En quoi le spectre dispersif diffère-t-il du spectre de diffraction ? Différentes façons de décomposer la lumière en un spectre

En optique, on distingue la diffraction et la dispersion. spectres lumineux. Quelles sont leurs caractéristiques ?

Qu'est-ce que le spectre de diffraction ?

Ce spectre se forme lorsque la lumière traverse de nombreux petits trous ou fentes. Ainsi, vous pouvez le voir si vous plissez les yeux et regardez le soleil ou une lampe. Si vous faites attention à la lune pendant l'hiver froid, il est facile de voir des cercles multicolores autour d'elle : ils sont également spectres de diffraction. DANS dans ce cas ils se forment en raison du passage de la lumière à travers des particules d'eau gelées dans l'atmosphère. Afin de réaliser expériences scientifiques une sorte de spectre de diffraction standard est créé à l'aide de réseaux de diffraction spéciaux.

Spectre de diffraction

Le type de spectre considéré est caractérisé par la déviation des rayons, proportionnelle à la longueur d'onde. Par conséquent, les rayons ultraviolets ainsi que les rayons violets du spectre, qui ont ondes courtes, s'écartent le moins possible. À leur tour, le rouge et l’infrarouge à ondes longues sont à l’opposé. On peut noter que le spectre considéré dans dans la plus grande mesureétiré vers les rayons à ondes longues.

Qu'est-ce qu'un spectre dispersif ?

Ce spectre se forme à la suite de la réfraction de la lumière, par exemple lorsqu'elle traverse un prisme. Cela ressemble à une collection de rayures claires différentes couleurs. La dispersion de la lumière est la décomposition de son flux, qui a blanc, en rayons monochromatiques qui forment le spectre lumineux.

Un fait remarquable est connu dans l’histoire de la physique : avant sa découverte spectre dispersif , il était courant que la lumière blanche soit colorée lorsqu'elle traversait un prisme. Il s’est avéré que ce n’était pas le cas.

Dans le spectre de dispersion, la plus grande déviation lors de la réfraction est caractéristique des rayons violets. Le spectre considéré s'étend plus uniformément que le spectre de diffraction - sur tous les types de rayons, mais dans la plus grande mesure - vers les rayons de courte longueur d'onde.

Comparaison

La principale différence entre le spectre de diffraction et le spectre dispersif est que le premier spectre est formé à la suite du passage de la lumière à travers des trous étroits (et d'autres zones qui n'interfèrent pas avec le passage des rayons entre certains objets proches), et la seconde - en raison de sa réfraction (par exemple, en raison du passage à travers un prisme ).

Il peut également y avoir des différences entre les spectres considérés en termes de :

• déviations des rayons rouges et violets ;
• degré d'étirement du spectre;
• le degré d'étirement du spectre par rapport aux rayons rouges et violets.

Pour afficher plus clairement quelle est la différence entre le spectre de diffraction et de dispersion en termes de paramètres notés, un petit tableau nous aidera.

DÉFINITION

Spectre de diffraction est la distribution d'intensité sur l'écran qui résulte de la diffraction.

Dans ce cas, l'essentiel de l'énergie lumineuse est concentrée dans le maximum central.

Si nous prenons comme dispositif considéré un réseau de diffraction, à l'aide duquel la diffraction est effectuée, alors à partir de la formule :

(où d est la constante du réseau ; est l'angle de diffraction ; est la longueur d'onde de la lumière ; . est un nombre entier), il s'ensuit que l'angle sous lequel apparaissent les maxima principaux est lié à la longueur d'onde de la lumière incidente sur le réseau (lumière tombe normalement sur la grille). Cela signifie que les maxima d'intensité produits par la lumière de différentes longueurs d'onde se produisent à différents endroits de l'espace d'observation, ce qui permet d'utiliser un réseau de diffraction comme dispositif spectral.

Si la lumière blanche tombe sur un réseau de diffraction, alors tous les maxima, à l'exception du maximum central, sont décomposés en un spectre. De la formule (1), il s'ensuit que la position du maximum d'ordre peut être déterminée comme suit :

De l'expression (2), il s'ensuit qu'avec l'augmentation de la longueur d'onde, la distance entre le maximum central et le maximum de nombre m augmente. Il s’avère que la partie violette de chaque maximum principal fera face au centre du diagramme de diffraction et la partie rouge sera tournée vers l’extérieur. Il ne faut pas oublier que lorsque décomposition spectrale lumière blanche Les rayons violets sont plus déviés que les rayons rouges.

