Дисперсійний спектр. Дифракційне та дисперсне розкладання у спектр

ВИЗНАЧЕННЯ

Дифракційним спектромназивають розподіл інтенсивності на екрані, що виходить у результаті дифракції.

При цьому основна частина світлової енергії зосереджена у центральному максимумі.

Якщо як прилад, що розглядається, за допомогою якого здійснюється дифракція, взяти дифракційні грати, то з формули:

(де d - постійна решітки; - кут дифракції; - довжина хвилі світла; . - ціле число), слід, що кут під яким виникають головні максимуми пов'язаний з довжиною хвилі падаючого на решітку світла (світло на решітку падає нормально). Це означає, що максимуми інтенсивності, що дає світло різної довжини хвилі, виникають у різних місцях простору спостереження, що дає змогу застосовувати дифракційні грати як спектральний прилад.

Якщо на дифракційні грати падає білий світ, всі максимуми крім центрального максимуму, розкладаються в спектр. З формули (1) випливає, що положення максимуму порядку можна визначити як:

З виразу (2) випливає, що зі збільшенням довжини хвилі відстань від центрального максимуму до максимуму з номером m збільшується. Виходить, що фіолетова частина кожного головного максимуму звернена до центру картини дифракції, а червона область назовні. Слід згадати, що при спектральному розкладанні білого світла фіолетові промені відхиляються сильніше, ніж червоні.

Дифракційні грати застосовують як простий спектральний прилад, за допомогою якого можна визначати довжину хвилі. Якщо відомий період ґрат, то знаходження довжини хвилі світла зведеться до вимірювання кута, який відповідає напрямку на обрану лінію порядку спектру. Зазвичай використовують спектри першого чи другого порядку.

Слід зазначити, що спектри дифракції високих порядків накладаються один на одного. Так, при розкладанні білого світла спектри другого та третього порядків вже частково перекриваються.

Дифракційне та дисперсне розкладання у спектр

За допомогою дифракції, як і дисперсії, можна розкласти промінь світла на складові. Проте є принципові відмінностіу цих фізичних явищах. Так, дифракційний спектр- це результат огинання світлом перешкод, наприклад затемнених зон дифракційної решітки. Такий діапазон поступово поширюється в усіх напрямках. Фіолетова частина спектра звернена до центру. Спектр при дисперсії можна одержувати при пропущенні світла через призму. Спектр виходить розтягнутим у фіолетовому напрямку та стиснутим у червоному. Фіолетова частина спектра займає більшу ширину, ніж червона. Червоні промені при спектральному розкладанні відхиляються менше, ніж фіолетові, отже, червона частина спектра ближче до центру.

Максимальний порядок спектру при дифракції

Використовуючи формулу (2) і зважаючи на те, що не може бути більше одиниці, отримаємо, що:

Приклади розв'язання задач

ПРИКЛАД 1

ПРИКЛАД 2

Більшість фактичних відомостей про навколишні явища і природу отримані людиною за допомогою сприйняття за допомогою органів зорового сприйняттяякі створені світлом. Явлення світла, що вивчаються у фізиці, розглядаються у розділі Оптика.

За своєю природою світло є явищем електромагнітним, а це говорить про одночасний прояв як хвильових (інтерференція, дифракція, дисперсія), так і квантових властивостей (фотоефект, люмінесценція).
Розглянемо два важливі хвильових властивостісвітла: дифракцію та дисперсію.

Концепція світлового променяшироко використовують у геометричній оптиці. Таким явищем вважається вузький пучок світла, що поширюється прямолінійно. Подібне поширення світла в однорідному середовищі для нас здається таким звичайним, що сприймається як очевидне. Досить переконливим підтвердженням цього закону може бути утворення тіні, що з'являється за непрозорою перешкодою, яка стоїть на шляху світла. А світло своєю чергою випромінюється точковим джерелом.

Явища, що виникають при поширенні світла серед з різко вираженими неоднорідностями, є дифракцією світла.

Отже, дифракцією називають сукупність явищ, які зумовлені огинанням світловими променями перешкод, що зустрічаються на їхньому шляху (у широкому значенні: будь-яке відхилення від законів геометричної оптикипри поширенні хвиль та попадання їх у ділянки геометричної тіні).

