Dispersija vadinama priklausomybe. Medžiagos lūžio rodiklio ir šviesos greičio joje priklausomybė nuo šviesos bangos dažnio vadinama šviesos dispersija

Leiskite atsekti spektro susidarymo priežastis. Bangų teorijos požiūriu bet kurį virpesių procesą galima apibūdinti virpesių dažniu, amplitudė ir faze. Virpesių amplitudė, tiksliau jos kvadratas, lemia virpesių energiją. Fazė vaidina pagrindinį vaidmenį trukdžių reiškinyje. Visų spindulių spalva yra susijusi su vibracijos dažniu. Beorėje erdvėje bet kokio dažnio ar bangos ilgio spinduliai sklinda tokiu pat greičiu. Remiantis ryšiu c=, dažnis  yra atvirkščiai proporcingas bangos ilgiui  (c=3,10 8m/s – šviesos greitis vakuume).

Patirtis rodo, kad visose daugiau ar mažiau tankiose terpėse skirtingo ilgio bangos sklinda skirtingu greičiu. todėl lūžio rodiklis, kuris parodo šviesos greičio vakuume ir greičio tam tikroje terpėje santykį:

turės skirtingas vertes toje pačioje terpėje skirtingo ilgio bangoms. Taigi, įeidamos į prizmę ir išeidamos iš jos, balto pluošto sudedamosios dalys patiria skirtingą lūžį ir atsiranda kaip besiskiriantis spalvotas pluoštas.

Kampas  tarp prizmės paviršių /1 pav./, per kurį šviesa praeina, o pro kitą patenka, vadinamas laužiamuoju

kampinės prizmės. Priešingas veidas vadinamas prizmės pagrindu. Eidami per prizmę, spinduliai nukreipiami link prizmės pagrindo. Niutono patirtis rodo, kad iš regimosios šviesos spindulių mažiausiai lūžtantys yra raudonieji spinduliai, po kurių eina oranžiniai, geltoni, žali, mėlyni, indigo ir violetiniai spinduliai pagal lūžio laipsnį. n fiol > n kr

Terpės lūžio rodiklio priklausomybė nuo šviesos bangos ilgio, taip pat optiniai reiškiniai, kuriuose aptinkama ši priklausomybė, vadinami šviesos dispersijos spektru, o ekrane gauta spalvų juosta – dispersijos spektru. Dispersija vadinama normalia, jei lūžio rodiklis didėja mažėjant ilgiui. Priešingu atveju dispersija vadinama anomaline.

Po dvigubo lūžio prizmės įėjimo ir išėjimo paviršiuose spindulys nukrypsta nuo pradinės krypties kampu , vadinamu įlinkio kampu. Kampas  turi mažiausia vertė su simetriška spindulių eiga, t.y. kai AB lygiagreti prizmės pagrindui. Kampas  tarp kraštinių dispersijos spektro spindulių vadinamas kampine dispersija. Kiekybinis šviesos sklaidos matas yra lūžio rodiklio n pokyčio ir atitinkamo šviesos bangos ilgio pokyčio  santykis:

Prizminių spektroskopų ir spektrografų veikimas pagrįstas normalios dispersijos reiškiniu.

3. Serijinės formulės

Atrodo, kad spektrų klausimas yra vienas iš pagrindinių šiuolaikinėje fizikoje: tai apima, pavyzdžiui, tokias plačias šiuolaikinės fizikos šakas kaip atomo ir molekulių sandaros, izotopų ir kt.

Linijų spektrai susideda iš kelių plonų tiesių linijų, kurios gali būti matomose, infraraudonojoje ir ultravioletinėje spektro dalyse. Matomoje dalyje jie atrodo kaip šviesios linijos tamsiame fone, o linijos spalva yra tokia pati kaip tos vietos, kurią jos užima ištisiniame spektre, spalva.

Linijinis spektras rodo, kad tam tikra medžiaga skleidžia ne visų įmanomų bangų ilgių spindulius / bent jau tam tikrose ribose, o tik spindulius, kurie atrodo parinkti pagal kažkokias taisykles ar dėsnius. Ilgą laiką mokslininkai veltui bandė rasti bet kokius pasiskirstymo modelius spektrines linijasįvairių elementų, t.y. raskite ilgio  arba dažnio  priklausomybę nuo bet kurio parametro.

Šią priklausomybę vandenilio spektrui nustatė Balmeris 1885 m. Vandenilio spektras matomoje dalyje susideda iš penkių linijų: raudonos, žalios, mėlynos, violetinės 1 ir violetinės 2.

Balmeris empiriškai nustatė, kad vandenilio spektrinių linijų bangos ilgis labai tiksliai nustatomas pagal formulę:

kur R yra pastovus skaičius, vadinamas Rydbergo konstanta

R = 10967758 ; сR = 3,29 10 15 1/sek;

n – sveikieji skaičiai, prasidedantys nuo 3;

 - bangos ilgis;

- vadinamas bangos numeriu:
;

 - virpesių dažnis;

C – šviesos sklidimo vakuume greitis.

(2) formulėje pakeitę n = 3, gauname vandenilio raudonosios linijos bangos ilgį; su n = 4 - žaliai; n = 5 - mėlynai ir kt.

Spektro linijų seka, kurioms  (arba ) yra sujungtos viena formule, vadinama spektro linijų seka, o pati formulė yra nuosekli.

Vandenilio linijų serija, apibrėžta pagal (2) formulę, vadinama Balmerio eilute. Jis tęsiasi ultravioletinėje spektro dalyje. Iš viso joje rastos 29 eilutės (nuo n=3 iki n=31).

Sulaukta ir kitų serijinės formulės vandenilio linijos. IN bendras atvejis Serijinė vandenilio formulė yra tokia:

Lyman serijos yra žinomos n 1 = 1 linijoms ultravioletinėje spektro dalyje. Paschen serija su n 1 = 3 linijoms infraraudonojoje spektro dalyje. Taip pat žinomos kitos serijos

n 1 = 4, n 1 = 5, n 1 = 6.

R. Rydbergas parodė, kad ne tik vandenilio, bet ir kitų elementų linijų spektruose stebimos spektrinės eilutės, o visų duotosios serijos linijų dažniai  tenkina ryšį:

kur n 1 ir n 2 yra sveikieji skaičiai, o n 2 n 1 +1. Tam tikros serijos n 1 turi pastovią vertę. Pakeitus skaičių n gaunamos visos tam tikros serijos eilutės. Funkcijos T (n 1) ir T (n 2) vadinamos spektriniais terminais. W. Ritzas nustatė pozicijos, vadinamos Ritz kombinacijos principu, pagrįstumą: bet kurio atomo spinduliavimo spektrinių linijų dažnius galima pavaizduoti kaip dviejų dėmenų skirtumą; sudarant įvairias terminų kombinacijas galima rasti visus įmanomus šio atomo spektrinių linijų dažnius. Pavyzdžiui, atsižvelgiant į skirtumą tarp žalios ir raudonos vandenilio linijų terminų, gauname:

R (
-R (
=R (

pirmoji Paschen serijos vandenilio linija. Neribotai padidėjus n, visų spektro eilučių dažniai  susilieja į atitinkamas ribas. Vandenilio spektro eilučių ribiniai dažniai T (n) = .

Visos fizikų pastangos išvesti serijines formules iš bendrųjų dėsnių elektromagnetinė teorijašviesa buvo nesėkminga. Senajai klasikinei fizikai pasirodė ne tik formulių išvedimas, bet ir paprastas kokybinis linijų spektrų išvaizdos aprašymas, nors tas, kurį pasiūlė Rutherfordas. branduolinis modelis atomo struktūrą ir iš esmės buvo teisinga.

APIBRĖŽIMAS

Šviesos dispersija vadinkite medžiagos lūžio rodiklio (n) priklausomybę nuo šviesos dažnio () arba bangos ilgio () vakuume (dažnai indeksas 0 praleidžiamas):

Kartais dispersija apibrėžiama kaip šviesos bangų fazinio greičio (v) priklausomybė nuo dažnio.

Gerai žinoma dispersijos pasekmė yra skilimas balta šviesaį spektrą, kai praeina per prizmę. I. Niutonas pirmasis užfiksavo savo šviesos sklaidos stebėjimus. Dispersija yra atomų poliarizacijos priklausomybės nuo dažnio pasekmė.

Grafinė lūžio rodiklio priklausomybė nuo dažnio (arba bangos ilgio) – dispersijos kreivė.

Dispersija atsiranda dėl elektronų ir jonų virpesių.