Un réseau de diffraction est utilisé comme un simple dispositif spectral avec lequel la longueur d'onde peut être déterminée. Si la période du réseau est connue, alors trouver la longueur d'onde de la lumière sera réduit à mesurer l'angle qui correspond à la direction de la raie sélectionnée de l'ordre du spectre. Généralement, des spectres du premier ou du deuxième ordre sont utilisés.

Il convient de noter que les spectres de diffraction d’ordre élevé se chevauchent. Ainsi, lorsque la lumière blanche est décomposée, les spectres des deuxième et troisième ordres se chevauchent déjà partiellement.

Diffraction et décomposition dispersée en spectre

En utilisant la diffraction, comme la dispersion, un faisceau de lumière peut être décomposé en ses composants. Cependant il y a différences fondamentales dans ces phénomènes physiques. Donc, spectre de diffraction- Ceci est le résultat de la déviation de la lumière autour d'obstacles, tels que des zones sombres à proximité d'un réseau de diffraction. Un tel spectre s’étend uniformément dans toutes les directions. La partie violette du spectre fait face au centre. Un spectre dispersif peut être obtenu en faisant passer la lumière à travers un prisme. Le spectre est étiré dans le sens violet et comprimé dans le rouge. La partie violette du spectre occupe une plus grande largeur que la partie rouge. Lors de la décomposition spectrale, les rayons rouges dévient moins que les rayons violets, ce qui signifie que la partie rouge du spectre est plus proche du centre.

Ordre spectral maximum pendant la diffraction

En utilisant la formule (2) et en tenant compte du fait qu'elle ne peut pas être supérieure à un, on obtient que :

Exemples de résolution de problèmes

EXEMPLE 1

EXEMPLE 2

La dispersion de la lumière est la décomposition de son flux blanc en rayons monochromatiques qui forment le spectre lumineux.

Ils diffèrent par l'ordre des couleurs. En mode dispersif ils vont (en comptant à partir du rayon initial) - rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo, violet ; en diffraction (en partant du maximum principal) - violet, bleu, cyan, vert, jaune, orange, rouge.

45. Effet photoélectrique externe. Les lois de Stoletov.

Je le raccourcirai plus tard.

L'effet photoélectrique externe est le phénomène d'éjection d'électrons du solide et du corps liquides sous l'influence de la lumière.

Puis dans 1888-1890 L'effet photoélectrique a été étudié dans les années 1980 Alexandre Grigoriévitch Stoletov(1839 – 1896).

Il a constaté que :

les rayons ultraviolets ont le plus grand effet ;

avec croissance flux lumineux le photocourant augmente;

la charge des particules émises par les solides et les liquides sous l'influence de la lumière est négative.

Avant de formuler ces lois, considérons un schéma moderne d'observation et d'étude de l'effet photoélectrique. C'est simple. Deux électrodes (cathode et anode) sont soudées dans le récipient en verre, auquel la tension U est appliquée. En l’absence de lumière, l’ampèremètre indique qu’il n’y a pas de courant dans le circuit.

Lorsque la cathode est éclairée par la lumière, même en l'absence de tension entre la cathode et l'anode, l'ampèremètre indique la présence d'un petit courant dans le circuit - photocourant. Autrement dit, les électrons émis par la cathode ont une certaine énergie cinétique.
et atteignent l'anode « tout seuls ».

À mesure que la tension augmente, le photocourant augmente.

La dépendance du photocourant sur la tension entre la cathode et l'anode est appelée caractéristique courant-tension.

Cela ressemble à ceci : À la même intensité de lumière monochromatique, avec une tension croissante, le courant augmente d'abord, mais sa croissance s'arrête ensuite. À partir d'une certaine valeur de la tension accélératrice, le photocourant cesse de changer, atteignant sa valeur maximale (à une intensité lumineuse donnée). Ce photocourant est appelé courant de saturation.

