­красной частях спектра. Из соответствующих материалов делают и объективы.