Šviesos sklaida prizmėje

Jei monochromatinis šviesos pluoštas kampu pataiko į prizmę, kurios lūžio rodiklis lygus n (1 pav.), tai po dvigubos lūžio spindulys nukrypsta nuo pradinės krypties kampu:

Jei kampai A yra maži, tai visi kiti kampai (2) formulėje yra maži. Šiuo atveju lūžio dėsnį galima parašyti ne per šių kampų sinusus, o tiesiogiai per pačių kampų vertes radianais:

Tai žinodami, turime:

Vadinasi, spindulių nukrypimo kampas naudojant prizmę yra tiesiogiai proporcingas prizmės lūžio kampo vertei:

ir priklauso nuo dydžio. Ir mes žinome, kad lūžio rodiklis yra bangos ilgio funkcija. Pasirodo, skirtingo bangos ilgio spinduliai, praėję per prizmę, bus nukreipti skirtingi kampai. Tampa aišku, kodėl baltos šviesos spindulys suskaidys į spektrą.

Medžiagos dispersija

Reikšmė (D) lygi:

paskambino materijos sklaida. Tai rodo lūžio rodiklio kitimo greitį priklausomai nuo bangos ilgio.

Lūžio rodiklis skirtas skaidrios medžiagos bangos ilgiui mažėjant, jis didėja monotoniškai, o tai reiškia, kad mažėjant bangos ilgiui D reikšmė didėja absoliučia verte. Ši dispersija vadinama normalia. Fenomenas normali dispersija sudaro prizminių spektrografų veikimo pagrindą, kuriuo galima tirti spektrinė kompozicija Sveta.

Problemų sprendimo pavyzdžiai

1 PAVYZDYS

2 PAVYZDYS

Šviesa ir spalva.

Studijuodami garso reiškinius susipažinome su trukdžių samprata, kuri susideda iš to, kad kai du yra uždėti darnios bangos(tai yra to paties dažnio ir pastovaus fazių skirtumo bangos), susidaro vadinamasis interferencijos modelis, tai yra vibracijos amplitudės pasiskirstymo erdvėje modelis, kuris laikui bėgant nekinta..

1802 metais Thomas Youngas atrado šviesos trukdžių kaip eksperimento derinant dviejų šaltinių šviesos pluoštus rezultatas. Kadangi trukdžių reiškinys būdingas tik bangų procesai, tada Youngo eksperimentas pateikė nepaneigiamą įrodymą, kad šviesa turi banginių savybių.

Youngas ne tik įrodė, kad šviesa yra banga, bet ir išmatavo bangos ilgį. Paaiškėjo, kad šviesa skirtingos spalvos atitinka skirtingus bangų intervalus. Labiausiai didelės vertės raudonos šviesos bangos ilgiai: nuo iki . Toliau mažėjančia tvarka yra: oranžinė, geltona, žalia, mėlyna, indigo ir violetinė. Violetinė šviesa yra trumpiausias bangos ilgis: nuo iki

Kadangi ryšys tarp bangos ilgio ir virpesių dažnio jame yra atvirkštinis proporcinga priklausomybė, Tai ilgiausio ilgio Banga atitinka mažiausią virpesių dažnį, o trumpiausias bangos ilgis – didžiausią virpesių dažnį. Raudonos šviesos svyravimo dažnis svyruoja nuo iki . Violetinės šviesos bangos turi dažnius nuo iki.

Kadangi Jungo laikais jie dar nežinojo apie jokias bangas, išskyrus mechanines, šviesa pradėta vaizduoti kaip mechaninė tamprioji banga, kurios sklidimui reikalinga terpė. Tačiau šviesa iš Saulės ir žvaigždžių mus pasiekia kosminė erdvė, kur nėra medžiagos. Todėl kilo hipotezė apie ypatingos terpės – šviečiančio eterio – egzistavimą. Kai XIX amžiaus antrojo dešimtmečio pabaigoje. Paaiškėjo, kad šviesos bangos yra skersinės (ir skersinės elastinės bangos platinami tik kietosios medžiagos), paaiškėjo, kad šviečiantis eteris turi būti kietas, tai yra, žvaigždės ir planetos juda kietajame šviečiančiame eteryje nepatirdamos pasipriešinimo.

Maksvelo teorijos apie elektromagnetinių bangų, galinčių sklisti net vakuume, egzistavimą, Maksvelo teoriškai pagrįsta išvada apie bendra prigimtisšviesos ir elektromagnetinės bangos (elektromagnetinės bangos, kaip ir šviesa, yra skersinės bangos, kurio greitis vakuume lygus šviesos greičiui vakuume) nutraukė kalbas apie „šviečiantį eterį“. Tolesnė plėtra fizika patvirtino Maxwello prielaidą, kad šviesa yra ypatinga elektromagnetinių bangų apraiška. Matoma šviesa- Tai tik nedidelis elektromagnetinių bangų diapazonas, kurių bangos ilgiai yra nuo iki arba kurių dažniai yra nuo iki. Pakartokime lentelę iš temos apie elektromagnetines bangas, kad galėtume įsivaizduoti šį diapazoną.

Bangų teorija leidžia paaiškinti jums nuo aštuntos klasės žinomą šviesos lūžio reiškinį, kurį dar 1621 metais atrado olandų mokslininkas Willebord Sinellius.

Po Sinelio atradimo keli mokslininkai iškėlė hipotezę, kad šviesos lūžimas atsiranda dėl jos greičio pasikeitimo, kai ji praeina per dviejų terpių ribą. Šios hipotezės pagrįstumą teoriškai įrodė prancūzų teisininkas ir matematikas Pierre'as Fermat (1662 m.) ir, nepriklausomai nuo jo, olandų fizikas Christianas Huygensas (1690 m.). Įvairiais būdais jie pasiekė tą patį rezultatą, kuris leidžia mums suformuluoti Šviesos lūžio dėsnis jums žinomu būdu:

Kritantys, lūžę ir statmenieji spinduliai, nukreipti į sąsają tarp dviejų terpių spindulio kritimo taške, yra toje pačioje plokštumoje. Kritimo kampo sinuso ir lūžio kampo sinuso santykis yra pastovi šių dviejų terpių vertė, lygi šviesos greičių šiose terpėse santykiui:

- Tai santykinis rodiklis antrosios terpės refrakcija pirmosios atžvilgiu kai pluoštas pereina iš pirmosios terpės į antrąją, kurio optinis tankis skiriasi nuo pirmosios terpės optinio tankio.

Jei šviesa iš vakuumo patenka į bet kurią terpę, mes susiduriame su absoliutus tam tikros terpės lūžio rodiklis (), lygus santykiuišviesos greitis vakuume iki šviesos greičio tam tikroje terpėje:

Bet kurios medžiagos absoliutaus lūžio rodiklio reikšmė yra didesnė už vienetą, kaip matyti iš toliau pateiktos lentelės.

Šviesos greičio sumažėjimo priežastis, kai ji pereina iš vakuumo į materiją, yra šviesos bangos sąveika su medžiagos atomais ir molekulėmis. Kaip stipresnė sąveika, tuo didesnis terpės optinis tankis ir mažesnis šviesos greitis šioje terpėje. Tai yra šviesos greitis terpėje ir absoliutus rodiklis Terpės lūžį lemia šios terpės savybės.

Suprasti, kaip šviesos greičio pokytis ties dviejų terpių riba veikia refrakciją šviesos spindulys, pažiūrėkime į paveikslėlį. Šviesos banga paveiksle juda iš ne tokios tankios optinės terpės, kaip oras, į tankesnę optinė laikmena, pavyzdžiui, į vandenį.

Šviesos greitis ore atitinka bangos ilgį (kaip žinoma, bangos dažnis išlieka nepakitęs, o bangos greičio, ilgio ir dažnio santykis išreiškiamas formule). Šviesos greitis vandenyje yra lygus, o atitinkamas bangos ilgis yra lygus.

Šviesos banga krenta į sąsają tarp dviejų terpių kampu.

Bangos taškas pirmasis pasiekia sąsają tarp dviejų laikmenų. Per tam tikrą laiką taškas, judėdamas ore tuo pačiu greičiu, pasieks tašką. Per šį laiką taškas, judėdamas vandenyje greičiu, įveiks mažesnį atstumą, pasieks tik tašką. Tokiu atveju vadinamasis bangos frontas vandenyje bus pasuktas tam tikru kampu fronto atžvilgiu ore, o greičio vektorius, kuris visada yra statmenas bangos frontui ir sutampa su jo sklidimo kryptimi. pasukti, artėdami prie statmenos , nustatykite į sąsają tarp dviejų laikmenų. Dėl to lūžio kampas bus mažesnis nei kritimo kampas.

