3.6. Развитие представлений о природе света
Первые представления о природе света возникли у древних греков и египтян. По мере изобретения и совершенствования различных оптических приборов (параболического зеркала, микроскопа, зрительной трубы) эти представления развивались и трансформировались. В конце XVII века возникли две теории света: корпускулярная (И. Ньютон) и волновая (Р. Гук и Х. Гюйгенс).
Согласно корпускулярной теории, свет представляет собой поток частиц (корпускул), испускаемых светящимися телами. Ньютон считал, что движение световых корпускул подчиняется законам механики. Так, отражение света понималось аналогично отражению упругого шарика от плоскости. Преломление света объяснялось изменением скорости корпускул при переходе из одной среды в другую. Для случая преломления света на границе вакуум–среда корпускулярная теория приводила к следующему виду закона преломления:
|
|
где c – скорость света в вакууме, υ – скорость распространения света в среде. Так как n > 1, из корпускулярной теории следовало, что скорость света в средах должна быть больше скорости света в вакууме. Ньютон пытался также объяснить появление интерференционных полос, допуская определенную периодичность световых процессов. Таким образом, корпускулярная теория Ньютона содержала в себе элементы волновых представлений.
Волновая теория, в отличие от корпускулярной, рассматривала свет как волновой процесс, подобный механическим волнам. В основу волновой теории был положен принцип Гюйгенса, согласно которому каждая точка, до которой доходит волна, становится центром вторичных волн, а огибающая этих волн (плоскость A1A2 на рис. 3.6.1) дает положение волнового фронта в следующий момент времени. Под волновым фронтом Гюйгенс понимал геометрическое место точек, до которых одновременно доходит волновое возмущение. С помощью принципа Гюйгенса были объяснены законы отражения и преломления. Рис. 3.6.1 дает представление о построениях Гюйгенса для определения направления распространения волны, преломленной на границе двух прозрачных сред.
|
|
|
Рисунок 3.6.1. Построения Гюйгенса для определения направления преломленной волны |
Для случая преломления света на границе вакуум–среда волновая теория приводит к следующему выводу:
|
|
Закон преломления, полученный из волновой теории, оказался в противоречии с формулой Ньютона. Волновая теория приводит к выводу: υ < c, тогда как согласно корпускулярной теории υ > c.
Таким образом, к началу XVIII века существовало два противоположных подхода к объяснению природы света: корпускулярная теория Ньютона и волновая теория Гюйгенса. Обе теории объясняли прямолинейное распространение света, законы отражения и преломления. Весь XVIII век стал веком борьбы этих теорий. Однако в начале XIX столетия ситуация коренным образом изменилась. Корпускулярная теория была отвергнута и восторжествовала волновая теория. Большая заслуга в этом принадлежит английскому физику Т. Юнгу и французскому физику О. Френелю, исследовавшим явления интерференции и дифракции. Исчерпывающее объяснение этих явлений могло быть дано только на основе волновой теории. Важное экспериментальное подтверждение справедливости волновой теории было получено в 1851 году, когда Ж. Фуко (и независимо от него А. Физо) измерил скорость распространения света в воде и получил значение υ < c.
Хотя к середине XIX века волновая теория была общепризнана, вопрос о природе световых волн оставался открытым.
В
60-е годы XIX века Максвеллом были
установлены общие законы электромагнитного
поля, которые привели его к заключению,
что свет – это электромагнитные
волны.
Важным подтверждением такой точки
зрения послужило совпадение скорости
света в вакууме с электродинамической
постоянной 
Электромагнитная
природа света получила признание
после опытов
Г. Герца по
исследованию электромагнитных волн
(1887–1888 гг.). В начале XX века
после опытов
П. Н. Лебедева по
измерению светового давления (1901 г.)
электромагнитная теория света превратилась
в твердо установленный факт.
Важнейшую роль в выяснении природы света сыграло опытное определение его скорости. Начиная с конца XVII века предпринимались неоднократные попытки измерения скорости света различными методами (астрономический метод А. Физо, метод А. Майкельсона). Современная лазерная техника позволяет измерять скорость света с очень высокой точностью на основе независимых измерений длины волны λ и частоты света ν (c = λ · ν). Таким путем было найдено значение
|
|
превосходящее по точности все ранее полученные значения более чем на два порядка.
