Физика. Теоретические курсы / Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики / Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. Том 3

Это — по преимуществу желто-зеленая часть спектра, к которой особенно чувствителен глаз и которая сильнее других представлена в солнечном (дневном) свете. Однако если замаскированные с таким расчетом объекты наблюдать не глазом, а фотографировать, то маскировка может утратить свое значение. Действительно, на фотографическую пластинку особенно сильно действует фиолетовое и ультрафиолетовое излучение. Поэтому, если для этой области спектра коэффициенты отражения у объекта и фона заметно отличаются друг от друга, то при наблюдении глазом такой д е ф е к т маскировки останется незамеченным, но он резко даст себя знать на фотографии. Так же отчетливо скажется несовершенство маскировки, если вести наблюдение через светофильтр, практически устраняющий те длины волн, на которые маскировка по преимуществу рассчитана, например через синий фильтр. Несмотря на значительное понижение яркости всей картины при рассматривании через такой фильтр, на ней могут выступать детали, которые были скрыты при наблюдении в белом свете. Соединение фильтра с фотографией может дать особенно сильный эффект. Поэтому при подборе маскирующих цветов надо быть внимательным к определению ρ для довольно широкой области спектра, в том числе для инфракрасной и ультрафиолетовой.

Светофильтрами пользуются иногда, чтобы улучшить правильную передачу освещенности при фотографировании. Ввиду того, что максимумы чувствительности глаза и фотопластинки лежат в разных областях (для глаза — желто-зеленая, для фотопластинки — сине-фиолетовая), зрительное и фотографическое впечатления могут быть довольно различными. Фигура девушки, одетой в желтую блузку и фиолетовую юбку, кажется глазу светлой в верхней своей части и темной в нижней. На фотографической же карточке она может казаться одетой в темную блузку и светлую юбку. Если же перед фотографическим объективом поставить желтый светофильтр, он изменит соотношение освещенностей юбки и блузки в сторону, приближающуюся к зрительному впечатлению. Применяя, сверх того, фотопленку с повышенной по сравнению с обычными чувствительностью к длинным волнам (ортохроматические), мы можем добиться довольно правильной передачи освещенности фигуры.

§ 170. Насыщенность цветов. Кроме обозначения цвета — красный, желтый, синий и т. д., — мы нередко различаем цвет

являются спектральные цвета. В них представлена узкая область длин волн без примеси других цветов. Цвета же тканей и красок, покрывающих предметы, обычно бывают менее насыщенными и в большей или меньшей степени белесоватыми. Причина лежит в том, что коэффициент отражения большинства красящих веществ не равняется нулю ни для одной длины волны. Таким образом, при освещении окрашенной ткани белым светом мы наблюдаем в рассеянном свете по преимуществу одну область цвета (например, красную), но к ней примешивается заметное количество и других длин волн, дающих в совокупности белый свет. Но если такой рассеянный тканью свет с преобладанием одного цвета (например, красного) направить не прямо в глаз, а заставить вторично отразиться от той же ткани, то доля преобладающего цвета значительно усилится по сравнению с остальными и белесоватость уменьшится. Многократное повторение такого процесса (рис. 317) может привести к получению достаточно насыщенного цвета.

Рис. 317. Получение насыщенного цвета при отражении от красной драпировки

Если интенсивность падающего света какой-либо длины волны обозначить через I, а коэффициент отражения для той же длины волны — через ρ, то получим после однократного отражения интенсивность Iρ, после двукратного Iρ2, после трехкратного Iρ3 и т. д. Отсюда видно, что если ρ для какого-то узкого спектрального участка равняется, например, 0,7, а для остальных равняется 0,1, то после

однократного отражения примесь белого цвета составляет 1/7, т. е. около 15 %, после двукратного отражения 1/49, т. е. около 2 %, и после трехкратного 1/343, т. е. меньше 0,3 %. Такой свет можно считать вполне насыщенным.