Kaip žinome, einant per trikampį stiklo prizmė, balta šviesa ne tik lūžta, nukrypsta į platesnę prizmės dalį, bet ir suskaidoma į spektrą, su vienoda spalvų išdėstymu visais atvejais: raudona, oranžinė, geltona, žalia, mėlyna, indigo, violetinė, su raudonas spindulys yra arčiausiai prizmės viršaus, o violetinis yra arčiausiai prizmės pagrindo. Aštuntoje klasėje sakėme, kad balta šviesa yra sudėtinga, o spalvoti spinduliai, išsiskiriantys iš balto spindulio, eidami per prizmę, yra paprasti (vienspalviai), nes kai per prizmę pereina bet kuris iš spalvotų spindulių, gautų skaidant, spalva tokio spindulio nesikeičia. Taip pat sakėme, kad baltos šviesos pluošto skaidymas į spektrą reiškia, kad skirtingų spalvų spinduliai turi skirtingus lūžio rodiklius dviejų skaidrių terpių ribose. Pasirodo, lūžio rodiklis priklauso ne tik nuo terpės savybių, bet ir nuo šviesos bangos dažnio (spalvos). Prisimenant, kad mažiausias raudonos bangos dažnis yra perpus mažesnis didžiausias dažnis bangos violetinė, ir lyginant su gautu pluošto, suskaidyto į spektrą, lūžio modeliu, galime daryti išvadą, kad didesnio dažnio bangų lūžio rodiklis yra didesnis nei mažesnio dažnio bangų. O kadangi lūžio rodiklis yra šviesos greičio pirmojoje terpėje ir šviesos greičio antrojoje santykis, išvados leidžia manyti, kad šviesos greitis terpėje priklauso ir nuo šviesos bangos dažnio. Todėl šiek tiek paaiškinkime aštuntoje klasėje pateiktą šviesos dispersijos apibrėžimą:

Medžiagos lūžio rodiklio ir šviesos greičio joje priklausomybė nuo šviesos bangos dažnio vadinama šviesos dispersija.

Nuo aštuntos klasės turimas žinias apie daiktų spalvą papildykime viena patirtimi. Per skaidrų stiklą praleiskime baltą šviesos spindulį trikampė prizmė kad baltame ekrane atsirastų spektro paveikslėlis. Užsidarykime dešinėje pusėje spektro popieriaus juostelė žalias. Juostelės spalva išliks ryškiai žalia ir nepakeis atspalvio tik ten, kur bus pataikyta žalieji spinduliai. Geltonojoje spektro dalyje žalia popieriaus juostelė pakeis savo atspalvį į gelsvai žalią, o kitose spektro dalyse taps tamsi. Tai reiškia, kad juostelę dengiantys dažai turi galimybę tik atspindėti žalia šviesa ir sugeria visų kitų spalvų šviesą.

Šiuo metu, norint gauti aiškius ir ryškius spektrus, specialus optiniai instrumentai: spektrografai ir spektroskopai. Spektrografas leidžia gauti spektro nuotrauką – spektrogramą, o spektroskopas – stebėti ant šlifuoto stiklo gaunamą spektrą akimis, vaizdą padidinant lęšiu.

Spektroskopą 1815 m. sukūrė vokiečių fizikas Josephas Fraunhoferis, norėdamas ištirti dispersijos reiškinį.

Kai baltos šviesos pluoštas skaidomas per skaidrią stiklo prizmę, gaunamas ištisinės juostos pavidalo spektras, kuriame vaizduojamos visos spalvos (tai yra visų dažnių bangos iš
iki), sklandžiai virsta vienas kitu. Toks spektras vadinamas nuolatiniu ir nenutrūkstamu.

Ištisinis spektras būdingas kietosioms medžiagoms ir skysčiams spinduliuojantys kūnai, kurio temperatūra siekia apie kelis tūkstančius laipsnių Celsijaus. Nenutrūkstamą spektrą taip pat sukuria šviečiančios dujos ir garai, jei jie yra labai žemi aukšto slėgio(tai yra, jei sąveikos jėgos tarp jų molekulių yra pakankamai stiprios). Pavyzdžiui, nenutrūkstamą spektrą galima pamatyti, jei nukreipiate spektroskopą į karšto elektros lempos siūlelio šviesą ( ), žėrintis išlydyto metalo paviršius, žvakės liepsna. Žvakės liepsnoje šviesą skleidžia mažytės karštos kietosios dalelės, kurių kiekviena susideda iš didžiulė suma atomai sąveikauja tarpusavyje.

Jei kaip šviesos šaltinį naudosite mažo tankio šviečiančias dujas, susidedančias iš atomų, kurių sąveika yra nežymiai maža ir kurių temperatūra yra aukštesnė, spektras atrodys kitaip. Pavyzdžiui, jei pristatote gabalėlį stalo druskos, tada liepsna bus spalvota geltona, o spektroskopu stebimame spektre bus matomos dvi glaudžiai išdėstytos geltonos linijos, būdingos natrio garų spektrui (veikiant aukšta temperatūra NaCl molekulės suskilo į natrio ir chloro atomus, tačiau chloro atomų švytėjimą sukelti daug sunkiau nei natrio atomų švytėjimą).

Kiti cheminiai elementai sukuria skirtingus tam tikro bangos ilgio atskirų linijų rinkinius. Tokie spektrai vadinami valdė.

Spektrai (tiek ištisiniai, tiek tiesiniai), gaunami, kai šviesą skleidžia karšta medžiaga, vadinami emisijos spektrai.

Be emisijos spektrų, yra ir sugerties spektrai. Absorbcijos spektrai taip pat gali būti nubrėžti.

Linijos sugerties spektrai duoti mažo tankio dujas, susidedančias iš izoliuotų atomų, kai šviesa pro jas praeina iš ryškesnio ir karštesnio (palyginti su pačių dujų temperatūra) šaltinio, suteikiant nenutrūkstamą spektrą.

Pavyzdžiui, jei kaitrinės lempos šviesą leidžiate per indą, kuriame yra natrio garų, kurių temperatūra yra žemesnė už kaitrinės lempos kaitinamojo siūlelio temperatūrą, toje vietoje ištisiniame lempos šviesos spektre atsiras dvi siauros juodos linijos. kur yra geltonos linijos natrio emisijos spektre. Taip ir bus linijų spektras natrio absorbcija. Tai yra, natrio atomų absorbcijos linijos tiksliai atitinka jo emisijos linijas.

Emisijos linijų ir sugerties linijų sutapimą galima pastebėti ir kitų elementų spektruose.

1859 metais vokiečių fizikas Gustavas Kirchhoffas įkūrė radiacijos įstatymas(nepainiokite Kirchhoffo radiacijos dėsnio su Kirchhoffo skaičiavimo taisyklėmis elektros grandinės Ir cheminis įstatymas Kirchhoff), pagal kurią atomai šio elemento sugeria tų pačių dažnių šviesos bangas, kokiais jos skleidžia.

Kiekvieno atomo spektras cheminis elementas unikalus, kurio dėka atsirado spektrinės analizės metodas, 1859 metais sukurtas Gustavo Kirchhoffo ir Roberto Bunseno.

Spektrinė analizė yra medžiagos cheminės sudėties nustatymo pagal linijinį spektrą metodas.

Spektrinei analizei atlikti tiriama medžiaga įvedama į atominių dujų būseną (purškiama) ir tuo pačiu metu atomai sužadinami, tai yra, jiems suteikiama papildoma energija. Purškimui ir sužadinimui naudojami aukštos temperatūros šviesos šaltiniai: liepsna arba elektros iškrovos. Jie deda tiriamos medžiagos pavyzdį miltelių arba aerozolio pavidalu (tai yra mažyčiai tirpalo lašeliai, purškiami į orą). Tada, naudojant spektrografą, gaunama medžiagą sudarančių elementų atomų spektrų nuotrauka. Šiuo metu yra visų cheminių elementų spektrų lentelės. Lentelėje radę lygiai tuos pačius spektrus, kurie buvo gauti analizuojant tiriamą mėginį, jie sužinos, kokie cheminiai elementai yra jo sudėtyje.

Spektrinė analizė naudojama metalurgijoje, mechaninėje inžinerijoje, branduolinėje pramonėje, geologijoje, archeologijoje, kriminalistikoje ir astronomijoje. Astronomijoje spektrinės analizės metodas nustato cheminė sudėtis planetų ir žvaigždžių atmosferos, žvaigždžių temperatūros ir jų laukų magnetinės indukcijos. Remiantis spektrinių linijų poslinkiu galaktikų spektruose, buvo nustatytas jų greitis, kuris leido padaryti išvadą apie Visatos plėtimąsi.

Kodėl kiekvieno cheminio elemento atomai turi savo griežtai individualų spektro linijų rinkinį? Kodėl tam tikro elemento spektro emisijos ir sugerties linijos sutampa? Kas lemia atomų spektrų skirtumus skirtingi elementai? Atsakymus į šiuos klausimus pateikė kvantinė mechanika, kurio vienas iš įkūrėjų buvo danų fizikas Nielsas Bohras.