Дифракція чітко проявляється у разі, коли параметри неоднорідності (прорізи решітки) пропорційні довгій хвилі. Якщо розміри занадто великі, вона спостерігається лише з значних відстанях від неоднорідності.

При обгинанні неоднорідностей світловий промінь розкладається у спектр. Спектр розкладання, отриманий при даному явищіназивається дифракційним спектром. Дифракційний спектр ще називають ґратчастим.

Різним швидкостям поширення хвиль відповідають різні абсолютні показники заломлення середовища. З досліджень Ньютона випливає, що абсолютний показникзаломлення збільшується зі зростанням частоти світла. З часом учені встановили той факт, що при розгляді світла як хвилі кожен колір необхідно ставити у відповідність довжині хвилі. Важливим є те, що ці довжини хвиль змінюються безперервно, відповідаючи різним відтінкам кожного кольору.

Якщо тонкий пучок сонячного світланаправити на скляну призму, то в ній після заломлення можна спостерігати розкладання білого світла (біле світло – сукупність електромагнітних хвильз різною довгою хвилі) в різнокольоровий спектр: сім основних кольорів – червоний, помаранчевий, жовтий, зелений, блакитний, синій та фіолетовий кольори. Всі ці кольори плавно переходять один до одного. Найменшою мірою від початкового напрямку відкланяються червоні промені, а більшою – фіолетові.

Цим можна пояснити виникнення забарвлення предметів різними кольорами, оскільки біле світло є сукупністю різних кольорів. Наприклад, колір листя рослин, зокрема, зелений коліробумовлений тим, що на поверхні листя відбувається поглинання всіх квітів крім зеленого кольору. Саме його ми й бачимо.

Отже, дисперсія – явище, яке характеризує залежність заломлення речовини від довжини хвилі. Якщо говорити про світлові хвилі, то дисперсія дисперсією називають явище залежності швидкості світла (а також показника заломлення світла речовиною) від довжини (частоти) світлового променя. Завдяки дисперсії біле світло розкладається у спектр при проходженні через скляну призму. Саме тому подібним чином отриманий спектр називають дисперсійним. На виході з призми ми отримаємо розширену світлову смугу з забарвленням, яке безперервно (плавно) змінюється. Дисперсійний спектр ще називають призматичним.

Дифракційний та дисперсійний спектри

Ми розглянули явища дифракції та дисперсії, а також їх наслідки – отримання дифракційного та дисперсійного спектрів. Тепер звернемо особливу увагуз їхньої відмінності.

Способи отримання спектрів:

• Дифракційний спектр: часто отриманий за допомогою так званих дифракційних грат. Вона складається зі смуг прозорих і непрозорих (або відбивають і невідбивають). Ці лінії чергуються з періодом, значення якого залежить від довжини хвилі. При попаданні на решітку світло розбивається на пучки, котрим спостерігається явище дифракції і розкладання світла спектр.
• Дисперсійний спектр: на відміну від дифракційного, отриманий в результаті проникнення світлової хвилі крізь речовину (призму). В результаті проходження монохроматичні хвилі зазнають заломлення, причому кут заломлення буде різним.

Розподіл та характер кольорів у спектрах:

• Дифракційний спектр: від першого до останнього у спектрі кольору розташовуються рівномірно. І виявляються від фіолетового до червоного, а саме в порядку зростання.
• Дисперсійний спектр: у червоній частині спектру стиснутий, а у фіолетовому – розтягнутий. Кольори розташовуються в порядку від червоного до фіолетового, тобто в порядку зменшення, на відміну від зростання дифракційного спектру.

Заключні відомості

Отже, розглянуті показники показують, що дифракційна картиназначним чином залежить від довжини хвилі світла, що огинає перешкоду. Тому, якщо світло немонохроматичний (наприклад, біле світло, що розглядається нами), то дифракційні максимуми інтенсивності для різних довжин хвиль просто розійдуться, при цьому вони утворюють дифракційний спектри. Вони мають значну перевагу перед спектрами, які виникають внаслідок дисперсії променів, що проходять крізь призму. Взаємне розташуванняквітів вони залежить від властивостей матеріалів, у тому числі виготовлені екрани і щілини решітки, а визначається однозначно лише довжинами хвиль і геометрією приладу (наприклад, призми) і може бути розраховано виключно з геометричних міркувань.