Свет играет чрезвычайно важную роль в нашей жизни. Подавляющее количество информации об окружающем мире человек получает с помощью света. Однако, в оптике как разделе физики под светом понимают не тольковидимый свет, но и примыкающие к нему широкие диапазоны спектра электромагнитного излучения – инфракрасный (ИК) и ультрафиолетовый (УФ). По своим физическим свойством свет принципиально неотличим от электромагнитного излучения других диапазонов – различные участки спектра отличаются друг от друга только длиной волны λ и частотой ν. Рис. 3.6.2. дает представление о шкале электромагнитных волн.
за элемент
Ско́рость све́та — абсолютная величина скорости распространения электромагнитных волн в вакууме. В физике традиционно обозначается латинской буквой «c» (произносится как [цэ]). Скорость света в вакууме — фундаментальная постоянная, не зависящая от выбора инерциальной системы отсчёта (ИСО). Она относится к фундаментальным физическим постоянным, которые характеризуют не просто отдельные тела, а свойства пространства-времени в целом. По современным представлениям, скорость света в вакууме — предельная скорость движения частиц и распространения взаимодействий.
44.закон отражения и преломления света.показатель преломления
Как уже указывалось (см. §76), возможность видеть несветящиеся предметы связана с тем обстоятельством, что всякое тело частично отражает, а частично пропускает или поглощает падающий на него свет. В § 76 нас интересовали главным образом явления диффузного отражения и пропускания. Именно благодаря этим явлениям свет, падающий на тело, рассеивается в разные стороны, |и мы получаем возможность видеть тело с любой стороны. В частности, благодаря рассеянному свету, хотя и слабому, мы видим отовсюду даже очень хорошие зеркала, которые должны были бы отражать свет только по одному направлению и, следовательно, быть заметными только по одному определенному направлению. Рассеянный свет возникает в этом случае из-за мелких дефектов поверхности, царапин, пылинок и т. д. В настоящей главе мы рассмотрим законы направленного (зеркального) отражения и направленного пропускания (преломления) света. Для того чтобы имело место зеркальное отражение или преломление, поверхность тела должна быть достаточно гладкой (не матовой), а его внутренняя структура — достаточно однородной (не мутной). Это означает, что неровности поверхности, равно как и неоднородности внутреннего строения, должны быть достаточно малы. Как и во всяком физическом явлении, выражение «достаточно мало» или «достаточно велико» означает малое или большое по сравнению с какой-то другой физической величиной, имеющей значение для изучаемого явления. В данном случае такой величиной является длина световой волны. В дальнейшем мы укажем способы ее определения. Здесь же ограничимся указанием, что длина световой волны зависит от окраски светового пучка и имеет значение от 400 нм (для фиолетового цвета) до 760 нм (для красного цвета). Таким образом, для того чтобы поверхность была оптически гладкой, а тело оптически однородным, необходимо, чтобы неровности и неоднородности были значительно меньше микрометра. В этой главе мы ограничимся рассмотрением случая, когда поверхность тела плоская; вопрос о прохождении света через искривленную (сферическую) поверхность будет рассмотрен в следующей главе. Примером плоской поверхности может служить граница раздела воздуха и какой-нибудь жидкости в широком сосуде. Соответствующая полировка твердых тел также позволяет получать весьма совершенные плоские поверхности, среди которых металлические поверхности выделяются своей способностью отражать много света. Из стекла легко можно сделать плоские пластинки, которые затем покрываются слоем металла, в результате чего получаются обычные зеркала. Рассмотрим следующий простой опыт. Направим, например, узкий пучок лучей на поверхность воды в большом сосуде (рис. 180). Мы обнаружим, что часть света отразится от поверхности воды, другая часть пройдет из воздуха в воду. Для того чтобы падающий луч SO, отраженный луч OR и прошедший в воду луч OD были лучше видны, рекомендуется слегка запылить воздух над сосудом (например, дымом), а в воде, заполняющей сосуд, растворить немного мыла, благодаря чему вода станет слегка мутной. На опыте видно, что вошедший в воду луч не является простым продолжением луча, падающего на границу раздела, а испытывает преломление. При изучении данного явления нас будут интересовать, во-первых, направления отраженного и преломленного лучей и, во вторых, доля отраженной световой энергии и энергии, прошедшей из первой среды во вторую. Рассмотрим вначале отраженные лучи. Накроем поверхность раздела (зеркало) сверху непрозрачной цилиндрической поверхностью АСВ, которую можно сделать, например, из плотной