9 Дисперсия

Луч белого  света, проходя через трехгранную призму не только отклоняется, но и разлагается на составляющие цветные лучи. Это явление установил Исаак Ньютон, проведя серию опытов. Опыты  Ньютона Опыт по разложению белого света в спектр: или Ньютон направил луч  солнечного света через маленькое отверстие  на стеклянную призму.  Попадая на призму, луч преломлялся и давал на противоположной стене удлиненное изображение с радужным  чередованием цветов – спектр. Опыт по прохождению монохроматического света через призму: Ньютон  на пути солнечного луча поставил красное стекло, за которым получил монохроматический свет (красный), далее призму и наблюдал на экране  только красное пятно  от луча света. Опыт по синтезу (получению) белого света:    Сначала Ньютон направил солнечный луч на призму. Затем, собрав вышедшие из призмы цветные лучи с помощью собирающей линзы, Ньютон на белой стене получил вместо окрашенной полосы белое изображение отверстия. Выводы Ньютона:  - призма  не меняет свет, а только разлагает его на составляющие - световые лучи, отличающиеся по цвету,  отличаются по степени преломляемости; наиболее сильно  преломляются фиолетовые лучи, менее сильно – красные - красный свет, который  меньше преломляется, имеет наибольшую скорость, а фиолетовый  - наименьшую, поэтому призма и разлагает свет. Зависимость показателя преломления света от его цвета называется дисперсией. Запомни фразу, начальные буквы слов которой дают последовательность цветов спектра: "Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан". Спектр белого света: Выводы: - призма разлагает свет - белый свет является сложным (составным) - фиолетовые лучи преломляются сильнее красных. Цвет луча света определяется  его частотой колебаний.  При переходе из одной среды в другую изменяются скорость света и длина волны, а частота, определяющая  цвет остается постоянной. Границы диапазонов белого света и его составляющих принято характеризовать  их длинами волн в вакууме. Белый свет – это совокупность волн длинами от 380 до 760 нм. Где можно наблюдать явление дисперсии? - при прохождении света через призму - преломление света в водяных каплях, например, на траве или в атмосфере при образовании радуги - вокруг фонарей в тумане. Как объяснить цвет  любого предмета? - белая бумага отражает все падающие на нее лучи различных цветов - красный предмет отражает только лучи красного цвета, а лучи остальных цветов поглощает -  Глаз воспринимает отраженные от предмета лучи определенной длины волны и таким образом воспринимает цвет предмета.

Физики шутят

Гансу Ландольту принадлежит шутка: «Физики работают хорошими методами с плохими веществами, химики – плохими методами с хорошими веществами, а физхимики – плохими методами и с плохими веществами». ___ Энрико Ферми был членом Итальянской академии наук. Заседания ее проходили во дворце и обставлялись всегда чрезвычайно пышно. Опаздывая на одно из заседаний, Ферми подъехал ко дворцу на своем маленьком «фиате». Выглядел он совсем не по-профессорски, имел довольно затрапезный вид, был без положенной мантии и треуголки. Ферми решил все же попытаться проникнуть во дворец. Преградившим ему путь карабинерам он отрекомендовался как «шофер Его Превосходительства профессора Ферми». Все обошлось благополучно.  ___ Американский физик Роберт Милликен (1868...1953) был известен своей словоохотливостью. Подшучивая над ним, его сотрудники предложили ввести новую единицу – «кен» для измерения разговорчивости. Ее тысячная часть, то есть милликен, должна была превышать разговорчивость среднего человека.

10 Поглощением (абсорбцией) света называется явление уменьшения энергии

световой волны при ее распространении в веществе вследствие преобразования энер-

гии волны в другие виды энергии. В результате поглощения интенсивность света при

прохождении через вещество уменьшается.

При прохождении электромагнитной волны через вещество часть энергии волны

затрачивается на возбуждение колебаний электронов. Частично эта энергия вновь воз-

вращается излучению в виде вторичных волн, возбуждаемых электронами; частично же

она переходит в другие виды энергии (например, в энергию движения атомов, т. е. во

внутреннюю энергию вещества). Таким образом, интенсивность света при прохожде-

нии через вещество уменьшается - свет поглощается в веществе. Вынужденные колеба-

ния электронов, а, следовательно, и поглощение света, становятся особенно интенсив-

ными при резонансной частоте (см. изображенную пунктиром кривую поглощения на

рис.35.4).

Опыт показывает, что изменение интенсивности света на пути dl пропорцио-

нально величине этого пути и величине самой интенсивности:

dI = -æIdl. (35.13)

В этом выражении æ - постоянная, зависящая от свойств поглощающего вещест-

ва и называемая коэффициентом поглощения. Знак минус поставлен потому, что dI и dl

имеют разные знаки.