В оптиці розрізняють дифракційний та дисперсійний світлові спектри. У чому особливості?

Що таке дифракційний спектр?

Цей спектр утворюється при проходженні світла через безліч невеликих отворів або щілин. Так, його можна розглянути, якщо примружитися і подивитися на сонце чи лампу. Якщо звернути увагу на місяць взимку в мороз, то навколо нього нескладно побачити різнокольорові кола: вони також є дифракційними спектрами. У разі вони утворюються внаслідок проходження світла через замерзлі частки води у атмосфері. З метою проведення наукових експериментівсвого роду еталонні дифракційні спектри створюються за допомогою спеціальних дифракційних ґрат.

Дифракційний спектр

Вигляд спектра, що розглядається, характеризується відхиленням променів, яке є пропорційним показником довжини хвилі. Тому ультрафіолетові, а також фіолетові промені спектра, які мають короткі хвилі, відхиляються в найменшою мірою. У свою чергу, довгохвильові червоні та інфрачервоні – навпаки. Можна зазначити, що аналізований спектр більшою міроюрозтягнутий у бік довгохвильових променів.

Що таке дисперсійний спектр?

Цей спектр утворюється в результаті заломлення світла - наприклад, при його проходженні через призму. Виглядає він таким чином, як сукупність світлових смуг різного кольору. Дисперсія світла є розкладання його потоку, що має білий колірна монохроматичні промені, які формують світловий спектр.

В історії фізики відомий примітний факт: до того, як було відкрито дисперсійний спектр, була поширена думка, що біле світло забарвлюється при проходженні через призму. Виявилось, що це не так.

У дисперсійному спектрі найбільше відхилення при заломленні властиво фіолетовим променям. Розтягується аналізований спектр більш рівномірно, ніж дифракційний, - за всіма типами променів, але при цьому в найбільшою мірою- У бік короткохвильових.

Порівняння

Головна відмінність дифракційного спектру від дисперсійного полягає в тому, що перший спектр утворюється в результаті проходження світла через вузькі отвори (та інші не перешкоджають проходженню променів області між деякими близько розташованими об'єктами), а другий - в результаті його заломлення (наприклад, внаслідок проходження через призму ).

Також між спектрами, що розглядаються, можуть спостерігатися відмінності з точки зору:

• відхилення червоних та фіолетових променів;
• ступеня розтягування спектра;
• ступеня розтягування спектра щодо червоних та фіолетових променів.

Більш наочно відобразити те, у чому різниця між дифракційним та дисперсійним спектром полягає з погляду зазначених параметрів, нам допоможе невелика таблиця.

Дисперсія світла є розкладання його потоку, що має білий колір, на монохроматичні промені, які формують світловий спектр.

Відрізняються порядком кольорів. У дисперсійному вони йдуть (вважаючи, від первісного променя) – червоний, помаранчевий, жовтий, зелений, блакитний, синій, фіолетовий; у дифракційному (вважаючи від головного максимуму) – фіолетовий, синій, блакитний, зелений, жовтий, помаранчевий, червоний.

45. Зовнішній фотоефект. Закони Столетова.

Пізніше скорочу.

Зовнішній фотоефект – це явище виривання електронів із твердих та рідких тілпід впливом світла.

Потім у 1888-1890 -Х роках фотоефект досліджував Олександр Григорович Столєтов(1839 – 1896).

Він встановив, що:

найбільшу дію мають ультрафіолетові промені;

зі зростанням світлового потокузростає фотострум;

заряд частинок, що вилітають з твердих і рідких тіл під впливом світла негативний.

Перш ніж сформулювати ці закони, розглянемо сучасну схему спостереження та дослідження фотоефекту. Вона проста. У скляних балон впаяно два електроди (катод і анод), на які подається напруга U. Без світла амперметр показує, що струму в ланцюгу немає.

Коли катод освітлюється світлом навіть за відсутності напруги між катодом і анодом, амперметр показує наявність невеликого струму в ланцюзі – фотоструму. Тобто електрони, що вилетіли з катода, мають деяку кінетичну енергію.
і досягають анода «самостійно».

При збільшенні напруги фотострум зростає.