Nielsas Bohras padarė išvadą, kad šviesą skleidžia materijos atomai, ir tuo remdamasis 1913 m. suformulavo du postulatus:

Atomas gali būti tik specialiose, nejudančiose būsenose. Kiekviena būsena atitinka tam tikrą energetinę vertę – energijos lygį. Būdamas nejudančioje būsenoje, atomas nei spinduliuoja, nei sugeria.

Stacionarios būsenos atitinka stacionarias orbitas, kuriomis juda elektronai. Skaičiai stacionarios orbitos Ir energijos lygiai(pradedant nuo pirmos) paprastai žymimi lotyniškomis raidėmis: ir kt. Orbitos spinduliai, taip pat energijos stacionarios būsenos, gali priimti ne bet kokį, o tam tikrą diskrečiųjų vertybių. Pirmoji orbita yra arčiausiai branduolio.

Šviesos dispersija

Sklaida yra terpės lūžio rodiklio priklausomybė nuo dažnio arba bangos ilgio. Fiziniu požiūriu reikia pasakyti, kad dispersija yra fazės greičio priklausomybė nuo dažnio.

Dispersijos pasekmė yra baltos šviesos skaidymas į spektrą prizme. Šis reiškinys Niutonas pirmą kartą jį atrado 1672 m. Spindulių nukrypimo kampas D priklauso nuo prizmės lūžimo kampo P ir lūžio rodiklio n. Prizmėje violetiniai spinduliai nukreipiami stipriausiai, o raudonieji – silpniausiai. Todėl nukreipimo kampas priklauso nuo šviesos bangos ilgio.

Prizmė, kaip ir difrakcijos gardelė, yra spektrinis įtaisas, tačiau raudonieji spinduliai labiausiai nukreipiami difrakcinėje gardelėje. Naudodami difrakcijos gardelę, tiesiogiai nustatykite krintančios šviesos bangos ilgį. Prizmė nurodo tik nuokrypio kampo priklausomybę nuo bangos ilgio. Santykiai vadinami materijos sklaida. Ji parodo kaip greitai keičiasi terpės lūžio rodiklis priklausomai nuo bangos ilgio. Kuo ilgesnis bangos ilgis, tuo mažesnis n; arba kuo didesnis dažnis, tuo didesnis n.

(1) formulėje, mažėjant bangos ilgiui, didėja lūžio rodiklis ir atitinkamai didėja dispersija. Toks dispersijos elgesys vadinamas normaliu. Prie sugerties linijų ir juostų, mažėjant λ, mažėja lūžio rodiklis, atitinkamai mažėja D, ir tokia dispersija vadinama normalia.

Spektrometrų veikimas pagrįstas normalios dispersijos reiškiniu.

Elektromagnetinių bangų sąveika su medžiaga

Šviesos dispersija

Šviesos dispersija vadinama lūžio rodiklio priklausomybe n medžiagos nuo šviesos dažnio v (bangos ilgio l) arba fazės greičio priklausomybės všviesos bangos (žr. § 154) nuo jos dažnio v. Šviesos dispersija vaizduojama kaip priklausomybė

Dispersijos pasekmė yra baltos šviesos pluošto skilimas į spektrą, kai jis praeina per prizmę. Pirmieji eksperimentiniai šviesos sklaidos stebėjimai priklauso I. Newtonui (1672). Panagrinėkime šviesos sklaidą prizmėje. Tegul monochromatinis šviesos spindulys nukrenta ant prizmės su lūžio rodikliu n(268 pav.) kampu a 1 . Po dvigubos lūžio (kairėje ir dešinėje prizmės pusėse) spindulys yra nukrypęs nuo pradinės krypties kampu j.

Iš paveikslo matyti, kad j=(a 1 -b 1)+(a 2 -b 2)=a 1 +a 2 - A. (185.2)

Tarkime, kad kampai A ir a 1 yra maži, tada kampai a 2 , b 1 ir b 2 taip pat bus maži ir vietoj šių kampų sinusų galite naudoti jų reikšmes. Todėl a 1 /b 1 =n, b 2 /a 2 =1/n, o kadangi b 1 +b 2 = A, Tai

a 2 = b 2 n = n (A-b 1)=n(A-a 1/n) = nA-a 1 ,

a 1 +a 2 =nA. (185,3)

Iš (185.3) ir (185.2) išraiškų išplaukia, kad

j = A(n-1), (185,4)

tai yra, kuo didesnis prizmės lūžio kampas, tuo didesnis yra spindulių nukrypimo prizme kampas.

Iš (185.4) išraiškos matyti, kad spindulių nukrypimo prizme kampas priklauso nuo reikšmės n-1, A n- bangos ilgio funkcija, todėl skirtingo bangos ilgio spinduliai, praėję per prizmę, bus nukreipti skirtingais kampais, t.y., baltos šviesos spindulys, esantis už prizmės, suskaidomas į spektrą, ką pastebėjo I. Niutonas. Taigi, naudojant prizmę, taip pat naudojant difrakcinę gardelę,

Suskaidžius šviesą į spektrą, galima nustatyti jos spektrinę sudėtį.

Pasvarstykime difrakcijos ir prizminių spektrų skirtumai.

1. Difrakcinė gardelė išskaido krentančią šviesą tiesiai į bangos ilgius (žr. (180.3)), todėl bangos ilgį galima apskaičiuoti pagal išmatuotus kampus (atitinkamų maksimumų kryptimis). Šviesos skaidymas į spektrą prizmėje vyksta pagal lūžio rodiklio reikšmes, todėl norint nustatyti šviesos bangos ilgį, reikia žinoti priklausomybę n=f(l) (185,1).

2. Sudėtinės spalvos difrakciniame ir prizminiame spektruose išsidėsto skirtingai. Iš (180.3) išplaukia, kad difrakcijos gardelyje įlinkio kampo sinusas yra proporcingas bangos ilgiui. Vadinasi, raudonieji spinduliai, kurių bangos ilgis yra ilgesni nei violetiniai, difrakcijos gardelės nukreipiami stipriau. Prizmė suskaido spindulius į spektrą pagal lūžio rodiklio reikšmes, kurios visoms skaidrioms medžiagoms monotoniškai mažėja didėjant bangos ilgiui (269 pav.). Vadinasi, raudonieji spinduliai, kurių lūžio rodiklis mažesnis nei violetinių, prizmės nukreipiami ne taip stipriai.

Didumas

paskambino materijos sklaida, rodo, kaip greitai keičiasi lūžio rodiklis priklausomai nuo bangos ilgio. Iš pav. 269 ​​iš to išplaukia, kad skaidrių medžiagų lūžio rodiklis didėja monotoniškai mažėjant bangos ilgiui; todėl mažėjant l didėja ir dn/dl dydis.

Tokie dispersija paskambino normalus. Kaip bus parodyta žemiau, kreivės eiga n(l) - dispersijos kreivė- šalia absorbcijos linijų ir juostų jis skirsis: n mažėja mažėjant l. Šis n priklausomybės nuo l kitimas vadinamas anomali sklaida.

Veiksmas pagrįstas normalios dispersijos reiškiniu prizminiai spektrografai. Nepaisant tam tikrų trūkumų (pavyzdžiui, kalibravimo poreikio, skirtingos dispersijos įvairiose spektro dalyse), nustatant šviesos spektrinę sudėtį, prizminiai spektrografai yra plačiai naudojami spektrinė analizė. Taip yra todėl, kad padaryti geras prizmes yra daug lengviau nei geras. difrakcijos gardelės. Prizminiuose spektrografuose taip pat lengviau gauti didelį diafragmos santykį.

Šviesos dispersija

Šviesos sugertis.

Bouguer dėsnis

Eksperimentiškai buvo nustatyta, kad šviesa, praeinanti per medžiagą, yra absorbuojama. Ypač stipri sugertis stebima tų bangų ilgių, kurių dažniai sutampa su natūraliais tam tikros medžiagos dažniais. Šviesos intensyvumas keičiasi pagal įstatymą:

kur α – absorbcijos koeficientas,

aš 0- krintančios šviesos intensyvumas,

Sugeriančio sluoksnio storis.

Minuso ženklas tai rodo dI ir turi priešingi ženklai, t.y. Didėjant sugeriamojo sluoksnio storiui, praleidžiamos šviesos intensyvumas mažėja.

Bouguer dėsnis

Sugerties koeficientas α yra dydis abipusis takai tam tikroje medžiagoje, per kuriuos šviesa sumažina savo intensyvumą e vieną kartą.