Описанным явлением объясняется насыщенность цветов бархатных тканей, ниспадающих складками драпировок или реющих знамен. Во всех этих случаях имеются многочисленные углубления (бархат) или складки окрашенной материи. Падая на них, белый свет претерпевает многократное отражение, прежде чем достигнет глаза наблюдателя. При этом, конечно, ткань представляется более темной, чем, например, гладкая натянутая полоса цветного сатина; но н а с ы щ е н н о с т ь цвета увеличивается чрезвычайно сильно, и ткань выигрывает в красоте.

В § 167 мы упоминали, что поверхностный слой любой краски всегда рассеивает белый свет. Это обстоятельство портит насыщенность цветов картины. Поэтому картины, писанные масляными красками, обычно покрывают слоем лака. Заливая все неровности краски, лак создает гладкую зеркальную поверхность картины. Белый свет от этой поверхности не рассеивается во все стороны, а о т р а ж а е т с я по определенному направлению. Конечно, если смотреть на картину с неудачно выбранной позиции, то такой свет будет очень мешать («отсвечивание»). Но если рассматривать картину с других мест, то благодаря лаковому покрытию белый свет от поверхности в этих направлениях не распространяется, и цвета картины выигрывают в насыщенности.

§ 171. Цвет неба и зорь. Изменение спектрального состава света, отраженного или рассеянного поверхностью тел, связано с наличием и з б и р а т е л ь н о г о поглощения и отражения, выражающегося в зависимости коэффициентов α и ρ от длины волны.

В природе играет большую роль еще одно явление, ведущее к изменению спектрального состава солнечного света. Свет, доходящий до наблюдателя от участков безоблачного небесного свода, далеких от Солнца, характеризуется довольно насыщенным голубым или даже синим оттенком. Несомненно, что свет неба есть солнечный свет, р а с с е и в а е м ы й в т о л щ е воздушной атмосферы и поэтому доходящий до наблюдателя со всех сторон, даже по направлениям, далеким от направления на Солнце. Рис. 318 поясняет происхождение рассеянного света неба.

Теоретическое исследование и опыты показали, что такое рассеяние происходит благодаря молекулярному строению воздуха;

даже вполне свободный от пыли воздух рассеивает солнечный свет. Спектр рассеянного воздухом света заметно отличается от спектра прямого солнечного света: в солнечном свете максимум энергии приходится на желто-зеленую часть спектра, а в свете

Рис. 318. Происхождение цвета неба (свет Солнца, рассеянный атмосферой). До поверхности Земли (например, точки A) доходит как прямой свет Солнца, так и свет, рассеянный в толще атмосферы. Цвет этого рассеянного света и называется цветом неба

неба максимум передвинут к голубой части. Причина лежит

втом, что короткие световые волны рассеиваются значительно сильнее длинных. По расчетам английского физика Джона Стретта лорда Рэлея (1842–1919), подтвержденным измерениями, интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны, если рассеивающие частицы малы по сравнению с длиной волны света, следовательно, фиолетовые лучи рассеиваются почти в 9 раз сильнее красных. Поэтому желтоватый свет Солнца при рассеянии превращается

вголубой цвет неба. Так обстоит дело при рассеянии в чистом воздухе (в горах, над океаном). Наличие в воздухе сравнительно крупных частичек пыли (в городах) добавляет к рассеянному голубому свету свет, отраженный частичками пыли, т. е. почти неизмененный свет Солнца. Благодаря этой примеси цвет неба становится в этих условиях более белесоватым.

