Визначення довжини світлової хвилі

Нехай на дифракційну решітку падає плоска світлова хвиля (пучок паралельних променів) довжини Я, (мал. 121). Коли хвиля дійде до решітки, від кожної точки її щілин за принципом Гюйгенса — Френеля поширюватимуться в усі боки елементарні вторинні хвилі. Початкові фази всіх вторинних хвиль однакові.

Вторинні елементарні хвилі, які посилає кожна щілина перпендикулярно до екрана, матимуть однакові фази, і в результаті інтерференції їх амплітуди додадуться. Решта напрямів хвиль від різних щілин мають різну різницю ходу.

Хвилі, які йдуть до екрана у напрямі до першої світлої смуги, мають різницю ходу, що дорівнює цілому числу хвиль (див. мал. 121). Так, для хвиль, які йдуть від першої щілини, різниця ходу дорівнює , для хвиль, що йдуть від другої щілини,— , від третьої — і т. д. Для останньої п-ї щілини різниця ходу дорівнює . Розглянемо трикут­ник ABC. У цьому трикутнику: . Крім того,

. Але АВ — це вся ширина дифракційної ре­шітки, тобто . Отже,, або , звідки

Оскільки кут малий, то sin . Тангенс кута легко

знайти, розглянувши схему установки (див. мал. 121):

Вимірявши h і І і знаючи сталу решітки , меж

на визначити довжини хвиль, які відповідають кольоро вим смужкам у дифракційній картині.

Поняття про голографію

Явища інтерференції і дифракції світла використоіу ються в голографії (від грецького — «повний за­пис») — спеціальному способі записування і відтворення просторового (об'ємного) зображення предметів. Цей спосіб

став можливим після створення у 1960 р. джерела світла високого ступеня когерентності — лазера, з принципом дії якого ви ознайомитеся пізніше, при вивченні атомної фізики.

Розглядаючи звичайну фотографію, не можна загля­нути за предмети, які знаходяться на передньому плані. Це й зрозуміло, оскільки фотографія є плоским зображен­ням об'ємної картини, одержаної з певної точки. На від­міну від звичайної фотографії, голографія дає можливість записати і відновити не двомірний розподіл освітленості у площині знімку, а розсіяну предметом світлову хвилю з усіма її характеристиками: амплітудою, фазою, довжи­ною хвилі. Відтворені голограмою світлові хвилі, потрап­ляючи в око спостерігача, створюють повну ілюзію спосте­режуваних предметів — їх об'ємність і можливість зміни ракурсу при зміні точки зору.

Розглянемо у загальних рисах принцип голографії. Для реєстрації і відновлення інформації про предмет необ­хідно вміти реєструвати і відтворювати амплітуду і фазу відбитої від предмета світлової хвилі. Ідея голографування полягає в тому, що фотографується розподіл інтенсивності світла в інтерференційній картині, яка виникає внаслідок накладання відбитих від об'єкта хвиль і когерентних їм так званих опорних хвиль відомої фази. Подальша дифракція світла на зареєстрованому розподілі почорнінь на фотографії відновлює відбиті від об'єкта хвилі і дав змогу їх вивчати при відсутності об'єкта спостереження.

Принципова схема реалізації ідеї голографування показана на малюнку 122, а. Пучок світла від лазера ділять на дві частини, причому одна його частина відбивається дзеркалом на фотопластинку (опорна хвиля), а друга ча­стина потрапляє на фотопластинку після відбивання від предмета (предметна хвиля). Опорна і предметна хвилі когерентні і при накладанні утворюють на фотопластинці інтерференційну картину. Після проявлення фотопластин­ки одержуємо так звану голограму — зареєстровану на фотопластинці інтерференційну картину, утворену внаслідок додавання опорної і предметної хвиль.

Для відтворення зображення (мал. 122, б) голограма установлюється в таке саме положення, в якому вона була до реєстрації. її освітлюють опорним пучком світла того самого лазера (друга частина лазерного пучка перекри­вається діафрагмою). У результаті дифракції світла на інтерференційній структурі голограми відтворюється копія предметної хвилі, яка утворює об'ємне (а усіма

притаманними предметові властивостями) уявне зображен­ня предмета, розміщене у тому самому місці, де знаходився предмет під час голографування. Воно здається настільки реальним, що виникає бажання доторкнутися до нього рукою. Крім того, відтворюється ще й дійсне зображення предмета, яке мав рельєф, обернений до рельвфа предмета, тобто випуклі місця зображені увігнутими, і навпаки (якщо спостереження вести справа від голограми).

