Fizika - V. F. Dmitriyeva

§ 207. Спектри Сонця і зір

Залежно від температури атмосфери Сонця і зір їх розрізняють за кольором: найгарячіші зорі мають температуру порядку 100 000 К, голубі - порядку 30 000 К, жовті - порядку 6000 К, найхолодніші, червоні, - порядку 3000 К. Спектри зір відрізняються інтенсивністю і кількістю ліній різних хімічних елементів і сполук. У спектрах дуже гарячих зір виділяються яскраві лінії випромінювання гелію й азоту, а в спектрах найхолодніших - сильні смуги поглинання різних молекулярних сполук.

В атмосферах усіх зір переважають водень і гелій.

Джерелом енергії, яку дістають зорі і Сонце, є ядерні реакції перетворення водню в гелій у їх надрах при температурі порядку 10 000 000 К.

Розглядаючи за допомогою спектроскопа спектр Сонця, можна помітити, що його суцільний спектр перерізаний численними темними лініями, розміщеними в різних частинах спектра (див. рис. 21.28, г), Перший описав ці темні лінії німецький учений Й. Фраунгофер, тому ці лінії називають фраунгоферовими. Пояснив фраунгоферові лінії у спектрі Сонця Г. Кірхгоф. Якщо атоми поглинають саме ті хвилі, які вони можуть випускати, то кожна речовина, що є в сонячній або земній атмосфері, сама поглинає характерні для неї промені. Тому й утворюються темні лінії на фоні суцільного сонячного спектра. Встановивши положення темних ліній у спектрі, можна визначити, через які речовини проходили сонячні промені в атмосфері Сонця.

Так було встановлено, що в сонячній атмосфері є водень, натрій, кальцій, залізо та інші речовини, які є й на Землі. Цікаво зазначити, що в спектрі Сонця, крім відомих елементів, було знайдено елемент, якого на Землі ще не знали. Його назвали гелієм (від грец. "геліос"- Сонце). Тільки через 26 років гелій було знайдено і на Землі.

§ 208. Поняття про спектральний аналіз

Поняття про спектральний аналіз

Дослідження спектрів випромінювання і спектрів поглинання дає можливість установити якісний склад речовини. Кількісний вміст певного елемента в сполуці визначають, вимірюючи яскравість його спектральних ліній. Метод дослідження, який дає можливість за спектром випромінювання і поглинання робити висновок про хімічний склад речовини, називають спектральним аналізом.

У § 204 йшлося про те, що світні гази і пара дають лінійчасті спектри, при цьому кожний газ або пара має характерний спектр. Якщо в досліджуваній речовині є в певному місці спектра жовта лінія, то можна твер-

500

дити, що до складу речовини входить натрій. Знаючи довжини хвиль, які випромінюють різні гази і пара, за спектром можна встановити наявність гих чи інших елементів у досліджуваній речовині. Якщо в спектрі є одна або кілька ліній, які не відповідають лініям жодного з відомих нам елементів, то можна стверджувати, що виявлено новий елемент.

Метод спектрального аналізу дуже чутливий. За його допомогою можна виявити наявність елемента, який нас цікавить, навіть тоді, коли кількість його не перевищує Ю~10 г. Ці кількості такі малі, що їх не можна виявити хімічними методами.

Застосування спектрального аналізу

Спектральний аналіз відіграв велику роль у науці. Зовсім незамінний він в астрономії, де є єдиним джерелом усіх наших відомостей про хімічний склад небесних тіл. За його допомогою було вивчено склад Сонця, зір і туманностей, відкрито 25 елементів таблиці Менделєєва. Тепер спектральний аналіз широко застосовують у геології, металургії, хімії та інших галузях науки і техніки.

§ 209. Рентгенівське випромінювання. Його природа і властивості

Рентгенівське випромінювання

У 1895 р. В. Рентген, спостерігаючи процеси в газорозрядних ірубках, відкрив загадкове випромінювання, яке тепер називають рентгенівським. Його було виявлено завдяки здатності цього випромінювання спричинювати світіння флуоресціюючих речовин. Це випромінювання спричинювало зеленувате світіння скла газорозрядної трубки в тому місці, де на нього падав потік швидких електронів з катода. Рентгенівське випромінювання здатне проникати крізь тіла, непрозорі для звичайного світла, наприклад чорний папір, картон, тонкі шари металу. Від нього чорніє фотографічна і їластинка, а електроскоп втрачає заряд внаслідок іонізації повітря.