Пусть на входе в поглощающий слой (на границе или в каком-то месте внутри

вещества) интенсивность света равна Io. Найдем интенсивность I света, прошедшего

слой вещества толщины l. Для этого проинтегрируем выражение (35.13), предваритель-

но разделив переменные:

= ∫

I

Io

I

dI

-æ∫

A

A

0

d .

В результате получим: lnI - lnIo = - æl, откуда

I = Ioe

-æl. (35.14) 8

Соотношение (35.14) носит название закона Бугера. Согласно этому закону

интенсивность света убывает в поглощающем веществе экспоненциально. При l = 1/æ

интенсивность I оказывается в е раз меньше, чем Io. Таким образом, коэффициент по-

глощения есть величина, обратная толщине слоя, при прохождении которого интенсив-

ность света убывает в е раз.

Коэффициент поглощения зависит от длины волны света λ (или частоты ω). У

вещества, находящегося в таком состоянии, что атомы или молекулы практически не

воздействуют друг на друга (газы и пары металлов при невысоком давлении), коэффи-

циент поглощения для большинства длин волн близок к нулю и лишь для очень узких

спектральных областей (шириной в несколько сотых ангстрема) обнаруживает резкие

максимумы, (рис.35.5).

Рис.35.5. Линейчатый спектр поглощения .

Эти максимумы соответствуют резонансным часто-

там колебаний электронов внутри атомов. На рис. 35.6 представлены типичная зависи-

мость коэффициента поглощения æ от длины волны света λ и зависимость показателя

преломления n от λ в области полосы поглощения. Из рисунка следует, что внутри по-

лосы поглощения наблюдается аномальная дисперсия (n убывает с уменьшением λ).

Рис.35.6. Поведение показателя преломления вещества

вблизи полосы поглощения.

Однако поглощение вещества должно быть значитель-

ным, чтобы повлиять на ход показателя преломления.

В случае многоатомных молекул обнаруживаются также частоты, соответст-

вующие колебаниям атомов внутри молекул. Так как массы атомов в десятки тысяч раз

больше массы электрона, молекулярные частоты бывают намного меньше атомных -

они попадают в инфракрасную область спектра. В частности кристаллы кремния явля-

ются прозрачными в области инфракрасного света. 9

Твердые тела, жидкости и газы при высоких давлениях дают широкие полосы

поглощения (рис.35.7).

Рис.35.7. Спектр поглощения конденсированной среды.

По мере повышения давления газов максимумы по-

глощения, первоначально очень узкие (см. рис. 35.5), все более расширяются, и при вы-

соких давлениях спектр поглощения газов приближается к спектрам поглощения жид-

костей. Этот факт указывает на то, что расширение полос поглощения есть результат

взаимодействия атомов друг с другом.

Металлы практически непрозрачны для света (æ для них составляет величину

порядка десятков тысяч обратных сантиметров; для сравнения укажем, что для стекла

æ ~ 10 -2 см

--1). Это обусловлено наличием в металлах свободных электронов. Под

действием электрического поля световой волны свободные электроны приходят в дви-

жение - в металле возникают быстропеременные токи, сопровождающиеся выделением

ленц-джоулева тепла. В результате энергия световой волны быстро уменьшается, пре-

вращаясь во внутреннюю энергию металла.

Зависимостью коэффициента поглощения от длины волны объясняется окра-

шенность поглощающих тел. Например, стекло, слабо поглощающее красные и оран-

жевые лучи и сильно поглощающее зеленые и синие, при освещении белым светом бу-

дет казаться красным. Если на такое стекло направить зеленый и синий свет, то из-за

сильного поглощения света этих длин волн стекло будет казаться черным. Это явление

используется для изготовления светофильтров, которые в зависимости от химического

состава (стекла с присадками различных солей, пленки из пластмасс, содержащие кра-

сители, растворы красителей и т. д.) пропускают свет только определенных длин волн,

поглощая остальные. Разнообразие пределов селективного (избирательного) поглоще-

ния у различных веществ объясняет разнообразие и богатство цветов и красок, наблю-

дающееся в окружающем мире. 10

Явление поглощения широко используется в абсорбционном спектральном

анализе смеси газов, основанном на измерениях спектров частот и интенсивностей ли-

ний (полос) поглощения. Структура спектров поглощения определяется составом и

строением молекул, поэтому изучение спектров поглощения является одним из основ-

ных методов количественного и качественного исследования веществ. 11

Лекция 15. Рассеяние света

С классической точки зрения процесс рассеяния света заключается в том, что

свет, проходящий через вещество, возбуждает колебания электронов в атомах. Колеб-

лющиеся электроны становятся источниками вторичных волн, распространяющихся по

всем направлениям. Это явление, казалось бы, должно при всех условиях приводить к

рассеянию света. Однако вторичные волны являются когерентными, так что необходи-

мо учесть их взаимную интерференцию.