Звичайно користуються уявним голографічним зобра­женням, яке за зоровим сприйманням створює повну ілю­зію існування реального предмета. Розглядаючи з різних

положень об'ємне зображення предмета, яке дає гологра­ма, можна побачити більш віддалені предмети, закриті ближчими (заглянути за ближчі предмети). Це пояснює­ться тим, що, переміщаючи голову набік, ми сприймаємо зображення, відтворене від периферійної частини гологра­ми, на яку при фотографуванні падали також і промені, відбиті від схованих предметів. Голограму можна розбити на шматки. Але навіть мала частина голограми відтворює повне зображення предмета. Однак зменшення розмірів голограми веде до погіршення чіткості одержаного зобра­ження.

Голографія знаходить все нові застосування в різних галузях науки й техніки, але найбільш важливим засто­суванням, яке набуває все більшого значення, є запис і збереження інформації. Методи голографії дають змогу записувати в сотні разів більше сторінок друкованого тексту, ніж методом звичайної мікрофотографії На фото­пластинці розміром 32X32 мм можна записати текст книжки обсягом понад тисячу сторінок.

Поляризація світла

Ми знаємо, що світло є електромагнітними хвилями. Але які це хвилі: поперечні чи поздовжні? В електромагніт­ній хвилі відбувається коливання вектора напруженості електричного й індукції магнітного полів. Тобто електро­магнітна хвиля — це сукупність двох поперечних взаємно перпендикулярних хвиль: електричної (утвореної коливанням вектора напруженості електричного поля Е) і магнітної (утвореної коливанням вектора магнітної індукції В), що переміщуються вздовж спільної прямої г, яка є світловим променем.

Промінь (світло), електричні коливання якого здійсню­ються весь час лише в одній площині, називають плоско-поляризованим променем (світлом). Зрозуміло, що при цьому магнітні коливання здійснюються в іншій (перпен­дикулярній) площині, названій площиною поляризації.

Досвід показує, що хімічна, фізіологічна та інші види впливу світла на речовину обумовлені головним чином електричними коливаннями. Враховуючи це, а також для спрощення малюнків, які зображають світлову хвилю (чи промінь), ми будемо надалі говорити лише про електричні коливання, а площину, в якій вони здійснюються, нази­вати площиною світлових коливань, або просто площиною

коливань. Тоді промінь плоскополяризованого світла мож­на схематично зображати так, як показано на малюнку 123, а (промінь перпендикулярний до площини малюнка; вектори відповідають амплітудним значенням напруже­ності електричного поля ).

Будь-яке реальне джерело світла складається з безлічі атомів, які випускають світлові хвилі з усіма можливими орієнтаціями площини коливань. Ці хвилі накладаються одна на одну, в ревультаті чого будь-якому променю, випущеному природним джерелом світла, відповідатиме безліч різноманітно орієнтованих площин коливання (мал. 123, б). Такий промінь (світло) є неполярваомним і називається природним. Бувають випадки,_колж у світло­вого променя амплітудні значення вектора Е виявляються неоднаковими для різних площин коливання; такий про­мінь називають частково поляризованим. На малюнку 123, в зображено частково поляризований промінь, в якого коливання здійснюються переважно у вертикальній площині.

Але як переконатися на досліді в тому, що світлові хвилі справді поперечні?

Явища інтерференції і дифракції не дають відповіді на питання про напрям коливань у хвилі. Однак для по­перечних хвиль характерним є явище поляризації, яким і можна скористатися для доведення поперечності світлових хвиль. Щоб з'ясувати суть явища поляризації, розглянемо таку механічну аналогію.

Прикладом поперечних механічних коливань можуть служити коливання мотузки, яку розгойдують з одного кінця. Хвилі біжать вздовж мотузки, а коливання здійсню-

ються в перпендикулярному до неї напрямі. Хвилі, що біжать мотузкою, вільно проходитимуть через щілину (мал. 124, а, б). Якщо повернути щілину на 90°, то коли­вання припиняються, тобто ніби гасяться (мал. 124, в). Легко зрозуміти, що на поширення поздовжніх хвиль положення щілин аж ніяк не впливає.

Якщо в поперечних хвилях одночасно відбуваються коливання в різних напрямах у площині, перпендикуляр­ній до променя, то щілина пропускатиме хвилі тільки з коливаннями, паралельними їй. Інакше кажучи, щілина перетворюватиме неполяризовата хвилі в плоскополяри-

зовані.

