Лабораторная работа № 1

ИЗУЧЕНИЕ ДИСПЕРСИИ СВЕТА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ

ДЛИНЫ ВОЛНЫ С ПОМОЩЬЮ СПЕКТРОСКОПА

1. Цель работы

Изучить явление дисперсии света и эффект спектрального разложения параллельного пучка света стеклянной призмой. Измерить угол наименьшего отклонения лучей призмой для различных длин световых волн и определить по результатам этих измерений показатель преломления.

2. ОБОРУДОВАНИЕ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ

Спектроскоп, ртутная лампа, источник света с неизвестным спектром (лампа дневного света или неоновая лампа).

3. Теоретическая часть

3.1. Дисперсия света

Электромагнитная световая волна, падая из вакуума на вещество, вызывает колебания его атомов и молекул. Атомы и молекулы, приходя в вынужденные колебания, становятся вторичными излучателями электромагнитных волн. Электромагнитная волна, возникающая в результате суперпозиции первичной и вторичной волн и распространяющаяся в той среде, откуда пришла первичная волна, называется отражённой волной. Электромагнитная волна, возникшая в результате суперпозиции первичной и вторичной волн и распространяющаяся в той среде, откуда пришла вторичная волна, называется преломлённой волной. Колебания частиц вещества под действием электромагнитной волны возбуждаются в основном электрической компонентой электромагнитного поля волны.

Электрические свойства вещества, определяющие его поведение под действием световой волны, характеризуются диэлектрической проницаемостью среды.  Для всех веществ в области оптических частот электромагнитных волн магнитная проницаемость среды . Скорость распространения света в среде

, (1.1)

где - скорость распространения света в вакууме, а и соответственно электрическая и магнитная постоянные. Отношение

(1.2)

называется абсолютным показателем преломления света для данной среды. Отношение

, (1.3)

где и - абсолютные показатели преломления сред, в которых распространяется свет, называется относительным показателем преломления второй среды по отношению к первой. Относительный показатель преломления (n ₂₁) больше единицы для всех сред, кроме вакуума, где n₂₁=1. Чем больше значение n для среды, тем более оптически плотной она является. Относительная диэлектрическая проницаемость , а с нею и , оказываются зависимыми от частоты падающего света.

Дисперсией света называется зависимость показателя преломления n вещества от частоты v (или длины волны ) света, т.е.

. (1.4)

Следствием дисперсии является разложение в спектр пучка белого света при прохождении его через призму.

Опытное изучение явления дисперсии света впервые осуществил Ньютон в 1666 г., пропуская «белый» (солнечный) свет через призму. Пучок лучей от линейного источника S направлялся на призму P и после отклонения падал на экран Э (рис. 1.1). На экране при этом наблюдался спектр, т.е. широкая полоса, окрашенная в цвета радуги, от красного до фиолетового цвета.

Если сравнить между собой спектры, получаемые от призм, изготовленных из разных оптически прозрачных материалов, то оказывается, что не только лучи одной и той же частоты отклоняются этими призмами на различный угол, но и ширина участков спектров, соответствующих одинаковому интервалу частот , будет различной. Это означает, что разные материалы обладают различной дисперсией.

С

Рис. 1.1

пектр, наблюдавшийся Ньютоном, представлял собой сплошную радужную полосу. Такой спектр называется сплошным спектром. Сплошной спектр, например, имеет солнечное излучение.

Все химические элементы, находясь в газообразном состоянии, дают спектры не сплошные, а состоящие из ряда дискретных линий. Такие спектры получили название линейчатых, и для разных веществ они отличаются как числом линий, так и частотами. Это обстоятельство дало возможность разработать очень точный и чувствительный метод определения химического состава различных веществ, называемый спектральным анализом.

Рассмотрим дисперсию света в призме. Пусть монохроматический пучок света падает на призму с преломляющим углом  и показателем преломления n (рис. 1.2) под углом ₁. После двукратного преломления (на левой и правой гранях призмы) луч оказывается отклоненным от первоначального направления на угол . В соответствии с законом преломления света:

Рис. 1.2

. (1.5)

Рассмотрим рисунок. Из четырехугольника ACFD, у которого углы C и D – прямые, имеем:  + F = ; а из треугольника CDF – , поэтому , где  – преломляющий угол призмы, тогда

. (1.6)

Предположим, что углы  и ₁ малы, тогда углы ₂, ₁ и ₂ будут также малы и вместо синусов этих углов в (1.5) можно воспользоваться их значениями. Поэтому ₁/₁=n, ₂/₂=1/n, а так как ₁+₂=, то ₂=₂n=n(-₁)=n(-₁/n)=n-₁, откуда

. (1.7)