бумаги (рис. 181, а). На дуге АСВ проделаем небольшие отверстия, расположенные, например, через каждые 5°. Тогда окажется, что если луч света пропущен в одно из этих отверстий и направлен по радиусу Рис. 180. Пре 2000 ломление и отражение света при падении луча на поверхность воды шуги АСВ к центру О, то после отражения он выйдет из [прибора через симметричное относительно перпендикуляра NO отверстие в цилиндрическом колпаке, покрывающем зеркало. С какой бы точностью этот опыт ни осуществлялся, на самом совершенном угломерном инструменте результат его остается тем же. Этот надежно установленный результат можно формулировать в виде следующего закона отражения света: луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр к отражающей поверхности лежат Рис. 181. Измерение угла отражения (а) и преломления (б) в одной плоскости, причем угол отражения луча равен углу падения. Измерение угла, образуемого преломленным лучом [с перпендикуляром к поверхности раздела (угла преломления), можно проделать тем же способом, какой мы использовали при измерении угла отражения. Для этого нужно продолжить цилиндрическую поверхность ACB во вторую среду (рис. 181, б). Точные измерения угла падения i и угла преломления r приводят к следующему закону преломления: луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр к поверхности раздела лежат в одной плоскости. Угол падения и угол преломления связаны соотношением [img]FORMULA 81-1[/img](81.1) где показатель преломления n есть постоянная величина, не зависящая от угла падения и определяющаяся оптическими свойствами граничащих сред. Углы падения i, отражения i\' и преломления r принято измерять от перпендикуляра к поверхности раздела до соответствующего луча. Первые попытки найти закон преломления были сделаны известным александрийским астрономом Клавдием Птолемеем (умер около 168 г.) почти два тысячелетия назад. Однако точность измерений в то время была еще недостаточно высока, и Птолемей пришел к выводу, что отношение углов падения и преломления при заданных средах остается постоянным. Заметим, что для получения правильной зависимости между углом падения и углом преломления нужно измерять эти углы с точностью до нескольких минут; это особенно существенно при небольших углах падения и преломления. При грубых измерениях при небольших углах вместо постоянства отношения синусов углов легко прийти к неправильному выводу о постоянстве отношения самих углов, как и случилось с Птолемеем. В правильной форме закон преломления был установлен только спустя полторы тысячи лет после Птолемея голландским физиком Виллебрордом Снеллиусом (1580—1626) и, по-видимому, независимо от него французским физиком и математиком Рене Декартом (1596—1650). Перейдем теперь к вопросу о количестве отраженной световой энергии. Мы знаем, что изображение нашего лица в хорошем зеркале всегда более светлое, чем, например, в поверхности воды озера или колодца. Это связано с тем уже неоднократно упоминавшимся обстоятельством, что не вся световая энергия, падающая на границу раздела двух сред, отражается от нее: часть света проникает через границу раздела во вторую среду и проходит через нее насквозь или частично поглощается в ней. Доля отраженной световой энергии зависит от оптических свойств граничащих между собой сред и от угла падения. Если, например, свет падает на стеклянную пластинку перпендикулярно к ее поверхности (угол падения равен нулю), то отражается всего только около 5% световой энергии, а 95% проходит через границу раздела. При увеличении угла падения доля Таблица 4. Доля отраженной энергии при различных углах падения света на поверхность стекла отраженной энергии возрастает. В табл. 4 приводится в качестве примера доля отраженной энергии при различных углах падения света на поверхность, разграничивающую воздух и стекло (n=1,555). В табл. 5 приводятся аналогичные данные для поверхности раздела воздух— вода (n=1,333). Таблица 5. Доля отраженной энергии при различных углах падения света на поверхность воды В заключение мы должны сделать оговорку, что закон отражения и закон преломления справедливы только в том случае, если поверхность раздела по своим размерам значительно превосходит длину волны света. Маленькое зеркало, например, действует как маленькое отверстие, с той только разницей, что оно еще изменяет направление падающих на него лучей. Если зеркало имеет размеры, меньшие 0,01 мм, то, так же как при прохождении света через очень малые отверстия, начинают уже заметно сказываться волновые свойства света. В этом случае � 328 �зкий пучок, отражаясь, расширяется и притом тем значительнее, чем меньше размер зеркала. То же справедливо и по отношению к преломленному пучку. Разъяснение этих явлений будет дано в главе о дифракции света.