Jeigu šviesą sugerianti medžiaga ištirpinama tirpiklyje, kuris nesugeria tam tikros spalvos, tai tirpalo sugerties koeficientas bus tiesiogiai proporcingas sugeriančios medžiagos ilgiui, t.y.

Retintų dujų absorbcijos spektras yra išklotas. Dėl dujų įvedimo molekulinė būsena sugerties spektras dryžuotas. Kietųjų dielektrikų sugerties spektras yra ištisinis tam tikrame dažnių diapazone. Dielektrikas perduos visus kitus dažnius.

Šviesos sklaida materijoje. Normali ir anomali sklaida. Šviesos sklaidos paaiškinimas.

Elektromagnetinė banga, todėl šviesos banga, plinta medžiagos viduje su fazės greitis υ

Medžiagos lūžio rodiklio n priklausomybė nuo į medžiagą krentančios šviesos dažnio arba bangos ilgio vadinama šviesos dispersija:

n = f(ν); n = f(λ).

Todėl šviesos fazės greitis taip pat priklauso nuo šviesos dažnio arba bangos ilgio:

υ = f(ν); υ = f(λ).

Šviesos bangų sklaidos pasekmė yra baltos šviesos pluošto skilimas į spektrą, kai jis praeina per prizmę. Prizminiai spektrai žmonėms buvo žinomi nuo seno, stiklinės prizmės buvo parduodamos net pramogai. Šį reiškinį Niutonas paaiškino 1672 m. vasario 6 d. Karališkosios mokslo draugijos posėdyje, pristatydamas pranešimą tema „Nauja šviesos ir spalvų teorija“. Šioje žinutėje Niutonas teigė, kad „nuostabiausias ir nuostabiausias spalvų mišinys yra balta šviesa“. Baltos šviesos skaidymo į komponentus reiškinį Niutonas pavadino dispersija (iš lotynų kalbos dispersio – sklaida). Prizminis spektras parodytas fig. Šiuo atveju, skirtingai nuo difrakcijos spektrų, šviesą iš trumpesnių bangų (violetinė) prizmė lūžta labiau nei iš ilgųjų bangų (raudona).

Prizmė suskirsto šviesos spindulius į spektrą pagal lūžio rodiklio n reikšmes, kurios visoms skaidrioms medžiagoms mažėja didėjant bangos ilgiui.

Priklausomybė n(ν) arba n(λ) yra netiesinė ir nemonotoniška. Yra dažnių sričių, kurių n didėja didėjant ν (arba, kas yra tas pats, mažėja didėjant λ). Šiems dažnių diapazonams tenkinamos šios sąlygos:

.

Šiuo atveju kalbame apie normalią šviesos sklaidą. Normali dispersija stebima šviesai skaidriose medžiagose. Pavyzdžiui, paprastas stiklas yra skaidrus matomai šviesai, ir šiame dažnių diapazone stebima normali šviesos sklaida stikle. Esant normaliai dispersijai, šviesos bangų grupinis greitis materijoje u<υ.

Šviesos sklaida vadinama anomaline, jeigu didėjant dažniui lūžio rodiklis mažėja (arba didėja didėjant bangos ilgiui), t.y.

.

Paprastame stikle ultravioletinių ir infraraudonųjų spindulių šviesos bangų diapazone aptinkama nenormali dispersija. Esant anomaliai dispersijai, grupės greitis yra didesnis už fazės greitį u>υ.

Dispersijos reiškinys paaiškinamas naudojant Lorenco elektronų teoriją. Šioje teorijoje šviesos sklaida laikoma elektromagnetinių bangų sąveikos su įkrautomis dalelėmis, kurios yra medžiagos dalis ir atlieka priverstinius virpesius kintamajame elektromagnetiniame bangos lauke tam tikros bangos dažniu, rezultatas. Šviesos bangos dažniui artėjant prie natūralių elektronų virpesių dažnio, atsiranda rezonanso reiškinys, sukeliantis šviesos sugertį. Natūralaus virpesių dažnio buvimas lemia n priklausomybę nuo ν, kuri perteikia visą šviesos sklaidos eigą tiek arti sugerties juostų, tiek toli nuo jų (5.2 pav.). Fig. 5.2 AB yra anomalios dispersijos sritis, stebima netoli rezonansinio dažnio, o likusios sritys apibūdina anomalią dispersiją.

Požiūris vadinama materijos dispersija.

Šviesos sklaida paaiškina vaivorykštės reiškinį, brangakmenių ir kristalų spalvų žaismą ir daugelį kitų reiškinių. 5. 3. Šviesos atspindys ir perdavimas. Kūnų dažymas gamtoje. @

Šviesos atspindys yra reiškinys, kai šviesa krinta iš pirmosios terpės į sąsają su antrąja terpe, dėl šviesos sąveikos su medžiaga atsiranda šviesos banga, sklindanti iš sąsajos į pirmąją terpę. Savaime šviečiantys kūnai tampa matomi dėl šviesos atspindėjimo nuo jų paviršiaus. Šis reiškinys glaudžiai susijęs su šviesos lūžio ir sugerties reiškiniais.

Atsispindėjusios šviesos intensyvumas priklauso nuo kritimo kampo, krintančio spindulių pluošto poliarizacijos, abiejų terpių lūžio rodiklių ir apibūdinamas atspindžio koeficientu R: , kur I neg – atsispindėjusios šviesos intensyvumas. Atspindžio koeficientas visada yra mažesnis už vienetą. Jei sąsajos paviršiaus šiurkštumas yra mažas, palyginti su krintančios šviesos bangos ilgiu, tada atsiranda reguliarus arba veidrodinis šviesos atspindys. Jei nelygumų dydis yra panašus į bangos ilgį arba didesnis, tada atspindys vadinamas difuziniu. Esant veidrodiniam atspindžiui, atspindėto pluošto fazė staigiai pasikeičia. Esant normaliam kritimui optiškai tankesnėje terpėje, atspindėtos bangos fazė pasislenka π. Metalai pasižymi didžiausiu atspindžiu, ir tai paaiškina metalizuotų paviršių naudojimą veidrodžiuose.

Šviesos perdavimas – tai optinės spinduliuotės prasiskverbimas per terpę, nekeičiant ją sudarančių monochromatinės spinduliuotės dažnių rinkinio ir jų santykinio intensyvumo. Perdavimo procesui būdingas pralaidumo koeficientas T, kuris priklauso nuo kūno dydžio ir jo paviršiaus būklės, taip pat nuo spektrinės sudėties, kritimo kampo ir spinduliuotės poliarizacijos:

Kur aš siūlau, yra medžiagos perduodamos šviesos intensyvumas. Pralaidumas taip pat visada yra mažesnis už vienybę. Skaidrūs kūnai geriausiai praleidžia šviesą. Taigi įprasto stiklo pralaidumas yra artimas vienybei.

Remdamiesi aukščiau pateikta medžiaga, galite suprasti, nuo ko priklauso mus supančių kūnų spalva. Kiekvienas kūnas, sąveikaudamas su šviesa, turi galimybę sugerti, perduoti arba atspindėti tam tikro bangos ilgio šviesą. Jei kūnas gerai sugeria ant jo krentančią šviesą, bet prastai ją atspindi ir praleidžia, jis yra juodas ir nepermatomas, pavyzdžiui, suodžiai. Priešingai, balti kūnai gerai atspindi ant jų krintantį šviesą, tačiau prastai sugeria. Visų nepermatomų kūnų spalvą lemia tai, kokius bangos ilgius kūnas geriau atspindi. Kūnas, kurio raudonųjų bangų ilgių atspindžio koeficientas yra žymiai didesnis už kitų bangų atspindžio koeficientus, bus raudonas ir kt. Visų skaidrių kūnų spalvą lemia tai, kokius bangos ilgius kūnas praleidžia geriau. Skaidrus kūnas bus bespalvis, jei jis vienodai sugers visų spalvų šviesą ir tokiu būdu skleidžiamoje šviesoje nebus pažeistas įvairių baltos šviesos komponentų santykis. Jei skaidrus kūnas turi selektyvią absorbciją, tada jis įgauna tam tikrą spalvą. Skaidrus kūnas, kurio violetinių bangų ilgių pralaidumas yra žymiai didesnis už kitų bangų pralaidumą, bus violetinis ir kt. Šviesos filtrų gamyba paremta šia savybe. Pavyzdžiui, raudonos šviesos filtras pagamintas iš stiklo, kuris mažiausiai sugeria ir geriausiai praleidžia raudonos bangos ilgio šviesą. Jei ant tokio stiklo apšviesite žalia arba mėlyna šviesa, jis atrodys juodas.