Pour « verrouiller » une photocellule, c’est-à-dire réduire le photocourant à zéro, il est nécessaire d’appliquer une « tension de blocage »
. Dans ce cas, le champ électrostatique fonctionne et ralentit les photoélectrons émis

. (1)

Cela signifie qu'aucun des électrons émis par le métal n'atteint l'anode si le potentiel de l'anode est inférieur d'un certain montant au potentiel de la cathode.

L'expérience a montré que lorsque la fréquence de la lumière incidente change point de départ les graphiques se déplacent le long de l'axe de contrainte. Il s'ensuit que l'ampleur de la tension de blocage et, par conséquent, l'énergie cinétique et la vitesse maximale des électrons émis dépendent de la fréquence de la lumière incidente.

Première loi de l'effet photoélectrique . La vitesse maximale des électrons émis dépend de la fréquence du rayonnement incident (augmente avec la fréquence) et ne dépend pas de son intensité.

Si nous comparons les caractéristiques courant-tension obtenues à différentes intensités (sur les figures I 1 et I 2) de lumière incidente monochromatique (monofréquence), nous pouvons remarquer ce qui suit.

Premièrement, toutes les caractéristiques courant-tension proviennent du même point, c'est-à-dire qu'à toute intensité lumineuse, le photocourant devient nul à une tension de retard spécifique (pour chaque valeur de fréquence). C'est une autre confirmation de la validité de la première loi de l'effet photoélectrique.

Deuxièmement. À mesure que l'intensité de la lumière incidente augmente, la nature de la dépendance du courant à la tension ne change pas, seule la valeur du courant de saturation augmente.

Deuxième loi de l'effet photoélectrique . L'amplitude du courant de saturation est proportionnelle à l'amplitude du flux lumineux.

Lors de l’étude de l’effet photoélectrique, il a été constaté que tous les rayonnements ne provoquent pas l’effet photoélectrique.

Troisième loi de l'effet photoélectrique . Pour chaque substance, il existe une fréquence minimale (longueur d'onde maximale) à laquelle l'effet photoélectrique est encore possible.

Cette longueur d’onde est appelée « bord rouge de l’effet photoélectrique » (et la fréquence est appelée bord rouge correspondant de l’effet photoélectrique).

5 ans après l'apparition des travaux de Max Planck, Albert Einstein a utilisé l'idée de discrétion d'émission lumineuse pour expliquer les lois de l'effet photoélectrique. Einstein a proposé que la lumière n'est pas seulement émise par portions, mais qu'elle se propage également et est absorbée par portions. Cela signifie que le caractère discret des ondes électromagnétiques est une propriété du rayonnement lui-même et non le résultat de l’interaction du rayonnement avec la matière. Selon Einstein, un quantum de rayonnement est à bien des égards similaire à une particule. Le quantum est soit complètement absorbé, soit pas du tout absorbé. Einstein a présenté l'émission d'un photoélectron comme le résultat d'une collision entre un photon et un électron dans un métal, dans laquelle toute l'énergie du photon est transférée à l'électron. C'est ainsi qu'Einstein a créé théorie des quanta lumière et, sur cette base, a écrit une équation pour l'effet photoélectrique :

.

Voici la constante de Planck, - fréquence,
– le travail d’extraction de l’électron sortant du métal,
est la masse au repos de l'électron, v est la vitesse de l'électron.

Cette équation expliquait toutes les lois établies expérimentalement de l'effet photoélectrique.

Puisque le travail de travail d’un électron provenant d’une substance est constant, alors, à mesure que la fréquence augmente, la vitesse des électrons augmente également.

Chaque photon détruit un électron. Par conséquent, le nombre d’électrons éjectés ne peut pas être plus de numéro

Si l’énergie des photons est seulement suffisante pour accomplir la fonction de travail, alors la vitesse des électrons émis sera nulle. C'est la « limite rouge » de l'effet photoélectrique.

L'effet photoélectrique interne est observé dans les semi-conducteurs cristallins et les diélectriques. Cela réside dans le fait que sous l'influence de l'irradiation, la conductivité électrique de ces substances augmente en raison d'une augmentation du nombre de porteurs de courant libres (électrons et trous).