45.когерентность и монохроматичность
Когерентность и монохроматичность
Итак,
необходимым условием интерференции
волн является их когерентность, т.е.
согласованное протекание во времени и
пространстве нескольких колебательных
или волновых процессов.
Этому условию удовлетворяют монохроматические
волны – неограниченные
в пространстве волны одной определенной
и строго постоянной частоты. Так
как ни один реальный источник не дает
строго монохроматического света, то
волны, излучаемые любыми независимыми
источниками света, всегда некогерентны.
Спектр частот реальной волны имеет
конечную ширину 
.
Если в какой-то момент времени волны были
в фазе,
через некоторое время 
разность
фаз будет уже равна π (волны
в противофазе).
Такую волну можно приближенно
считать монохроматической только
в течение времени
|
|
|
|
|
(8.3.1) |
,
|
|
src="ima/image1548.png" align="absmiddle"> – время когерентности немонохроматической волны.
За
промежуток времени 
разность
фаз колебаний изменится на π.
Время когерентности – время, по истечении которого разность фаз волны в некоторой, но одной и той же точке пространства изменяется на π.
Волна
с циклической частотой ω и фазовой
скоростью 
распространяется
за это время на расстояние
|
|
|
|
|
(8.3.2) |
,
|
|
где 
– длина
когерентности (длина
гармонического цуга, образующегося
в процессе излучения одного атома) –
расстояние между точками, разность фаз
в которых π.
Таким образом, длина когерентности есть расстояние, при прохождении которого две или несколько волн утрачивают когерентность. Отсюда следует, что наблюдение интерференции света возможно лишь при оптических разностях хода, которые меньше длины когерентности для используемого источника света.
Чем ближе
волна к монохроматической,
тем меньше ширина 
и
тем больше длина когерентности 
,
а следовательно и время когерентности 
.
Например,
для видимого света 
; 
,
; 
.
Когерентность колебаний, определяемая степенью монохроматичности волн, которая совершаются в одной и той же точке пространства, называется временнóй когерентностью.
Интерференционная
картина не будет наблюдаться, если
максимум m-порядка
для 
будет
совпадать с минимумом ( 
)-порядка
для λ. Условие
неразличимости интерференционной
картины:
,
отсюда найдем критический
максимум:
|
|
|
|
|
(8.3.3) |
.
|
|
Мы
можем четко наблюдать интерференционные
максимумы при 
.
Найдем
связь между порядком интерференционного
максимума и оптической разностью хода.
Для критического максимума оптическая
разность хода 
,
следовательно
|
|
|
|
|
(8.3.4) |
,
|
|
где 
– такая
оптическая разность хода, при которой
исчезает интерференционная картина.
Чтобы
наблюдать интерференционную картину,
необходимо, чтобы оптическая разность
хода была много меньше длины когерентности
для данного источника света: 
,
или
.
Наряду с временнóй когерентностью для описания когерентных свойств волн в плоскости, перпендикулярной направлению их распространения, вводится понятие пространственной когерентности. Два источника, размеры и взаимное расположение которых позволяют наблюдать интерференцию, называются пространственно-когерентными. Радиусом когерентности (или длиной пространственной когерентности) называется максимальное, поперечное направлению распространения волны расстояние, на котором возможно проявление интерференции.
Таким образом, пространственная когерентность определится радиусом когерентности:
,
где λ – длина волны света, φ – угловой размер источника.
Для того чтобы увеличить радиус когерентности или длину пространственной когерентности, необходимо световые лучи пропускать через очень малое отверстие в непрозрачном экране А (рис. 8.2).