ŠVIESOS SKAIDYMAS

Šviesos dispersija – tai visuma optinių reiškinių, kuriuos sukelia terpės lūžio rodiklio priklausomybė nuo skleidžiamos šviesos dažnio (arba bangos ilgio). Jei šviesos lūžis įvyksta tuštumos ir medžiagos sąsajoje, tai jie kalba apie lūžio rodiklio absoliučios reikšmės priklausomybę nuo bangos ilgio, t.y.

Nuo tada

Kokia matematinė dispersijos išraiška.

Jei intervalo Dl=l 2 -l 1 du kraštutiniai bangos ilgiai l 1 ir l 2 atitinka lūžio rodiklių n 1 ir n 2 reikšmes, tada galima nustatyti vidutinę dispersiją:

.

(8.6)

Šviesos sklaida. Koši formulė. Normali ir anomali lūžio rodiklio sklaida. Elektroninė dispersijos teorija.

Poliarizatorius ir analizatorius. Poliarizatorius (angl. polarizer) yra prietaisas, naudojamas paprastai visiškai poliarizuotai šviesai gaminti.

Priklausomai nuo poliarizuotos šviesos tipo (elipsinės arba plokštumos poliarizuotos), poliarizatoriai skirstomi į

1) linijinė (plokštuminė poliarizuota šviesa)

poliarizuojančios prizmės (pvz., Nicolas iš Islandijos sparno). Tokio tipo prietaisai naudoja šviesos skilimą patekus į kristalą į du tarpusavyje statmenus pluoštus su skirtingais lūžio rodikliais (ir atitinkamai skirtingomis judėjimo kryptimis), iš kurių vienas užgęsta prizmės sienelėje. Anksčiau naudotus poliarizaciniuose mikroskopuose, dabar juos pakeitė pigūs polaroidai.

Polaroidai yra specialios plėvelės, kurių organinėje bazėje yra kartu orientuotų dichroizmo kristalų (turmalinas, chinino jodido sulfatas). Šiais laikais polaroidai naudojami ant polivinilo pagrindo su chinino jodido sulfato kristalais. Tokių polaroidų trūkumas yra ribotas jų tarnavimo laikas.

rietuvės – tai plonų izotropinių medžiagų plokštelių paketai, kuriuose „perteklinis“ komponentas gesinamas plokščių ribose.

2) apskrita (elipsiškai poliarizuota šviesa)

Tokiai šviesai gaminti naudojamas linijinio poliarizatoriaus ir trupmeninio bangos ilgio plokštės derinys. Visų pirma, norint gauti apskritimo poliarizuotą šviesą, naudojama ketvirčio bangos plokštė.

Poliarizaciniuose mikroskopuose poliarizatoriai naudojami šiose dalyse:

apatinės optinės sistemos poliarizatorius (polaroidas), nuolat įjungtas.

viršutinės optinės sistemos analizatorius (polaroidas), ypač naudojamas stebėti tarpinę spalvą. Jį galima įjungti arba išjungti.

^Malo dėsnis. Maluso dėsnis yra fizikinis dėsnis, išreiškiantis tiesiškai poliarizuotos šviesos intensyvumo priklausomybę jai praeinant per poliarizatorių nuo kampo φ tarp krintančios šviesos poliarizacijos plokštumų ir poliarizatoriaus. kur I0 yra šviesos, patenkančios į poliarizatorių, intensyvumas, I yra šviesos, išeinančios iš poliarizatoriaus, intensyvumas, ka yra poliarizatoriaus pralaidumas. Šviesa su skirtinga (netiesine) poliarizacija gali būti pavaizduota kaip dviejų tiesiškai poliarizuotų komponentų, kurių kiekvienam galioja Maluso dėsnis, suma. Pagal Maluso dėsnį, sklindančios šviesos intensyvumas skaičiuojamas visuose poliarizacijos įrenginiuose, pavyzdžiui, poliarizacijos fotometruose ir spektrofotometruose. Atspindžio nuostoliai, kurie priklauso nuo φ ir į kuriuos neatsižvelgiama pagal Maluso dėsnį, nustatomi papildomai.

^12. Šviesos sklaida. Koši formulė. Normali ir anomali lūžio rodiklio dispersija. Elektroninė dispersijos teorija. šviesos sklaida (šviesos skilimas) yra reiškinys, kurį sukelia medžiagos absoliutaus lūžio rodiklio priklausomybė nuo šviesos dažnio (arba bangos ilgio) (dažnio dispersija) arba, tas pats, fazės greičio priklausomybė. šviesa medžiagoje pagal bangos ilgį (arba dažnį). Jį eksperimentiškai atrado Niutonas apie 1672 m., nors teoriškai gana gerai paaiškino daug vėliau.

Erdvinė dispersija – tai terpės dielektrinės konstantos tenzoriaus priklausomybė nuo bangos vektoriaus. Ši priklausomybė sukelia daugybę reiškinių, vadinamų erdvinės poliarizacijos efektais.

Vienas ryškiausių dispersijos pavyzdžių – baltos šviesos skilimas, kai ji praeina per prizmę (Niutono eksperimentas). Dispersijos reiškinio esmė – nevienodas skirtingo bangos ilgio šviesos spindulių sklidimo greitis skaidrioje medžiagoje – optinėje terpėje (tuo tarpu vakuume šviesos greitis visada yra vienodas, nepriklausomai nuo bangos ilgio, taigi ir spalvos). Paprastai kuo didesnis bangos dažnis, tuo didesnis terpės lūžio rodiklis ir mažesnis šviesos greitis joje:

raudona spalva turi didžiausią greitį terpėje ir mažiausią lūžio laipsnį,

Violetinė spalva turi mažiausią šviesos greitį terpėje ir didžiausią lūžio laipsnį.

Tačiau kai kuriose medžiagose (pavyzdžiui, jodo garuose) pastebimas nenormalus dispersijos efektas, kai mėlyni spinduliai lūžta mažiau nei raudonieji, o kitus spindulius medžiaga sugeria ir išvengia stebėjimo. Kalbant griežčiau, anomali dispersija yra plačiai paplitusi, pavyzdžiui, ji pastebima beveik visose dujose dažniais šalia sugerties linijų, tačiau jodo garuose gana patogu stebėti optiniame diapazone, kur jos labai stipriai sugeria šviesą.

Šviesos dispersija pirmą kartą leido gana įtikinamai parodyti sudėtinį baltos šviesos pobūdį. Balta šviesa suskaidoma į spektrą dėl prasiskverbimo per difrakcijos gardelę arba atsispindi nuo jos (tai nesusiję su dispersijos reiškiniu, bet paaiškinama difrakcijos prigimtimi). Difrakcija ir prizminis spektrai šiek tiek skiriasi: prizminis spektras yra suspaustas raudonoje dalyje ir ištemptas violetinėje ir yra išdėstytas bangos ilgio mažėjimo tvarka: nuo raudonos iki violetinės; normalus (difrakcijos) spektras yra vienodas visose srityse ir yra išdėstytas didėjančio bangos ilgio tvarka: nuo violetinės iki raudonos.

Pagal analogiją su šviesos sklaida, panašūs bet kokios kitos prigimties bangų sklidimo priklausomybės nuo bangos ilgio (arba dažnio) reiškiniai taip pat vadinami dispersija. Dėl šios priežasties, pavyzdžiui, dispersijos dėsnio terminas, vartojamas kaip kiekybinio ryšio, jungiančio dažnį ir bangos skaičių, pavadinimas, taikomas ne tik elektromagnetinei bangai, bet ir bet kokiam bangų procesui.

Dispersija paaiškina tai, kad po lietaus atsiranda vaivorykštė (tiksliau, tai, kad vaivorykštė yra įvairiaspalvė, o ne balta).

Dispersija yra chromatinių aberacijų priežastis – viena iš optinių sistemų, įskaitant fotografijos ir vaizdo objektyvus, aberacijų. Koši priėjo formulę, išreiškiančią terpės lūžio rodiklio priklausomybę nuo bangos ilgio: kur:

λ - bangos ilgis vakuume;

a, b, c, … yra konstantos, kurių vertės kiekvienai medžiagai turi būti nustatytos eksperimentiškai. Daugeliu atvejų galite apsiriboti dviem pirmaisiais Koši formulės terminais. Vaivorykštė, kurios spalvos atsiranda dėl sklaidos, yra vienas pagrindinių kultūros ir meno vaizdų. Dėl šviesos sklaidos galima stebėti spalvotą „šviesos žaismą“ deimantų ir kitų skaidrių briaunuotų objektų ar medžiagų briaunose.

Tam tikru ar kitokiu laipsniu vaivorykštės efektai aptinkami gana dažnai, kai šviesa praeina per beveik bet kokius skaidrius objektus. Dailėje jie gali būti ypatingai sustiprinti ir pabrėžti.

