Инфракрасная и ультрафиолетовая часть спектра

Содержание

Введение………………………….……………………………………. 1.Историческая справка………………………………………………. 2.Явление дисперсии света.…….. ……………………………………. 3.Элементарная теория дисперсии…………………………………… 4.Спектр видимого света…………. ………………………………… 5 Инфракрасная и ультрафиолетовая часть спектра……………….. 6.Виды спектров….…..………………….…..…………………………. 7.Понятие о спектральном анализе. Спектроскоп………..…………. Список литературы…………………………………………………….

3 3 8 11 13 16 17 18 26

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Цвет — одно из очевидных  свойств света. Очевидное, но непонятное. Какое физическое свойство света создаёт столь прекрасные ощущения? Теорий было много, но только Ньютон провёл систематические исследования и получил ответ на свой вопрос.

Зная, что белый свет имеет сложную структуру, можно  объяснить удивительное многообразие красок в природе. Если предмет, например лист бумаги, отражает все падающие на него лучи различных цветов, то он будет казаться белым. Покрывая бумагу слоем красной краски, мы не создаем при этом света нового цвета, но задерживаем на листе некоторую часть имеющегося. Отражаться теперь будут только красные лучи, остальные же поглотятся слоем краски. Трава и листья деревьев кажутся нам зелеными потому, что из всех падающих на них солнечных лучей они отражают лишь зеленые, поглощая остальные. Если посмотреть на траву через красное стекло, пропускающее лишь красные лучи, то она будет казаться почти черной.

 

1. Историческая справка

Преломление света прозрачными  телами и возникновение при этом радужной полосы было известно задолго  до Ньютона. Правда, со времён Аристотеля считалось, что белый свет — простой. В ньютоновскую же эпоху полагали, что преломляющее тело (например, призма) само окрашивает свет в разные цвета.

Занимаясь усовершенствованием телескопов, Ньютон обратил внимание на то, что изображение, даваемое объективом, по краям окрашено. Он заинтересовался этим и первый «исследовал разнообразие световых лучей и проистекающие отсюда особенности цветов, каких до того никто даже не подозревал» (слова из надписи на надгробном памятнике Ньютону). Радужную окраску изображения, даваемого линзой, наблюдали, конечно, и до него. Было замечено также, что радужные края имеют предметы, рассматриваемые через призму. Пучок световых лучей, прошедший через призму, окрашивается по краям.

И вот, очарованный «призматическими цветами», Ньютон провёл в своём доме несколько простых опытов. Он пропустил через небольшое отверстие в ставне окна солнечный свет, направил его на стеклянную призму, получил на экране широкую цветную полосу — спектр. Учёный задался вопросом: как же призма окрасит пучок, уже прошедший через другую призму? Ньютон поставил эксперимент, который впоследствии назвал решающим: получив от призмы спектр на экране с небольшим отверстием, он направил вышедший из него окрашенный луч на вторую призму.

Рис.1

Основной опыт Ньютона  был гениально прост. Ньютон догадался  направить на призму световой пучок  малого поперечного сечения. Пучок  солнечного света проходил в затемненную  комнату через маленькое отверстие  в ставне. Падая на стеклянную призму, он преломлялся и давал на противоположной стене удлиненное изображение с радужным чередованием цветов. Стилизованное изображение опыта Ньютона показано на рисунке 2. Следуя многовековой традиции, согласно которой радуга считалась состоящей из семи основных цветов. Ньютон тоже выделил семь цветов: фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый и красный. Саму радужную полоску Ньютон назвал спектром.

Рис. 2

 

Закрыв отверстие красным стеклом. Ньютон наблюдал на стене только красное пятно, закрыв синим стеклом, наблюдал синее пятно и т. д. Отсюда следовало, что не призма окрашивает белый свет, как предполагалось раньше. Призма не изменяет свет, а лишь разлагает его на составные части.

 

Рис. 3. Схема разложения белого света с помощью призмы.

 

Различным цветам соответствуют  волны различной длины. Никакой  определенной длины волны белому свету не соответствует.