46.интерференция света
Интерференция света — нелинейное сложение интенсивностей двух или нескольких световых волн. Это явление сопровождается чередующимися в пространстве максимумами и минимумами интенсивности. Её распределение называется интерференционной картиной. Впервые явление интерференции было независимо обнаружено Робертом Бойлем (1627—1691 гг.) и Робертом Гуком (1635—1703 гг.). Они наблюдали возникновение разноцветной окраски тонких плёнок (интерференционных полос), подобных масляным или бензиновым пятнам на поверхности воды. В 1801 году Томас Юнг (1773—1829 гг.), введя «Принцип суперпозиции», первым объяснил явление интерференции света, ввел термин «интерференция» (1803) и объяснил «цветастость» тонких пленок. Он также выполнил первый демонстрационный эксперимент по наблюдению интерференции света, получив интерференцию от двух щелевых источников света (1802); позднее этот опыт Юнга стал классическим.
Интерференция света - явление перераспределения энергии в пространстве.
47.дифракция света
Дифракция Света
Дифракция света- отклонение световых волн от прямолинейного распространения, огибание встречающихся препятствий.
Качественно явление дифракции объясняется на основе принципа Гюйгенса-Френеля. Волновая поверхность в любой момент времени представляет собой не просто огибающую вторичных волн, а результат интерференции.
На рис. 105 изображена плоская световая волна, падающая на непрозрачный экран с отверстием. За экраном фронт результирующей волны (огибающая всех вторичных волн) искривляется, в результате чего свет отклоняется от первоначального направления и попадает в область геометрической тени.
Законы геометрической оптики выполняются достаточно точно лишь в том случае, если размеры препятствий на пути распространения света много больше длины световой волны:
Дифракция происходит в том случае, когда размеры препятствий соизмеримы с длиной волны: L ~ Л.
Дифракционная картина, полученная на экране, расположенном за различными преградами, представляет собой результат интерференции: чередование светлых и темных полос (для монохроматического света) и разноцветных полос (для белого света). Дифракционная решетка - оптический прибор, представляющий собой совокупность большого числа очень узких щелей, разделенных непрозрачными промежутками. Число штрихов у хороших дифракционных решеток доходит до нескольких тысяч на 1 мм.
Если ширина прозрачной щели (или отражающих полос) а, а ширина непрозрачных промежутков (или рассеивающих свет полос) b, то величина d = а + b называется периодом решетки.
Пусть на решетку падает плоская монохроматическая волна длиной А (рис. 106.). Вторичные волны за дифракционной решеткой распространяются по всем направлениям. Найдем условие, при котором вторичные волны усиливают друг друга.
Рассмотрим волны, идущие под углом (р. Разность хода между волнами от краев соседних щелей равна длине отрезка АС. В треугольнике АСВ катет | АС | = | АВ | sin ф = d sin ф. Максимум будет наблюдаться, если | АС | = kЛ, то есть
При выполнении этого условия усилят друг друга волны, идущие от всех других точек щелей.
Для наблюдения дифракционной картины за решеткой помещают собирающую линзу, в фокусе которой располагается экран. Линза фокусирует лучи, идущие параллельно, в одной точке. В этой точке происходит сложение волн и их взаимное усиление.
При освещении решетки монохроматическим светом в направлении ф = 0 наблюдается максимум нулевого порядка - центральный. Но обе стороны от него наблюдаются максимумы 1-го, 2-го и т. д. порядков.
При освещении белым светом происходит его разложение в спектр: максимумы волн разной длины, кроме центрального, наблюдаются под разными углами.
Дифракционная решетка широко используется для измерения длин световых волн, для анализа спектрального состава сложного излучения, в качестве датчиков линейных перемещений и др. Поляризация света
Явление интерференции, дифракции и дисперсии говорит о том, что свет - волна. Но мы знаем два вида механических волн: поперечные и продольные. Какими свойствами обладает световая волна? Юнг и Френель считали, что световые волны - продольные. Однако экспериментальные факты, которые не удавалось объяснить из представлений, что свет - продольная волна, показывали обратное.
Одним из таких экспериментальных фактов, который нельзя объяснить свойствами продольной волны, является опыт с пластинками из турмалина (рис. 107).
Дифракционная решётка — оптический прибор, работающий по принципу дифракции света, представляет собой совокупность большого числа регулярно расположенных штрихов (щелей, выступов), нанесённых на некоторую поверхность. Первое описание явления сделал Джеймс Грегори, который использовал в качестве решётки птичьи перья.