^Normali ir anomali lūžio rodiklio sklaida.šviesos dispersija – tai medžiagos lūžio rodiklio priklausomybė nuo šviesos bangos dažnio. Ši priklausomybė nėra tiesinė ir ne monotoniška. ν reikšmės sritys, kuriose arba atitinka normalią šviesos sklaidą (didėjant dažniui ν lūžio rodiklis n didėja). Normali dispersija stebima šviesai skaidriose medžiagose. Pavyzdžiui, paprastas stiklas yra skaidrus matomai šviesai, o šiame dažnio regione yra normali šviesos sklaida stikle. Šviesos „skilimas“ monochromatorių stiklo prizme pagrįstas normalios dispersijos reiškiniu. Dispersija vadinama anomaliu, jei arba t.y. Didėjant dažniui ν, lūžio rodiklis n mažėja. Nenormali dispersija stebima dažnių srityse, atitinkančiose intensyvios šviesos sugerties juostas tam tikroje terpėje. Pavyzdžiui, paprastas stiklas pasižymi neįprasta dispersija infraraudonojoje ir ultravioletinėje spektro dalyse.

^Elektroninės dispersijos teorija. Klasikinė elektroninė dispersijos teorija mano, kad šviesos sklaida atsiranda dėl priverstinių elektronų, sudarančių atomą, virpesių, veikiant elektromagnetinės bangos laukui.

^13. Šiluminė spinduliuotė. Medžiagos emisijos ir absorbcijos gebėjimai ir jų ryšys. Visiškai juodas kūnas. Kirchhoffo dėsnis. Šiluminė spinduliuotė arba spinduliuotė – tai energijos perdavimas iš vieno kūno į kitą elektromagnetinių bangų pavidalu dėl jų šiluminės energijos. Šiluminė spinduliuotė daugiausia patenka į infraraudonųjų spindulių spektro sritį, tai yra, kai bangos ilgiai yra nuo 0,74 mikronų iki 1000 mikronų. Skiriamasis spinduliavimo šilumos mainų bruožas yra tas, kad jis gali būti atliekamas tarp kūnų, esančių ne tik bet kurioje terpėje, bet ir vakuume.

Šiluminės spinduliuotės pavyzdys yra kaitrinės lempos šviesa.

Objekto, atitinkančio absoliučiai juodo kūno kriterijus, šiluminės spinduliuotės galią apibūdina Stefano-Boltzmanno dėsnis.

Ryšys tarp kūnų spinduliavimo ir sugeriamųjų gebėjimų aprašomas Kirchhoffo radiacijos dėsniu.

Šiluminė spinduliuotė yra vienas iš trijų elementarių šiluminės energijos perdavimo tipų (be šilumos laidumo ir konvekcijos).

Pusiausvyros spinduliuotė yra šiluminė spinduliuotė, kuri yra termodinaminėje pusiausvyroje su medžiaga. Šiluminė spinduliuotė vyksta visame dažnių spektre nuo nulio iki begalybės

Šiluminės spinduliuotės intensyvumas yra netolygus įvairiuose dažniuose ir turi ryškų maksimumą tam tikru dažniu

Kylant temperatūrai, bendras šiluminės spinduliuotės intensyvumas didėja

Kylant temperatūrai, spinduliuotės maksimumas pasislenka į aukštesnius dažnius (trumpesnio bangos ilgio)

Šiluminė spinduliuotė būdinga kūnams, nepaisant jų agregacijos būsenos

Išskirtinė šiluminės spinduliuotės savybė yra spinduliuotės pusiausvyra. Tai reiškia, kad jei kūną patalpinsime į termoizoliuotą indą, sugertos energijos kiekis visada bus lygus išskiriamos energijos kiekiui. Visiškai juodas kūnas- fizinis idealizavimas, naudojamas termodinamikoje, kūnas, kuris sugeria visą elektromagnetinę spinduliuotę, patenkančią į jį visuose diapazonuose ir nieko neatspindi. Nepaisant pavadinimo, visiškai juodas kūnas pats gali skleisti bet kokio dažnio elektromagnetinę spinduliuotę ir vizualiai turėti spalvą. Absoliučiai juodo kūno spinduliuotės spektrą lemia tik jo temperatūra.

Absoliučiai juodo kūno svarba sprendžiant bet kokių (pilkų ir spalvotų) kūnų šiluminės spinduliuotės spektro klausimą apskritai, be to, kad jis reprezentuoja paprasčiausią nebanalų atvejį, taip pat slypi tame, kad klausimas bet kokios spalvos kūnų pusiausvyrinės šiluminės spinduliuotės spektro ir atspindžio koeficiento, klasikinės termodinamikos metodais redukuojama iki absoliučiai juodo kūno spinduliavimo klausimo (ir istoriškai tai buvo padaryta jau XIX a. pabaigoje, kai iškilo absoliučiai juodo kūno spinduliavimo problema).

Juodiausios tikrosios medžiagos, pavyzdžiui, suodžiai, sugeria iki 99% krintančios spinduliuotės (tai yra, jų albedo yra 0,01) matomoje bangos ilgio diapazone, tačiau infraraudonąją spinduliuotę jos sugeria daug blogiau. Tarp Saulės sistemos kūnų Saulė turi daugiausiai absoliučiai juodo kūno savybių. Kirchhoffo radiacijos dėsnis- fizikos dėsnis, kurį 1859 m. nustatė vokiečių fizikas Kirchhoffas.

Šiuolaikinėje formuluotėje įstatymas skamba taip:

Bet kurio kūno spinduliuotės ir jo sugerties gebos santykis yra vienodas visiems kūnams tam tikroje temperatūroje tam tikru dažniu ir nepriklauso nuo jų formos ir cheminės prigimties. Yra žinoma, kad elektromagnetinei spinduliuotei krentant ant tam tikro kūno dalis jos atsispindi, dalis sugeriama, o dalis gali būti perduodama. Tam tikru dažniu sugertos spinduliuotės dalis vadinama kūno sugeriamumu. Kita vertus, kiekvienas įkaitęs kūnas skleidžia energiją pagal tam tikrą dėsnį, vadinamą kūno spinduliuote.

Perkeliant iš vieno kūno į kitą reikšmės ir gali labai skirtis, tačiau pagal Kirchhoffo spinduliuotės dėsnį spinduliavimo ir sugerties gebėjimų santykis nepriklauso nuo kūno prigimties ir yra universali dažnio funkcija ( bangos ilgis) ir temperatūra: Pagal apibrėžimą absoliučiai juodas kūnas sugeria visą į jį patenkančią spinduliuotę, tai yra, jam = 1. Todėl funkcija sutampa su absoliučiai juodo kūno spinduliavimo koeficientu, aprašytu Stefano-Boltzmanno dėsniu, dėl kurio bet kurio kūno spinduliuotė gali būti nustatyta tik remiantis jo absorbcijos galimybėmis.

Tikrų kūnų sugerties geba yra mažesnė nei vienybė, taigi ir spinduliuotė mažesnė nei absoliučiai juodo kūno. Kūnai, kurių sugerties geba nepriklauso nuo dažnio, vadinami pilkais. Jų spektras yra toks pat, kaip ir visiškai juodo kūno. Bendru atveju kūnų sugerties geba priklauso nuo dažnio ir temperatūros, o jų spektras gali gerokai skirtis nuo absoliučiai juodo kūno spektro. Įvairių paviršių spinduliuotės tyrimą pirmasis atliko škotų mokslininkas Leslie, naudodamas savo išradimą – Leslie kubą.

^14. Rayleigh-Jeans formulė. Stefano-Boltzmanno įstatymas. Vieno poslinkio dėsnis. Rayleigh-Jeans dėsnis – Rayleigh-Jeans spinduliuotės dėsnis, skirtas absoliučiai juodo kūno pusiausvyros spinduliuotės tankiui ir absoliučiai juodo kūno spinduliuotei, kurį gavo Rayleigh ir Jeans, remiantis klasikine statistika (teorema apie tolygus energijos pasiskirstymas pagal laisvės laipsnius ir elektromagnetinio lauko, kaip begalinės dinaminės sistemos, idėja). Teisingai apibūdinta žemo dažnio spektro dalis, esant vidutiniams dažniams, tai lėmė staigų neatitikimą eksperimentui, o esant aukštiems dažniams - absurdišką rezultatą (žr. toliau), o tai reiškė nepatenkinamą klasikinės fizikos pobūdį. Stefano-Boltzmanno įstatymas. Stefano-Boltzmanno dėsnis yra juodojo kūno spinduliuotės dėsnis. Nustato absoliučiai juodo kūno spinduliuotės galios priklausomybę nuo jo temperatūros. Dėsnio teiginys: Absoliučiai juodo kūno spinduliuotės galia yra tiesiogiai proporcinga paviršiaus plotui ir ketvirtajai kūno temperatūros galiai:

Vieno poslinkio dėsnis. Wieno poslinkio dėsnis suteikia bangos ilgio, kuriam esant juodo kūno energijos spinduliuotės srautas pasiekia maksimumą, priklausomybę nuo juodo kūno temperatūros. λmax = b/T ≈ 0,002898 m K × T −1 (K),

kur T yra temperatūra, o λmax yra didžiausio intensyvumo bangos ilgis. Koeficientas b, vadinamas Wien konstanta, SI sistemoje turi 0,002898 mK reikšmę.