И та не развернула луч  в спектр, да и вообще не изменила его цвет! Значит, существование  спектра — свойство не призмы, а  падающего на неё света: «Лучи, различающиеся  по цвету, различаются и по степеням преломляемости». Так было открыто явление дисперсии света. Спектральные цвета обладают разной преломляемостью.

Другое своё утверждение: «Солнечный свет состоит из лучей  различной преломляемости» —  учёный доказал, собрав линзой разложенный  в спектр пучок света и получив  белый свет. Так Ньютон пришёл к новой теории цветов. Она вызвала бурную полемику, потому что никак не вписывалась в представления эпохи. Многие современники Ньютона пытались объяснить образование спектра в рамках старых теорий, основываясь на гипотезе, что окраска выходящего из призмы света связана с разными углами падения лучей на её поверхность.

 

Рис.4 Схема опыта И. Ньютона.

 

Ньютон Исаак (1643 – 1727), английский ученый, заложивший основы классической физики. Сформулировал основные законы классической механики, в том числе открыл закон всемирного тяготения, дал их математическое обоснование, для чего разработал (независимо от Г. Лейбница) дифференциальное и интегральное исчисления. Заложил основы небесной механики, построил зеркальный телескоп. Открыл и исследовал многие оптические явления и сделал попытку объяснить их с единой точки зрения. Работы Ньютона намного опередили общий научный уровень того времени и были малопонятны современникам. Был директором Монетного двора, наладил монетное дело в Англии. Известный алхимик, занимался хронологией древних царств. Ряд теологических трудов посвятил толкованию библейских пророчеств (большая часть не опубликована).

 

Белый свет имеет сложную структуру. Из него можно выделить пучки различных цветов, и лишь совместное их действие вызывает у нас впечатление белого цвета. В самом деле, если с помощью второй призмы, повернутой на 180 относительно первой, собрать все пучки спектра, то опять получится белый свет. Выделив же какую-либо часть спектра, например зеленую, и заставив свет пройти еще через одну призму, мы уже не получим дальнейшего изменения окраски.

Рис.5 Разложение и синтез белого света с помощью призм.

 

Другой важный вывод, к которому пришел Ньютон, был сформулирован  им в трактате по «Оптике» следующим  образом: «Световые пучки, отличающиеся по цвету, отличаются по степени преломляемости» (для них стекло имеет различные показатели преломления). Наиболее сильно преломляются фиолетовые лучи, меньше других – красные. Зависимость показателя преломления света от его цвета Ньютон назвал дисперсией.

Показатель преломления  зависит от скорости света в веществе. Абсолютный показатель преломления

Луч красного цвета преломляется меньше из-за того, что красный свет имеет в веществе наибольшую скорость, а луч фиолетового цвета больше, так как скорость фиолетового света наименьшая. Именно поэтому призма и разлагает свет. В пустоте скорости света разного цвета одинаковы. Если было бы не так, то, к примеру, спутник Юпитера Ио, который наблюдал Ремер, казался бы красным в момент его выхода из тени. Но этого не наблюдается.

Впоследствии была выяснена зависимость  цвета от физических характеристик  световой волны: частоты колебаний  или длины волны. Поэтому можно  дать более глубокое определение  дисперсии, чем то, к которому пришел Ньютон. Дисперсией называется зависимость показателя преломления света от частоты колебаний (или длины волны).

Результаты экспериментов проверяли более 50 лет, но в итоге весь научный мир согласился с выводами английского учёного. Ньютон заложил основы новой области оптических исследований. Он установил, что синие лучи преломляются в стекле сильнее, чем красные, т. е. показатель преломления растёт с уменьшением длины волны. Правда, Ученый ошибочно считал, что разница в преломляемости красных и синих лучей не зависит от вещества. Для большинства прозрачных сред показатель преломления действительно тем больше, чем меньше длина волны – нормальная дисперсия. Однако у некоторых веществ есть интервалы длин волн где показатель преломления прямо пропорционален длине волны – аномальная дисперсия

 

 

2 .  Явление дисперсии света

Свет различных длин волн преломляется неодинаково на границе двух сред, обладающих различной оптической плотностью. Явление, обусловленное зависимостью коэффициента преломления от длины  волны, называется дисперсией света. Дисперсией света называются явления, обусловленные зависимостью показателя преломления вещества от длины световой волны. Эту зависимость можно охарактеризовать функцией .

n=f(l₀)   (1)

где l₀ — длина световой волны в вакууме.