Преимущественное рассеяние коротких волн приводит к тому, что доходящий до Земли прямой свет Солнца оказывает-

ся более ж е л т ы м, чем при наблюдении с большой высоты. На пути через толщу воздуха свет Солнца частично рассеивается в стороны, причем сильнее рассеиваются короткие волны, так что достигший Земли свет становится относительно богаче излучением длинноволновой части спектра. Это явление особенно

резко сказывается при восходе и закате Солнца (или Луны), когда прямой свет проходит значительно б´ольшую толщу воздуха (рис. 319). Благодаря этому Солнце и Луна на восходе

Рис. 319. Объяснение красного цвета Луны и Солнца на восходе и закате: S1 — светило в зените — короткий путь в атмосфере (AB); S2 — светило на горизонте — длинный путь в атмосфере (CB)

(или закате) имеют медно-желтый, иногда даже красноватый оттенок. В тех случаях, когда в воздухе имеются очень мелкие (значительно меньшие длины волны) частички пыли или капельки влаги (туман), рассеяние, вызываемое ими, также идет по закону, близкому к закону Рэлея, т. е. по преимуществу рассеиваются короткие волны. В этих случаях восходящее и заходящее Солнце может быть совершенно красным. В красный же цвет окрашиваются и плавающие в атмосфере облака. Таково происхождение прекрасных розовых и красных оттенков утренней и вечерней зорь.

Рис. 320. Рассеяние света мутной жидкостью: падающий свет — белый, рассеянный свет — синеватый, проходящий свет — красноватый

Можно наблюдать описанное изменение цвета при рассеянии, если пропустить пучок света от фонаря через сосуд (рис. 320), наполненный мутной жидкостью, т. е. жидкостью, содержащей мелкие взвешенные частицы (например, водой с несколькими каплями молока). Свет, идущий в стороны (рассеянный), заметно синее, чем прямой свет фонаря. Если толща мутной жидкости

довольно значительна, то свет, прошедший сквозь сосуд, теряет при рассеянии столь значительную часть коротковолновых лучей (синих и фиолетовых), что оказывается оранжевым и даже красным.

В 1883 г. произошло сильнейшее извержение вулкана на острове Кракатау, наполовину разрушившее остров и выбросившее в атмосферу огромное количество мельчайшей пыли. На протяжении нескольких лет пыль эта, развеянная воздушными течениями на огромные расстояния, засоряла атмосферу, обусловливая интенсивные красные зори.

Г л а в а XX. СПЕКТРЫ И СПЕКТРАЛЬНЫЕ

ЗАКОНОМЕРНОСТИ

§ 172. Спектральные аппараты. Свечение тел тесно связано с процессами, происходящими в атомах и молекулах. Поэтому исследование свечения явилось важным средством для уяснения строения молекул и атомов.

Существенные различия в характере свечения устанавливаются при изучении спектров светящихся тел. Для получения спектров используется дифракционная решетка или чаще призма. Принцип получения спектра при помощи призмы изложен в § 160. Для того чтобы спектр был возможно более четким, т. е. чтобы различные спектральные области хорошо разделялись между собой, спектральному аппарату придается более сложное, чем указано в § 160, устройство, схематически изображенное на рис. 321.

Рис. 321. Схема устройства спектрографа: S — щель, L1 — объектив коллиматора, P — призма, L2 — объектив камеры, M N — матовое стекло или фотопластинка

Левая часть аппарата — коллиматор SL1 — состоит из узкой щ е л и S, расположенной в г л а в н о й ф о к а л ь н о й плоскости объектива L1; благодаря этому свет, упавший на щель, выходит из коллиматора параллельным пучком и падает на п р и з м у. Из призмы он также выходит параллельным пучком. Но так как лучи разной длины волны (разного цвета)

отклоняются призмой на разные углы (дисперсия), то из призмы выходят параллельные пучки р а з н о г о н а п р а в л е н и я; благодаря этому свет собирается вторым объективом L2 в различных точках его фокальной плоскости M N . В этой плоскости получаются, следовательно, изображения щели S, но так, что изображения, соответствующие разным длинам волн, приходятся на разные места плоскости M N . Расположив в плоскости M N матовое стекло или фотографическую пластинку, мы получим на ней четкое изображение спектра. Если свет, падающий на щель S, представляет собой смесь нескольких монохроматических пучков, то спектр имеет вид отдельных изображений щели в разных длинах волн, т. е. имеет вид отдельных у з к и х л и- н и й, разделенных темными промежутками. Если на щель падает б е л ы й свет, то все отдельные изображения щели сливаются в цветную полосу.