Соответствующий расчет показывает, что в случае однородной среды вторичные

волны полностью гасят друг друга во всех направлениях, кроме направления распро-

странения первичной волны. Поэтому перераспределение света по направлениям, т. е.

рассеяние света, отсутствует. В направлении первичного луча вторичные волны, ин-

терферируя с первичной проходящей волной, образуют результирующую волну с фазо-

вой скоростью, отличной от с. Этим, как мы видели в предыдущих параграфах, объяс-

няются преломление и дисперсия света.

Таким образом, рассеяние света возникает только в неоднородной среде. Свето-

вые волны, дифрагируя на неоднородностях среды, дают дифракционную картину, ха-

рактеризующуюся довольно равномерным распределением интенсивности по всем на-

правлениям. Такую дифракцию на мелких неоднородностях называют рассеянием

света.

Среды с явно выраженной оптической неоднородностью носят название мутных

сред. К их числу принадлежат:

1) дымы, т. е. взвеси мельчайших частиц в газах;

2) туманы — взвеси в газах мельчайших капелек жидкости;

3) взвеси или суспензии, образованные плавающими в жидкости твердыми час-

тичками; 12

4) эмульсии, т. е. взвеси мельчайших капелек одной жидкости в другой, не

растворяющей первую (примером эмульсии может служить молоко, пред-

ставляющее собой взвесь капелек жира в воде);

5) твердые тела вроде перламутра, опалов, молочных стекол и т. д.

В результате рассеяния света в боковых направлениях интенсивность в направ-

лении распространения убывает быстрее, чем в случае одного лишь поглощения.

Если размеры неоднородностей малы по сравнению с длиной световой волны

(не более ~ 0,1λ), интенсивность рассеянного света I оказывается пропорциональной

четвертой степени частоты или обратно пропорциональной четвертой степени длины

волны:

I~ω4

~ . 1

4λ

Эта зависимость носит название закона Рэлея.

Рассеяние света наблюдается также в чистых средах, не содержащих каких-либо

частиц примесей (например, в чистых газах и жидкостях, истинных растворах). Оно на-

зывается молекулярным рассеянием света и обусловлено, как впервые предположил

в 1908т. М. Смолуховский, флуктуациями плотности, возникающими в процессе хаоти-

ческого теплового движения молекул среды. Дополнительными причинами возникно-

вения оптической неоднородности в чистых средах с анизотропными (полярными) мо-

лекулами являются флуктуации ориентации молекул (флуктуации анизотропии), а в ис-

тинных растворах, кроме того, — флуктуации концентрации. А. Эйнштейн, основыва-

ясь на идее М. Смолуховского, создал в 1910 г. теорию молекулярного рассеяния света.

Как показывают расчеты, размеры участков среды, соответствующих более или менее

значительным флуктуациям, при обычных условиях значительно меньше длин волн

видимого света. Поэтому теория Эйнштейна привела к тем же результатам в отноше-

нии зависимости интенсивности рассеянного света от λ, а также характера поляризации

рассеянного света, что и теория Рэлея.

Молекулярным рассеянием в атмосфере коротковолновой части видимого сол-

нечного света объясняется голубой цвет неба. По тем же причинам при восходе и зака-

те прямой солнечный свет, прошедший сквозь значительную толщу атмосферы, должен 13

быть красно-оранжевым. Флуктуации плотности и интенсивность рассеяния света

возрастают с увеличением температуры. Этим объясняется более насыщенный цвет не-

ба в ясный летний день по сравнению с таким же зимним днем.

11 Тепловым излучением называется электромагнитное излучение, испускаемое телами за счет их внутренней энергии.

В этом случае энергия внутренних хаотических тепловых движений частиц непрерывно переходит в энергию испускаемого электромагнитного излучения.

В обычных условиях, при комнатной температуре (Т=300 К), тепловое излучение тел происходит в инфракрасном диапазоне длин волн ( 10 мкм), недоступным зрительному восприятию глаза. С увеличением температуры светимость тел быстро возрастает, а длины волн смещаются в более коротковолновую область. Если температура достигает тысяч градусов, то тела начинают излучать в видимом диапазоне длин волн (=0.40.8 мкм).

Нагретое тело за счет теплового излучения отдает внутреннюю энергию и охлаждается до температуры окружающих тел. В свою очередь, поглощая излучение, могут нагреваться холодные тела. Такие процессы, которые могут происходить и в вакууме, называют радиационным теплообменом.

Если излучающее тело окружить оболочкой с идеально отражающей поверхностью, то через некоторое время эта система придет в состояние теплового равновесия.

Равновесным тепловым излучением называют излучение, при котором расход энергии тела на излучение компенсируется энергией поглощенного им излучения для каждой длины волны.

Из всех видов излучения только тепловое излучение может находиться в равновесии с излучающими телами.

Следует отметить, что равновесное тепловое излучение не зависит от природы тел, а зависит только от его температуры.