48.дисперсия света.цвета тел.виды спектров
Диспе́рсия све́та (разложение света) — это явление, обусловленное зависимостью абсолютного показателя преломления вещества от частоты (или длины волны) света (частотная дисперсия), или, то же самое, зависимость фазовой скорости света в веществе от длины волны (или частоты). Экспериментально открыта Ньютоном около 1672 года, хотя теоретически достаточно хорошо объяснена значительно позднее.
-
Пространственной дисперсией называется зависимость тензора диэлектрической проницаемости среды от волнового вектора. такая зависимость вызывает ряд явлений, называемых эффектами пространственной поляризации.
Один из самых наглядных примеров дисперсии — разложение белого света при прохождении его через призму (опыт Ньютона). Сущностью явления дисперсии является неодинаковая скорость распространения лучей света c различной длиной волны в прозрачном веществе — оптической среде (тогда как в вакууме скорость света всегда одинакова, независимо от длины волны и следовательно цвета). Обычно чем больше частота волны, тем больше показатель преломления среды и меньше ее скорость света в ней:
-
у красного цвета максимальная скорость в среде и минимальная степень преломления,
-
у фиолетового цвета минимальная скорость света в среде и максимальная степень преломления.
Однако в некоторых веществах (например в парах йода) наблюдается эффект аномальной дисперсии, при котором синие лучи преломляются меньше, чем красные, а другие лучи поглощаются веществом и от наблюдения ускользают. Говоря строже, аномальная дисперсия широко распространена, например, она наблюдается практически у всех газов на частотах вблизи линий поглощения, однако у паров йода она достаточно удобна для наблюдения в оптическом диапазоне, где они очень сильно поглощают свет.
Дисперсия света позволила впервые вполне убедительно показать составную природу белого света.
-
Белый свет разлагается на спектр и в результате прохождения через дифракционную решётку или отражения от нее (это не связано с явлением дисперсии, а объясняется природой дифракции). Дифракционный и призматический спектры несколько отличаются: призматический спектр сжат в красной части и растянут в фиолетовой и располагается в порядке убывания длины волны: от красного к фиолетовому; нормальный (дифракционный) спектр — равномерный во всех областях и располагается в порядке возрастания длин волн: от фиолетового к красному.
По аналогии с дисперсией света, также дисперсией называются и сходные явления зависимости распространения волн любой другой природы от длины волны (или частоты). По этой причине, например, термин закон дисперсии, применяемый как название количественного соотношения, связывающего частоту и волновое число, применяется не только к электромагнитной волне, но к любому волновому процессу.
Дисперсией объясняется факт появления радуги после дождя (точнее тот факт, что радуга разноцветная, а не белая).
Дисперсия является причиной хроматических аберраций — одних из аберраций оптических систем, в том числе фотографических и видео-объективов.
Коши пришел к формуле, выражающей зависимость показателя преломления от длины волны:
n = a + b / L2 + c / L4 + …,
где:
-
L — длина волны в вакууме;
-
a, b, c, … — постоянные, значения которых для каждого вещества должны быть определены в опыте. В большинстве случаев можно ограничиться двумя первыми членами формулы Коши.
Цвет тел
Содержание: Ц. качество тел . - Ц. ощущение. - Простые (спектр.) Ц. - Взаимно дополнительные. - Основные. - Качества Ц.: тон, светлота и густота тона. - Способы смешения Ц. - Пурпуровый, белый, черный и серый. - Чувствительность глаза к Ц. - Светлота Ц. - Явл. Пуркиньи. - Относительная светлота Ц. в призматическом спектре при различных условиях. - Ц. слепота (врожденная и временная). - Teopии Ц. зрения. - Литература.