Дисперсией вещества называется производная п по l₀.

Для всех прозрачных бесцветных веществ функция (1) имеет в видимой  части спектра характер, показанный на рис. 4. С уменьшением длины  волны показатель преломления увеличивается  со все возрастающей скоростью, так что дисперсия вещества dn/dl₀ отрицательна и растет по модулю с уменьшением l₀

Рис.6

 

Если вещество поглощает  часть лучей, то в области поглощения и вблизи нее ход дисперсии  обнаруживает аномалию. На некотором  участке дисперсия вещества dn/dl_o оказывается положительной. Такой ход зависимости п от l_o называется аномальной дисперсией.

Среды, обладающие дисперсией, называются диспергирующими. В дисперги-рующих средах скорость световых волн зависит от длины l_o или частоты w.

Как известно, скорость света в вакууме не зависит от частоты или длины волны и равна еж 3×10⁸ м/с. Иную картину наблюдают при прохождении света через вещество.

Поочередно пропуская  через треугольную стеклянную призму пучки монохроматического света  разной цветности, направленные на грань призмы под одним и тем же углом падения, мы увидим, что фиолетовый свет преломляется сильнее, чем красный. Это значит, что показатель преломления вещества призмы (стекла) для фиолетового света больше, чем для красного, т. е. n_ф > >n_к.

Абсолютный  показатель преломления п среды связан со скоростью распространения света v в этой среде формулой n=c/v. Следовательно, n_ф = c/v_ф и п_к = с/v_к. Из последних формул видно, что так как п_ф>п_к, то v_ф<v_к, следовательно, фиолетовый свет распространяется в веществе призмы с меньшей скоростью, чем красный. Цвет определяется частотой электромагнитных колебаний, а частота фиолетового света больше, чем красного, значит, в одном и том же веществе скорости света для разных частот (и, следовательно, длины волн) различны.

 

Рис.7

 

Зависимость скорости распространения  световых волн в веществе от их частоты (длины волны) называют дисперсией света. Показатель преломления п зависит от v, а и зависит от v, значит, п зависит от v. Поэтому дисперсией света часто называют зависимость показателя преломления вещества от частоты (или длины волны) света, проходящего через это вещество.

При малых углах падения света на призму угол отклонения d этой призмой монохроматического светового пучка связан с относительным показателем преломления вещества призмы и углом А при вершине призмы формулой d = A(n₂- 1). Из-за дисперсии показатель преломления п21 зависит от длины А. световой волны, значит, угол отклонения б тоже зависит от К. Поэтому, когда на призму падает белый свет, состоящий из волн разной длины, каждая из этих волн отклоняется на свой угол d, т. е. происходит разложение белого света призмой в цветной спектр (рис. 7). Это явление и было открыто Ньютоном.

 

 

3. Элементарная теория дисперсии

Дисперсия света может  быть объяснена на основе электромагнитной теории и электронной теории вещества. Для этого нужно рассмотреть процесс взаимодействия света с веществом. Движение электронов в атоме подчиняется законам квантовой механики. В частности, понятие траектории электрона в атоме теряет всякий смысл. Однако, как показал Лоренц, для качественного понимания многих оптических явлений достаточно ограничиться гипотезой о существовании внутри атомов электронов, связанных квазиупруго. Будучи выведенными из положения равновесия, такие электроны начнут колебаться, постепенно теряя энергию колебания на излучение электромагнитных волн. В результате колебания будут затухающими. Затухание можно учесть, введя «силу трения излучения», пропорциональную скорости.