Аппараты, в которых спектр изображается на фотопластинке, носят название спектрографов. Иногда вместо камеры L2M N помещают зрительную трубу и наблюдают спектр глазом. В этих случаях спектральный аппарат принято называть спектроскопом. Призма изготовляется из стекла, обладающего значительной дисперсией, либо из кварца, флюорита или каменной соли, если спектрограф предназначен для работы в ультрафиолетовой или инфракрасной частях спектра. Из соответствующих материалов делают и объективы.

§ 173. Типы спектров испускания. Направив на щель спектрографа свет от солнца, лампы накаливания, свечи и т. д., мы получим спектры, имеющие вид с п л о ш н о й п о л о с к и, в которой представлены все длины волн, идущие непрерывной чередой. Такие спектры называются сплошными или непрерывными.

на спектрограф свет газоразрядной лампы, в которой светится пар ртути. Наблюдаемый спектр имеет вид, изображенный на рис. 322. Он состоит из отдельных р е з к и х л и н и й, представляющих собой изображение щели спектрографа в отдельных длинах волн. Каждая линия представляет по существу узкий спектральный интервал, охватывающий некоторый набор длин волн; но интервал этот так узок, что его можно практически считать соответствующим одной определенной длине волны. Приведенный на рис. 322 в качестве примера спектр ртути характерен для свечения газов или паров. Такие спектры принято называть линейчатыми. Разнообразные пары или газы могут давать

410 Гл. XX. Спектры и спектральные закономерности

спектры, отличающиеся положением спектральных линий (т. е. их длиной волны), а также числом их и распределением по спектру. Спектр пара ртути сравнительно беден линиями; наоборот, в спектре пара железа, например, насчитывается несколько тысяч отдельных спектральных линий (рис. 323), распределенных по видимой и ультрафиолетовой областям спектра.

При изучении спектров паров или газов наблюдаются также спектры, состоящие из отдельных п о л о с, разделенных темными промежутками. Некоторые из этих полос при более тщательном исследовании оказываются состоящими из очень большого числа отдельных линий, другие же представляют собой

Рис. 324. Спектр пара иода

действительно сплошные полоски. Такого типа спектры принято называть полосатыми. Рис. 324 дает пример такого спектра, наблюдаемого при свечении пара иода.

§ 174. Происхождение спектров различных типов. Исследование показало, что тип спектра определяется х а р а к т е р о м светящегося объекта.

Сплошные спектры получаются в результате свечения твердых или жидких тел. В пламени свечи светятся раскаленные частицы угля, в электрической лампочке — накаленная металлическая нить. Такие же спектры дают и расплавленные металлы, а также светящиеся газы или пары, если они обладают значительной плотностью, т. е. находятся под очень высоким давлением. В частности, сплошной спектр Солнца представляет собой, по-видимому, свечение паров высокой плотности.

Линейчатые и полосатые с п е к т р ы характерны для свечения газов или паров малой плотности. Линейчатые спектры испускаются светящимися а т о м а м и. Многие газы состоят из отдельных атомов, например пары металлов и так называемые инертные газы — гелий, неон, аргон и др. Газы, состоящие из молекул, например водород, кислород, пар иода и др., м о- г у т при возбуждении распадаться на атомы (диссоциировать). Такие атомарные газы дают линейчатые спектры. Но можно вызвать свечение и ц е л ы х м о л е к у л, не разбивая их на атомы. В таком случае испускаются п о л о с а т ы е с п е к т р ы. При возбуждении таких многоатомных газов или паров нередко