Особое качество поверхностей тел или всей массы, оцениваемое глазом после действия на сетчатку световых лучей, распространяющихся от этих поверхностей или сквозь тела к глазу. Цвета могут быть естественные - от природы тел (красное дерево, золото, медь, слоновая кость, малахит), и искусственные - с помощью наложенных на поверхность тела красок или особых очень тонких прозрачных и прочных пленок (Ц. тонких пленок получаются от явления интерференцииподобно Ц. мыльных пузырей, тонких пластинок слюды, коллодиона и пр. - см. Интерференция). При рассматривании тел мы не только составляем представление об относительном их положении, размере и форме, но и испытываем от них специальные ощущения - цветов, воспринимаемые определенными центрами головного мозга вследствие некоторых не вполне еще выясненных изменений в элементах сетчатки вблизи ее наружной поверхности. Физическое учение о цветах называется иногда хроматизмом, а в соответствие этому чувство Ц. называют хроматическим чувством. Ц. тел есть Ц. лучей, распространяющихся от тел к сетчатке. В зависимости от источника света, освещающего предмет, Ц. его может резко меняться. Красный кумач при освещении желтыми лучами натровой б. горелки или зелеными - таллиевой горелки будет нам казаться черным. При дневном рассеянном солнечном свете мы можем различать большое разнообразие цветов. Этот факт указывает на то, что лучи белого рассеянного света - сложного состава и что некоторые из них отражаются одними телами или проходят через них к глазу в большем относительном количестве, чем в других телах, придавая последним Ц., отличающий их от первых. Исторический опыт Ньютона над разложением пучка солнечных лучей посредством стеклянной призмы в радужный световой веер (спектр) доказал, что лучи, образующие солнечный свет, имеют цвета, следующие в известном порядке и различающиеся по преломляемости в призме (см. Дисперсия и Спектр. анализ); в свою очередь, узкий пучок лучей из спектра при преломлении через такую же стеклянную призму только отклонится и не даст лучей нового Ц. Собирая посредством оптической чечевицы лучи спектра, вышедшие из призмы, на белую бумагу, мы получаем белое пятно в виде изображения грани призмы. Наблюдения и последующие опыты показали, что глаз чувствителен только к небольшому количеству солнечных лучей, имеющих длины волны между 375 μμ. (фиол.) и 760 μμ (кр.). Ультракрасные лучи с длиной волны больше 760 μμ не достигают до сетчатки, поглощаясь в серединах глаза. Ультрафиолетовые лучи с длиной волн менее 375 μμ не производят заметного действия на сетчатку тоже по причине поглощения хрусталиком. После удаления хрусталика при катаракте глаз видит часть ультрафиолетовых лучей. По Гельмгольцу, нормальный глаз может их видеть при особой чистоте ультрафиол. части спектра.
Ц. спектра называют простыми цветами [Строго говоря, простым однородным (монохроматическим) лучом называют в физике луч одной определенной длины волны. Практически считают однородными лучами - лучи из различных волн, но очень близких (как в лучах натрового света между собой).].
Глаз не обладает способностью непосредственно (без помощи стеклянной призмы или оптической сетки, см. Спектральный анализ) анализировать состав проникающих к сетчатке лучей. Испытывая ощущение некоторого Ц., глаз не может различить, происходит ли это ощущение от простого спектрального Ц. или от одновременного действия некоторой совокупности различных цветных лучей. В отношении подобного анализа глаз уступает органу слуха, который, как известно, при соответственном развитии легко узнает сложный состав многих звуков. Два аккорда, составленные из различных тонов, ощущаются ухом различно. Из опытов известно, что белый Ц. ощущается не только при одновременном проникновении к сетчатке всех цветных лучей спектра, но и при сочетаниях в определенных количествах только красных и зеленых, или только желтых и синих, или при сочетании красных, зеленых и фиолетовых, или при сочетании любых 2 пучков, на которые мы разделяем полный спектр. Такие цвета, образующие в сочетании белый Ц., взаимно дополнительные (см.). Всякий спектральный Ц. можно получить из сложения двух или нескольких определенных Ц. спектра. Исключение только для крайних в спектре - красных и фиолетовых, которые зато и при смешении друг с другом дают особый Ц. - пурпуровый, совершенно отсутствующий в спектре, но дополнительный к спектр. зеленому. На фиг. 1 представлены две кривые д, д, с помощью которых легко найти длины волн взаимно дополнительных спектральных Ц.
Непрерывные спектры
Солнечный спектр или спектр дугового фонаря является непрерывным. Это означает, что в спектре представлены волны всех длин. В спектре нет разрывов, и на экране спектрографа можно видеть сплошную разноцветную полосу
Непрерывные (или сплошные) спектры, как показывает опыт, дают тела, находящиеся в твердом или жидком состоянии, а также сильно сжатые газы. Для получения непрерывного спектра нужно нагреть тело до высокой температуры.