Залежність величини фотоструму від величини напруги між катодом та анодом називається вольтамперною характеристикою.

Вона має наступний вигляд. При одній і тій інтенсивності монохроматичного світла зі зростанням напруги струм спочатку зростає, але потім його зростання припиняється. Починаючи з деякого значення напруги, що прискорює, фотострум перестає змінюватися, досягаючи свого максимального (при даній інтенсивності світла) значення. Цей фотострум називається струмом насичення.

Щоб «замкнути» фотоелемент, тобто фотострум зменшити до нуля, необхідно подати «замикаючу напругу»
. У цьому випадку електростатичне поле виконує роботу і гальмує фотоелектрони, що вилетіли.

. (1)

Це означає, що жоден з електронів, що вилітають з металу, не досягає анода, якщо потенціал анода нижче потенціалу катода на величину.

Експеримент показав, що за зміни частоти падаючого світла початкова точкаграфіка зсувається по осі напруги. З цього випливає, що величина замикаючої напруги, а, отже, кінетична енергія і максимальна швидкість електронів, що вилітають, залежать від частоти падаючого світла.

Перший закон фотоефекту . Величина максимальної швидкості електронів, що вилітають, залежить від частоти падаючого випромінювання (зростає зі зростанням частоти) і не залежить від його інтенсивності.

Якщо порівняти вольтамперні характеристики, отримані при різних значеннях інтенсивності (на малюнку I 1 і I 2) падаючого монохроматичного (одночастотного) світла, можна помітити наступне.

По-перше, всі вольтамперні характеристики беруть початок в одній і тій же точці, тобто, при будь-якій інтенсивності світла фотострум звертається в нуль при конкретному (для кожного значення частоти) затримує напрузі. Це ще одне підтвердження вірності першого закону фотоефекту.

По-друге. У разі збільшення інтенсивності падаючого світла характер залежності струму від напруги не змінюється, лише збільшується величина струму насичення.

Другий закон фотоефекту . Розмір струму насичення пропорційна величині світлового потоку.

При вивченні фотоефекту було встановлено, що всяке випромінювання викликає фотоефект.

Третій закон фотоефекту . Для кожної речовини існує мінімальна частота (максимальна довжина хвилі), при якій ще можливий фотоефект.

Цю довжину хвилі називають «червоним кордоном фотоефекту» (а частоту – відповідним червоним кордоном фотоефекту).

Через 5 років після появи роботи Макса Планка Альберт Ейнштейн використав ідею дискретності випромінювання світла пояснення закономірностей фотоефекту. Ейнштейн припустив, що світло не тільки випромінюється порціями, а й поширюється і поглинається порціями. Це означає, що дискретність електромагнітних хвиль – це властивість самого випромінювання, а чи не результат взаємодії випромінювання з речовиною. За Ейнштейном, квант випромінювання багато в чому нагадує частинку. Квант або поглинається цілком, або зовсім не поглинається. Ейнштейн представив виліт фотоелектрона як наслідок зіткнення фотона з електроном металу, у якому вся енергія фотона передається електрону. Так Ейнштейн створив квантову теоріюсвітла і, виходячи з неї, написав рівняння для фотоефекту:

.

Тут - постійна Планка, - Частота,
- робота виходу електрона з металу,
- Маса спокою електрона, v - швидкість електрона.

Це рівняння пояснювало всі експериментально встановлені закони фотоефекту.

Так як робота виходу електрона з речовини постійна, то зі зростанням частоти зростає і швидкість електронів.

Кожен фотон вибиває один електрон. Отже, кількість вибитих електронів не може бути більше числафотонів. Коли всі вибиті електрони досягнуть анода, фотострум приростає. Зі зростанням інтенсивності світла зростає і число фотонів, що падають на поверхню речовини. Отже, збільшується кількість електронів, які вибивають ці фотони. При цьому зростає фотострум насичення.

Якщо енергії фотони вистачає лише на здійснення роботи виходу, то швидкість електронів, що вилітає, дорівнюватиме нулю. Це і є червона межа фотоефекту.

Внутрішній фотоефект спостерігається у кристалічних напівпровідниках та діелектриках. Він у тому, що під впливом опромінення збільшується електропровідність цих речовин з допомогою зростання у яких числа вільних носіїв струму (електронів і дірок).