Виникло припущення, що рентгенівське випромінювання - це електромагнітні хвилі, які випромінюються при різкому гальмуванні електронів. Підтвердженням цього припущення могло б бути явище диф-

501

ракції, властиве всім видам хвиль. Проте спроба дістати дифракційну картину на вузьких щілинах за допомогою рентгенівського випромінювання зазнала невдачі. Тільки через 15 років М. Лауе для спостереження дифракції рентгенівського випромінювання запропонував використати кристали. Кристали - це впорядкована структура, яка характеризується міжплощинними відстанями (відстанями між вузлами кристалічних ґрат) порядку кількох нанометрів і є природними просторовими дифракційними ґратами. Досліди, виконані М. Лауе та іншими фізиками, показали, що рентгенівське випромінювання - це електромагнітні хвилі, довжини яких порядку розміру атома, тобто від 8-Ю"8 до 1-Ю42 м. Зрозуміло, що виявити дифракцію рентгенівського випромінювання на плоских вузьких щілинах не можна, бо дістати щілину такого розміру практично неможливо.

Рентгенівська трубка

Рентгенівське випромінювання добувають у спеціальних приладах, які називають рентгенівськими трубками (рис. 21.30). Рентгенівська трубка - це скляний балон, тиск у якому порядку 0,1 мПа. Джерелом електронів є катод, виготовлений з вольфраму у вигляді спіралі. Потік електронів, який випромінює розжарений катод під час термоелектронної емісії, прискорюється в потужному електричному полі, створеному джерелом високої напруги. Прискорений потік електронів падає на масивний анод, скошений під кугом порядку 45°. Така геометрія анода дає можливість керувати напрямом поширення променів. Електрони в полі набувають кінетичної енергії Ек = ту2 /2 = е£/.

Потрапивши на анод, електрони гальмуються, рухаючись у речовині анода.

Внаслідок гальмування швидких електронів виникає гальмівне рентгенівське випромінювання.

502

Закон Мозлі

При досить великій, швидкості електронів, крім суцільного, виникає характеристичне рентгенівське випромінювання, яке має лінійчастий спектр. Це випромінювання назвали так тому, що частоти ліній його спектра характеризують речовину анода. Характеристичне випромінювання виникає, коли енергія електронів, які бомбардують, стає достатньою для виривання електрона з однієї з близьких до ядра оболонок атома. На місце, яке звільнилось, переходить електрон з більш віддаленої від ядра оболонки. Цей перехід супроводиться випромінюванням кванта рентгенівського випромінювання, частота якого визначається зарядом ядра 7л і номерами оболонок, між якими здійснюється, перехід. Дослідження рентгенівських, спектрів показують, які стаціонарні стани займають електрони в атомі різних речовин.

Характеристичні рентгенівські спектри різних елементів мають однотипну структуру. Г. Мозлі встановив:

частоти характеристичних спектрів зростають із збільшенням порядкового номера елемента, тобто квадратний корінь з частоти хара* ктеристичного рентгенівського випромінювання € лінійною функцією від порядкового номера елемента.

Дані результатів дослідження Мозлі підтвердили, що елементи в таблиці Менделєєва розміщені в порядку зростання порядкового номера, тобто заряду ядра, який може збільшуватися тільки на одиницю,

Застосування, рентгенівського випрошнювашш

У науці і техніці широко застосовують такі властивості рентгенівського випромінювання, як його велика здатність, дія на. фотопластинки, здатність іонізувати речовину, крізь яку вони проходять.

Так, рентгенівська дефектоскопія - спосіб визначення наявності, місцезнаходження і розмірів внутрішніх дефектів у матеріалах і виробах - ірунтується на відмінності ослаблення рентгенівського випромінювання під час його проходження крізь ділянки виробів різної густини і. протяжності. У рентгенівській дефектоскопії найбільше поширений фотографічний метод з утворенням зображення на рентгенівській плівці.

За допомогою рентгеноструктурного аналізу досліджують атомну структуру речовини, вивчаючи картини дифракції і розсіювання рентгенівського випромінювання речовиною.