Характер непрерывного спектра и сам факт его существования определяются не только свойствами отдельных излучающих атомов, но и в сильной степени зависят от взаимодействия атомов друг с другом.
Непрерывный спектр дает также высокотемпературная плазма. Электромагнитные волны излучаются плазмой в основном при столкновении электронов с ионами.
Линейчатые спектры
Внесем в бледное пламя газовой горелки кусочек асбеста, смоченного раствором обыкновенной поваренной соли. При наблюдении пламени в спектроскоп на фоне едва различимого непрерывного спектра пламени вспыхнет яркая желтая линия (рис. V, 2). Эту желтую линию дают пары натрия, которые образуются при расщеплении молекул поваренной соли в пламени. На рисунке приведены также спектры водорода и гелия. Каждый из них — это частокол цветных линий различной яркости, разделенных широкими темными полосами. Такие спектры называются линейчатыми. Наличие линейчатого спектра означает, что вещество излучает свет только вполне определенных длин волн (точнее, в определенных очень узких спектральных интервалах). На рисунке 48 вы видите примерное распределение спектральной плотности интенсивности излучения в линейчатом спектре. Каждая линия имеет конечную ширину.
Линейчатые спектры дают все вещества в газообразном атомарном (но не молекулярном) состоянии. В этом случае свет излучают атомы, которые практически не взаимодействуют друг с другом. Это самый фундаментальный, основной тип спектров.
Изолированные атомы излучают строго определенные длины волн.
Полосатые спектры
Полосатый спектр состоит из отдельных полос, разделенных темными промежутками. С помощью очень хорошего спектрального аппарата можно обнаружить, что каждая полоса представляет собой совокупность большого числа очень тесно расположенных линий. В отличие от линейчатых спектров полосатые спектры создаются не атомами, а молекулами, не связанными или слабо связанными друг с другом.
Для наблюдения молекулярных спектров так же, как и для наблюдения линейчатых спектров, обычно используют свечение паров в пламени или свечение газового разряда.
Спектры поглощения
Все вещества, атомы которых находятся в возбужденном состоянии, излучают световые волны, энергия которых определенным образом распределена по длинам волн. Поглощение света веществом также зависит от длины волны. Так, красное стекло пропускает волны, соответствующие красному свету ( 810-5 см), и поглощает все остальные.
Если пропускать белый свет сквозь холодный, неизлучающий газ, то на фоне непрерывного спектра источника появляются темные линии (рис. V, 5—8). Газ поглощает наиболее интенсивно свет как раз тех длин волн, которые он испускает в сильно нагретом состоянии. Темные линии на фоне непрерывного спектра — это линии поглощения, образующие в совокупности спектр поглощения.
Существуют непрерывные, линейчатые и полосатые спектры излучения и столько же видов спектров поглощения.
49.спектральный анализ
Спектральный анализ — совокупность методов качественного и количественного определения состава объекта, основанная на изучении спектров взаимодействия материи с излучением, включая спектры электромагнитного излучения,акустических волн, распределения по массам и энергиям элементарных частиц и др. В зависимости от целей анализа и типов спектров выделяют несколько методов спектрального анализа. Атомный и молекулярный спектральный анализы позволяют определять элементный и молекулярный состав вещества, соответственно. В эмиссионном и абсорбционном методах состав определяется по спектрам испускания и поглощения. Масс-спектрометрический анализ осуществляется по спектрам масс атомарных или молекулярных ионов и позволяет определять изотопный состав объекта.
50.
51.тепловое излучение, его законы
Теплово́е излуче́ние — электромагнитное излучение с непрерывным спектром, испускаемое нагретыми телами за счёт их тепловой энергии.
Примером теплового излучения является свет от лампы накаливания.
Мощность теплового излучения объекта, удовлетворяющего критериям абсолютно чёрного тела, описывается законом Стефана — Больцмана.
Отношение излучательной и поглощательной способности тел описывается законом излучения Кирхгофа.
Тепловое излучение является одним из трёх элементарных видов переноса тепловой энергии (помимо теплопроводности и конвекции).
Равновесное излучение — тепловое излучение, находящееся в термодинамическом равновесии с веществом.