Спектры испускания и поглощения. Спектрометры. Спектральный анализ.

Электромагнитное излучение всех длин волн обуславливается колебаниями электрических зарядов, входящих в состав вещества. Например, нагретое тело излучает на всех частотах. Газы при низком давлении могут излучать узкие спектральные линии.

Прохождении света через вещество ведет к возникновению колебаний электронной среды под действием электромагнитного поля волны и сопровождается потерей этой энергии последней. Опыт показывает, что интенсивность плоской волны, проходя через вещество , где λ коэффициент поглощения.

Так как α зависит от λ то при измерениях получается спектр.

В газах, парах металлов коэффициент поглощения везде мал и лишь для очень узких спектральных областей (~0,01А) обнаруживает резкие max. Такие области соответствуют частотам собственных колебаний эл. в атомах.

для исследования спектрального состава света используется спектрометры (приборы для разложения света по длинам волн).

Такую роль исполняет призма, дифракционная решетка или какой- либо интерференционный прибор.

Например, призменный спектрограф

. система объективов обеспечивает резкое изображение щели в плоскости .

Цвет тел.

Воспринимаемые нами цвета тел представляют субъективную характеристику света, так как эти цвета зависят от свойств глаза. Объективной же характеристикой остается спектр частот, соответствующие сложному отраженному свету.

Свет самосветящихся тел зависит от излучаемых ими частот. Например, раскаленное твердое тело, дающее сплошной спектр кажется белым. Если белый свет отражается от поверхности несамосветящегося тела, то цвет поверхности зависит от коэффициентов отражения различных частот.

Оптические явления в атмосфере; прозрачность; дифракция на случайных неоднородностях; радуга.

Атмосфера сильно поглощает значительную часть излучения (от солнца). Имеется два окна прозрачности: видимые и ИК лучи с λ от 0,3 до 14мкм (с полосой поглощения от 5 до 8мкм ) и радикально λ от 1мм до 30 м (с полосами поглощения 2,5 и 5мм и 0,16 и 1,35 мм). Существование окна прозрачности определило строение глаза.

Изменение n с высотой приводит к рефракции.

высота подъема звезды у горизонта до . Случайные колебания плотности атмосферы нарушают прямолинейность распространения света от звезд. Плоский волновой фронт приобретает выпуклости и вогнутости и происходит перераспределение светового потока. Наблюдается мерцание звезды. Планеты не мерцают, так как их угловые размеры больше и угловые прохождения через атмосферу лучей от разных участков диска пл. достаточно различны и в среднем лучи всегда доходят до глаза наблюдателя.

Если распределение плотности испытывает местное отклонение от нормы, то может возникнуть мираж.

например, воздух над асфальтом нагревается и n приобретает аномальный ход. Таким образом, лучи идущие сверху могут испытать искривление у поверхности земли и кажется, что у поверхности образовалась лужа, от которой и отражается участок небесного свода.

При излучении дифракции выяснено, что дифракционная картина создаваемая системой периодически расположенных одинаковых объектов (например, решетка) определяется произведением 2-х сомножителей. Один из них учитывает влияние единичного объекта, создающего дифракцию, другой – их совместное действие. При этом последний сомножитель в направлениях max света пропорционален квадрату числа объектов. Если объекты создающие дифракцию расположены хаотически, то этот сомножитель пропорционален числу объектов. Поэтому при прохождении световой волны, например от луны, через хаотически расположенные многочисленные микроскопические кристаллы льда, иногда появляющиеся в верхних слоях атмосферы. Создается достаточно яркая дифракционная картина, состоящая из цветных колец, окружающих светило. Такую картину можно наблюдать, рассматривая удаленный светильник через запотевшее стекло.

Если монокристаллы однородны (редко) то наблюдается образование вокруг солнца или луны четких колец определенного радиуса ( ). При этом внутренний край кольца – красный, а наружный - почти белый.

если кристаллы льда имеют форму правильного прямоугольника, то свет, преломленный на грани 1 может выйти через грань 3 (усеченная призма с преломляющим углом ). Причем угол наименьшего отклонения равно , так как n≈1,3.кроме того, в направлении наименьшего отклонения призмы пропускают наибольшее количество света, чем и объясняется образование гало на фоне более слабого света, прошедшего через кристаллы в других направлениях.

С этих же позиций можно понять и образовании радуги. Она может появиться, если два условия: наблюдатель находится между солнцем и дождем и солнце расположено низко (не выше над горизонтом).

Радуга – цветная дуга углового размера ~ причем центр ее О расположен на линии, проходящей через солнце и глаз наблюдателя.

наружный край радуги красный, внутренний - голубой. Иногда появляются вторичные радуги с обратным порядком цветов. Главная радуга возникает благодаря двукратному преломлению и однократному отражению света внутри дождевых капель и дифракционному эффекту. Создаваемому громадным числом хаотически расположенных капель.

В некотором направлении CВ произойдет концентрация лучей (зависит от n т.е. от λ).

Изменение направления луча определяется углом .

Найдем экстремальное значение D.

Заменим

Если взять вторую производную D по i можно показать, что полученный экстремум есть max, т.e. в направлении CВ происходит концентрация света, что и воспринимается как радуга.

Пологая n=1,33, получим . Что отвечает действительности . Так как n для синих лучей больше чем для красных, то угол для синего цвета меньше. Т.е. нижний внутренний край радуги должен быть синим.

Если учесть многократные отражения, то получаются верные результаты и для второй (иногда) радуги.