Властивість рентгенівського випромінювання по-різному поглинатись різними елементами, здатність спричинювати світіння екранів, які люмінесціюють, лягли в основу його широкого застосування в медицині для

503

просвічування різних органів хворих з метою діагностики, лікування злоякісних пухлин, виявлення різних включень, наприклад осколків у тілі людини. Фізіологічну дію рентгенівського випромінювання вперше дослідив російський академік О. М. Бехтерєв.

Короткі висновки

•X. Гюйгенс запропонував хвильову теорію світла, за якою світло - це потік хвиль, подібно до звукових хвиль у повітрі або хвиль на поверхні води. На основі хвильової теорії були пояснені такі явища, як відбивання і заломлення світла, інтерференція і дифракція хвиль, які з корпускулярної точки зору пояснити не можна.

•Закони відбивання світла:

1)падаючий і відбитий промені та нормаль до межі поділу лежать в одній площині;

2)кут падіння дорівнює куту відбивання.

•Закони заломлення світла:

1)падаючий і заломлений промені та нормаль до межі поділу лежать в одній площині;

1)відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення дорівнює відношенню швидкостей поширення світла в цих середовищах:

®Якщо світло проходить з оптично більш густого середовища в менш

По •

густе, то оуде повне відтавання; вт аг о = —.

Я,

•Стійка картина інтерференції світла має місце при накладанні когерентних хвиль однієї на одну, Хвилі підсилюють (5-- кХ) або ослаблюють

одна одну залежно від різниш ходу між ними. Найбільш поширеним прикладом інтерференції світла є інтерференція

втонких плівках. Когерентні хвилі утворюються в процесі відбивання світлових хвиль від двох поверхонь плівки. Оскільки різниця ходу променів, які інтерферують, залежить від товщини плівки, показника заломлення матеріалу» кута падіння променів і довжини хвилі падаючого світла, то при освітленні плівки білим світлом утворюється кольорова картина інтерференції,

•Світло - це електромагнітні хвилі, і для нього за певних умов властиве явище дифракції. Це явище пояснюють за допомогою принципу Гюйгенса - Френеля. За цим принципом, фіктивні джерела когерентні і хвилі, які вони випускають, можуть інтерферувати в будь-якій точці простору. Щоб визначити результати дифракції в деякій точці простору, Френель запропонував поділяти хвильову поверхню на окремі ділянки (зони), Користуючись методом зон Френеля, можна визначити дифракційні картини від щілини і дифракційних ґрат.

504

Кут, який визначає напрям на головний дифракційний максимум спекіра, утвореного за допомогою ґрат, знаходять із співвідношення сі зіп ср = кХ . Дифракційні трати розкладають біле світло в спектр за довжинами хвиль. За її допомогою можна вимірювати довжини світлових хвиль. Голографія - особливий метод реєстрації на фотопластинці хвильового фронту випромінювання, що йде від предмета, і потім відновлення цього фронту для утворення зображення предмета. Голографію застосовують для записування і зберігання великого інформаційного матеріалу, в кіно, телебаченні і т. д. Вона є одним з перспективних методів сучасної фізики.

Поперечність світлових хвиль було доведено експериментально в процесі спостереження проходження світла через анізотропні середовища - кристали.

Дія світла на речовину визначається в основному вектором напруженості Е електричного поля.

Якщо вектор Е коливається в різних напрямах, у площині, перпендикулярній до напряму поширення хвилі, то світло називають природним. Якщо коливання відбуваються тільки в одному напрямі, то світло називають поляризованим. Поляризоване світло можна поляризувати під час заломлення і відбивання від меж поділу двох діелектриків. Світло може поляризуватись також у процесі проходження через анізотропне середовище.

Явище поляризації доводить поперечний характер світлових хвиль. Поперечність світлових хвиль підтверджується і електромагнітною теорією світла.

Залежність показника заломлення речовини від довжини хвилі називають дисперсією світла. Результатом дисперсії є розклад призмою білого світла в спектр. Дисперсія характерна для всіх середовищ, крім вакууму.

Дисперсію називають нормальною, якщо показник заломлення зростає із зменшенням довжини хвилі.

Вид спектрів випускання залежить від хімічної природи і стану тіла. Спектр розжареного твердого тіла - суцільний. Спектри газів або пари - лінійчасті. Спектри молекул - смугасті.