Šviesos dažniui υ (hercais) Wieno poslinkio dėsnis yra kur

α ≈ 2,821439… Hz/K – pastovi vertė,

k – Boltzmanno konstanta,

h – Planko konstanta,

T – temperatūra (kelvinais).

^15. Klasikinės radiacijos teorijos apribojimai. Plancko formulė. Plancko formulė yra juodojo kūno spinduliuotės spektrinės galios tankio išraiška, kurią gavo Maxas Planckas. Dėl spinduliuotės energijos tankio: Plancko formulė buvo gauta po to, kai paaiškėjo, kad Rayleigh-Jeans formulė patenkinamai apibūdina spinduliuotę tik ilgųjų bangų srityje. Norėdamas išvesti formulę, Planckas 1900 m. padarė prielaidą, kad elektromagnetinė spinduliuotė skleidžiama atskirų energijos dalių (kvantų) pavidalu, kurių dydis yra susijęs su spinduliuotės dažniu pagal išraišką: Proporcingumo koeficientas vėliau buvo vadinamas. Planko konstanta, = 1.054 10−27 erg Su. Absoliučiai juodo kūno išvedimas, vidutinės vibracijos energijos, kurios dažnis ω, išraiška pateikiama išraiška: kur ћ yra Plancko konstanta, k yra Boltzmanno konstanta. Stovėjusių bangų skaičius trimatėje erdvėje yra lygus:

Šviesos sąveika su medžiaga. Šviesos sklaida ir sugertis. Normali ir anomali sklaida. Bouguer-Lambert įstatymas.

Šviesos dispersija Pavadinkite medžiagos absoliutaus lūžio rodiklio n priklausomybės nuo šviesos dažnio ω (arba bangos ilgio λ) reiškinį:

Šviesos sklaidos pasekmė yra baltos šviesos pluošto, einančio per prizmę, skaidymas į spektrą. Pirmąjį eksperimentinį šviesos sklaidos stiklinėje prizmėje tyrimą I. Niutonas atliko 1672 m.

Šviesos dispersija paskambino normalus jei lūžio rodiklis didėja monotoniškai didėjant dažniui (mažėja didėjant bangos ilgiui); kitaip dispersija vadinama nenormalus, 1 pav.

Didumas

paskambino materijos sklaida ir apibūdina lūžio rodiklio kitimo greitį keičiantis bangos ilgiui.

Normali šviesos sklaida stebima toli nuo medžiagos šviesos sugerties juostų ar linijų, anomali – sugerties juostose ar linijose.

Panagrinėkime šviesos sklaidą prizmėje, 2 pav.

Tegul monochromatinis šviesos spindulys krenta ant skaidrios prizmės, kurios lūžio kampas θ ir lūžio rodiklis n kampu α 1. Po dvigubo nukrypimo (kairėje ir dešinėje prizmės pusėse) spindulys nukrypsta nuo pradinės krypties kampu φ. Iš geometrinių transformacijų išplaukia, kad

tie. Spindulių nukreipimo prizme kampas yra didesnis, tuo didesnis prizmės medžiagos lūžio kampas ir lūžio rodiklis. Kadangi n = f(λ), tai skirtingo bangos ilgio spinduliai, praėję per prizmę, bus nukreipti skirtingais kampais, t.y. baltos šviesos spindulys, krentantis į prizmę, už prizmės, suskaidomas į spektrą, kurį pirmasis pastebėjo Niutonas. Tai reiškia, kad prizmės pagalba, kaip ir difrakcinės gardelės pagalba, skaidant šviesą į spektrą, galima nustatyti jos spektrinę sudėtį.

Reikėtų prisiminti, kad komponentų spalvos difrakcijos ir prizminiuose spektruose yra skirtingos. Difrakcijos spektre nukreipimo kampo sinusas yra proporcingas bangos ilgiui, todėl raudonieji spinduliai, kurių bangos ilgis yra ilgesni nei violetiniai, difrakcijos gardelės nukreipiami stipriau. Prizmėje visoms skaidrioms medžiagoms su normalia dispersija lūžio rodiklis n mažėja didėjant bangos ilgiui, todėl raudonieji spinduliai prizmės nukreipiami mažiau nei violetiniai.

Veiksmas pagrįstas normalios dispersijos reiškiniu prizmių spektrometrai, plačiai naudojamas spektro

Vienas iš šviesos sąveikos su medžiaga rezultatų yra jos sklaida.

Šviesos dispersija vadinama lūžio rodiklio priklausomyben medžiagos nuo dažnioν (bangos ilgiaiλ) šviesa arba šviesos bangų fazinio greičio priklausomybė nuo jų dažnio.

Šviesos dispersija vaizduojama kaip priklausomybė:

Sklaidos pasekmė – baltos šviesos pluošto, einančio per prizmę, skilimas į spektrą (10.1 pav.). Pirma eksperimentiniai stebėjimaišviesos sklaidą 1672 metais atliko I. Niutonas. Šį reiškinį jis paaiškino ląstelių masių skirtumu.

Panagrinėkime šviesos sklaidą prizmėje. Tegul monochromatinis šviesos spindulys nukrenta ant prizmės su lūžio kampas A ir lūžio rodiklis n(10.2 pav.) kampu.

Ryžiai. 10.1	Ryžiai. 10.2

Po dvigubos lūžio (kairėje ir dešinėje prizmės pusėse) spindulys lūžta nuo pradinės krypties kampu φ. Iš pav. iš to išplaukia

Tarkime, kad kampai A ir yra maži, tada kampai , , taip pat bus maži ir vietoj šių kampų sinusų galite naudoti jų reikšmes. Todėl, ir todėl , tada arba .

Iš to išplaukia

tie. Kuo didesnis prizmės lūžio kampas, tuo didesnis prizmės spindulių nukrypimo kampas..

Iš (10.1.1) išraiškos matyti, kad spindulių nukrypimo prizme kampas priklauso nuo lūžio rodiklio n, A n todėl yra bangos ilgio funkcija skirtingo bangos ilgio spinduliai, praėję per prizmę, nukrypsta skirtingais kampais. Baltos šviesos spindulys už prizmės suskaidomas į spektrą, vadinamą dispersinis arba prizminis , ką pastebėjo Niutonas. Taigi, naudojant prizmę, taip pat naudojant difrakcinę gardelę, skaidant šviesą į spektrą, galima nustatyti jos spektrinę sudėtį.

Pasvarstykime difrakcijos ir prizminių spektrų skirtumai.

· Difrakcinė gardelė skaido šviesą tiesiogiai pagal bangos ilgį, todėl iš išmatuotų kampų (atitinkamų maksimumų kryptimis) galima apskaičiuoti bangos ilgį (dažnį). Šviesos skaidymas į spektrą prizmėje vyksta pagal lūžio rodiklio reikšmes, todėl norint nustatyti šviesos dažnį ar bangos ilgį, reikia žinoti priklausomybę arba.

· Sudėtinės spalvos difrakcija Ir prizminis spektrai išsidėstę skirtingai. Mes žinome, kad kampo sinusas difrakcijos gardelyje yra proporcingas bangos ilgiui . Vadinasi, raudoni spinduliai, kurių bangos ilgis yra ilgesni nei violetiniai, difrakcijos gardelės nukreipiami stipriau.. Prizmė skaido šviesos spindulius spektre pagal lūžio rodiklio reikšmes, kurios visoms skaidrioms medžiagoms mažėja didėjant bangos ilgiui (t.y. mažėjant dažniui) (10.3 pav.).

Todėl raudonus spindulius prizmė atkreipia silpniau, skirtingai nei difrakcijos grotelės.

Didumas(arba ), paskambino materijos sklaida, rodo, kaip greitai keičiasi lūžio rodiklis priklausomai nuo bangos ilgio.

Iš pav. 10.3 iš to seka, kad lūžio rodiklis skaidrioms medžiagoms didėja didėjant bangos ilgiui, todėl mažėjant λ didėja ir absoliuti ši dispersija normalus . Netoli sugerties linijų ir juostų dispersijos kreivės eiga bus skirtinga, būtent n mažėja mažėjant λ. Tokia priklausomybės eiga n iš λ vadinama anomali sklaida . Pažvelkime į šias dispersijos rūšis atidžiau.