Питання 19: Геометрична оптика як граничний випадок хвильової оптики. Закони відбивання і заломлення світла. Дзеркала і лінзи.

Хвильова оптика розглядає світло як процес поши­рення електромагнітних (світлових) хвиль у просторі. Всі задачі оптики можна розв'язати на основі хвильових уявлень. Однак це вимагає застосування громіздкого

математичного апарата. Ще задовго до з'ясування хвильо­вої природи світла вчені користувалися геометричними методами розв'язування задач на побудову зображень у дзеркалах і лінзах, а також під час розрахунку оптичних приладів. Ці методи становлять зміст геометричної оптики (яку ще називають променевою), в якій явища поширен­ня світла і принципи дії оптичних приладів вивчають на основі уявлень про світлові промені.

Основними поняттями геометричної оптики є промінь і пучок. У ній розглядаються: падіння, відбивання і заломлення променів; розбіжні, збіжні і паралельні пучки променів; хід променів у призмі, лінзі, мікроскопі, телескопі тощо.

Чи означає це, що через лінзи і призми проходять не світлові хвилі, а промені, що від дзеркал відбиваються не хвилі, а промені? Що являють собою світлові промені? Яка їх фізична суть?

Світлові промені — це лінії, вздовж яких поширює­ться світлова хвиля. Зміст понять промінь і пучок стає зрозумілим з такого досліду.

Закриємо вікно картоном з кількома невеликими отво­рами і напустимо в кімнату трохи диму. Ми побачимо, що через отвори в картоні проривається сонячне світло у ви­гляді вузьких циліндричних пучків. Конічні пучки вини­кають, якщо помістити маленьку лампочку в непрозорий ящик з отворами. Циліндричні або конічні пучки, всере­дині яких поширюється світло, називають світловими пучками. Лінії, які вказують напрям поширення світла (у тому числі твірні і осі світлових пучків), називаюсь світловими променями.

Геометрична оптика грунтується на трьох законах: прямолінійного поширення світла (в однорідному середо­вищі), відбивання і заломлення світла. Ці закони можна дістати з хвильової теорії як граничний випадок, коли розміри перешкод — на шляху світла набагато більші, ніж довжина світлової хвилі. Таким чином, використан­ня поняття світлового променя зовсім не обов'язкове для розуміння того, що відбувається під час поширення світла. Воно просто полегшує розгляд.

Питання 20: Спектри випромінювання і поглинання. Спектрометри. Спектральний аналіз

Нагадаємо, що для того, щоб обчислити частоту, знаючи довжину хвилі, треба розділити швидкість поширення хвилі на цю довжину. Так що чим більше частота випромінювання, тим коротше його довжина хвилі. Тепер ми також знаємо, що енергія електромагнітного випромінювання прямо пропорційна його частоті, т. Е. Обернено пропорційна довжині його хвилі. Випромінювання, довжина хвилі якого лежить на ділянці від 380 до 780 нм, сприймається людським оком і називається видимою частиною випромінювання або просто видимим світлом. Від довжини хвилі видимого світла залежить його колір. Випромінювання, в якому всі частини спектру представлені в рівному співвідношенні, сприймається як білий світ. Таким, наприклад, є сонячне випромінювання [10]. Вперше на те, що сонячне світло можна розкласти на складові його різному забарвлені промені, звернув увагу Ньютон. Зрозуміло, і до нього люди спостерігали на небі веселку, яка чомусь з’являлася зазвичай після дощу, милувалися грою світла в дорогоцінних каменях і т. Д., Але причину цього явища ніхто пояснити не міг. Вирішальне відкриття було зроблено Ньютоном наступним чином. Світло від Сонця або від ліхтаря пропускають через вузьку щілину, а потім за допомогою лінзи фокусують на білому екрані, де утворюється короткий білий прямокутник. Якщо на шляху променя світла помістити скляну призму, то цей прямокутник зміститься і перетвориться на пофарбовану смужку, де поступові переходи кольорів від червоного до фіолетового збігаються з тими, які можна спостерігати у веселці (рис. 109). Ньютон знав, що, проходячи через призму, промені світла відчувають заломлення, т. Е. Змінюють кут напрямку свого руху. Тепер виявилося, що промені різного кольору змінюють цей кут по-різному. На підставі цього спостереження Ньютон зробив висновок, що промені різного кольору переломлюються призмою неоднаково.

Виявлене їм райдужне зображення він назвав спектром (від лат. Spektrum – бачення), а саме явище розкладання світла на різні колірні складові – дисперсією. Таким чином, виявилося, що білий світ являє собою суміш різних кольорів. Експерименти і висновки Ньютона спростували поширену до цього часу думка про те, що колір є властивістю забарвлених предметів, т. Е. Колір набуває забарвлення при зіткненні з кольоровими поверхнями. Але якщо це так, то від чого залежить колір всіх предметів, які знаходяться навколо нас і забарвлення яких є їх природною властивістю? Візьмемо який-небудь прозорий забарвлений предмет, наприклад кольорове скло або пластик. Покладемо його на стіл і подивимося на нього в падаючому зверху світлі. Припустимо, що його колір буде синім. Це означає, що ті промені, які він від себе відображає і які після цього потрапляють в наше око, будуть синіми, т. Е. В очі потрапляє випромінювання, що має таку довжину хвилі, яка сприймається людиною як синій колір. Тепер подивимося через цей прозорий предмет на світло. Ми переконаємося, що все, що ми бачимо, стане теж синім. А це означає, що наше скло пропускає через себе тільки синє випромінювання. Можна виконати спостереження з прозорими предметами будь-якого кольору і переконатися в тому, що у всіх випадках вони будуть відображати і пропускати одне і те ж випромінювання. Це означає, що предмет даного кольору вибирає для віддзеркалення і пропускання тільки невелику частину з усього спектра білого світла. Що відбувається з іншою частиною спектра? Вона поглинається пофарбованим предметом.

Спектра́льний ана́ліз — сукупність методів визначення складу (наприклад, хімічного) об'єкта, заснований на вивченні спектрів взаємодії речовини з випромінюванням: спектри електромагнітного випромінювання, радіації, акустичних хвиль, розподілу за масою та енергією елементарних частинок та інше. Спектральний аналіз ґрунтується на явищі дисперсії світла. Традиційно розмежовують:

• атомарний та молекулярний спектральний аналіз,

• «емісійний» — за спектром випромінення та «абсорбційний» — за спектром поглинання,

• «мас-спектрометричний» — за спектром мас атомарних чи молекулярнихіонів.