Спектри поглинання утворюються в процесі проходження і поглинання випромінювання в речовині. Атоми певної речовини поглинають ті світлові хвилі, які вони самі випускають. За спектрами випускання визначають хімічний склад Сонця і зір.

Промені, які мають довжини хвиль менші, ніж фіолетові, заломлюються більше, ніж фіолетові промені, і лежать за фіолетовою частиною спектра, називають ультрафіолетовими, їх виявляють за хімічною дією. Промені, які мають довжини хвиль більші, ніж червоні, заломлюються менше від них і лежать за червоним кінцем спектра, називають інфрачервоними, їх виявляють за тепловою дією.

Спектри зір дуже різні. Майже всі вони - спектри поглинання. Колір і спектр зір пов'язані з їх температурою. Джерелом енергії, яку дістають більшість зір і Сонце, є ядерні реакції перетворення водню в гелій.

Ренттенівське випромінювання виникає від різкого гальмування швидких електронів. Його спектр суцільний. Максимальна енергія рентгенівського випромінювання не може перевищувати енергію електрона, якої він набув у прискорюючому полі.

505

5 = АВ = 2/г1§р, 1% Р = зіпр/созр.

Знайдемо з (21.2) зіп р = зіп а / п1х, тоді

2/гзіпа

Задача 2. Промінь світла виходить з діелектрика у вакуум. Граничний кут дорівнює 42°. Визначити швидкість світла в діелектрику.

Дано: а = 42°; с = 3-1003 м/с,

Знайти: тл Розв'язання. Швидкість світла в діелектрику визначимо із співвідно-

шення і/ = с/я, де п - показник заломлення діелектрика; його визначаємо з умови (21.2): 5ІПа = 1//2. Отже, V = С5ІПа .

Обчислення:

і; = 3 • 108 м/с-0,674 = 2,02-108 м/с.

Задача 3. На мильну плівку в повітрі під кутом 61°10' падає паралельний пучок монохроматичних променів X = 0,52 мкм. При якій найменшій товщині плівки буде видно інтерференційні смуги, якщо спостереження ведуть у відбитому світлі?

Дано: X - 0,52-10"6 м; / = 61°10'; « = 1,33.

Знайти: сі.

Розв'язання. Запишемо умову максимуму:

де сі - товщина плівки в точці спостереження; п ~ показник заломлення плівки; і ~ кут падіння променів світла; X - довжина хвилі падаючого світла. Доданок Х/2 у формулі (1) враховує втрату півхвилі при відбиванні світла від мильної плівки (тобто від межі поділу повітря - плівка).

Припустивши, що к = 1 , оскільки товщина плівки найменша, знайдемо

X

Задача 4. На дифракційні трати, що мають 500 штрихів на міліметр, падає плоска монохроматична хвиля ( X - 0,5 мкм). Визначити найбільший порядок спектра, який можна спостерігати, коли промені на ґрати падають нормально.

507

Задача 5. Під яким кутом до горизонту має бути Сонце, щоб промені, відбиті від поверхні озера, були максимально поляризовані?

Дано: п -1,33 . Знайти: у.

Розв'язання. Відбитий промінь максимально поляризований, якщо для кута і його падіння виконується умова Брюстера (21.12):

0)

де п - відносний показник заломлення двох середовищ. Сонце буде під кутом до горизонту

Тоді

/Б = агсІ§ п = агсІ§ 1,33 » 53°; у = 90°-53° = 37°.

Задачі для самостійного розв'язування

1. Людина, яка стоїть на березі озера, бачить Місяць на небі в напрямі, який з горизонтом утворює кут 60°. На відстані 0,9 м від себе людина бачить відбиток Місяця в озері. Визначити зріст людини.

2.Тонкий пучок світла напрямлений у повітрі на поверхню деякої рідини під кутом падіння 40°. Кут заломлення при цьому дорівнює 24°. Який буде кут заломлення при куті падіння 80°?

3.Промінь світла напрямлений з повітря в скло (п -1,5) . Знайти кути

падіння і заломлення, якщо кут між відбитим і заломленим променями дорівнює 90°.

4. Обчислити граничний кут повного відбивання для плексигласу і алмазу.

508