Щоб в'ясуват, чж є світлова хвиля поперечною, треба знайтщ для світлових хвиль пристрій, який міг би вико­нувати роль вказааш жжще и^ідштид тобто інинвшядонси неполяризовану світлову хвилю. Для аналізу характеру світлових коливань розглянута щілина, звичайно, непри­датна. Але властивості такого роду мають кристали деяких речовин, зокрема, кристали турмаліну. Варшаві з них певним чином плоскопаралельні шгастнвкж ждаггні про­пускати світлові коливання лише певного напряму.

Природні джерела світла вштроигінютоть неполяржшо-вані хвилі. Для підтвердження цього скористаємося двома турмаліновими пластинками (мал. 125). Оскільки турма­лінова пластинка пропускає світлові тгпттттамтш лише одного напряму (на малюяжу цей напрям показано стріл­кою АВ), то світлова хвиля після проходження першої пластинки виявиться плоскополяризованою. Коливання

в цій хвилі здійснюватимуться тільки в одному напрямі — паралельному АВ (мал. 125, а).

Переконатися в цьому можна за допомогою другої турмалінової пластинки. Якщо розмістити її так, щоб на­прями світлових коливань АВ, які пропускаються першою пластинкою, і , які пропускаються другою пластин-

кою, були паралельними один одному (мал. 125, б), то друга пластинка пропускає без змін світлову хвилю, яка пройшла через першу пластинку, і око бачить світло. Але якщо пластинки розмістити так, щоб напрями коливань АВ і виявилися перпендикулярними один до одного

(мал. 125, в), то друга пластинка повністю гаситиме коливання, які пройшли через першу пластинку. За другу пластинку світло не проходить і око не побачить світла. Повертаючи другу пластинку турмаліну навколо променя SO, можна змінювати інтенсивність світла, яке поширює­ться у напрямі SO, від максимального значення (положен­ня а) до повного гасіння світла (положення в).

Розглянутий дослід підтверджує, що світлові хвилі є хвилями поперечними і разом з тим вказує на наявність у природі речовин (турмалін), здатних пропускати світлові коливання лише певного напряму, тобто речовин, здатних поляризувати світло.

В останні роки для поляризації світла широко засто­совуються так звані поляроїди (поляризаційні фільтри). Поляроїд — це прозора полімерна плівка товщиною близь­ко 0,1 мм, на яку нанесена велика кількість орієнтованих зовсім однаково дрібних штучних кристаликів герапатиту.

Поляроїди знаходять широке застосування в різнома­нітних галузях господарства країни. Згадаємо цікаве застосування поляроїдів на автотранспорті для захисту водіїв від засліплення світлом фар зустрічних автомобілів. На вітрове скло і скло фар наклеюються поляроїдні плівки так, що площини їх поляризації утворюють кут 45° з го­ризонтом і паралельні одна одній. Водій, дивлячись на дорогу через поляроїд, бачить відбите світло фар свого автомобіля, тобто бачить освітлену ним дорогу, але не ба­чить світла від фар зустрічного автомобіля, забезпеченого також поляроїд ними плівками. Неважко переконатися, що в останньому випадку площини поляризації будуть взаємно перпендикулярними. Завдяки цьому водій вияв­ляється захищеним від засліплюючої дії фар зустрічного автомобіля.

Розчини деяких речовин здатні повертати площину поляризації світла під час його проходження через розчин, причому кут повороту площини поляризації залежить від концентрації речовини в розчині. Ця властивість викори­стовується в будові так званих поляриметрів — приладів для визначення концентрації речовини. Особливо широко використовуються поляриметри для визначення концен­трації цукру в розчині. У цьому випадку їх називають цукрометрами.

В машинобудуванні і будівель­ній техніці явище поляризації світла використовується для ви­вчення механічних напруг у прозо­рих тілах. Якщо паралельно роз­містити два поляроїди (аналізатор і поляризатор), вставити між ними прозоре тіло, наприклад, пластину з органічного скла, і освітити їх, то на екрані буде видно лише контури пластини. При деформації пласти-

ни її оптична однорідність порушується і на екрані виникає барвиста картина виниклих деформацій (мал. 126). Оскільки в техніці застосовуються звичайно непрозорі матеріали (метали), то дослідження напруг здійснюють на прозорих моделях, а потім роблять відповідний перерахунок на проектовану конструкцію.

? 1. Чим відрізняється пржродне світло мд поляризованого? 2. Пояс­нити qrngny» т п\ч я рим ції світла.

Дисперсія світла

Заломлення світла на межі розділення двох середовищ пояснюється різницею у швидкостях поширення світла в цих середовищах- Показник заломлення показує, у скіль­ки разів швидкість світла в одному середовищі більша чи менша від швидкості світла у другому середовищі. З дру­гого боку, явища інтерференції і дифракції свідчать про те, що кожному кольору світлових променів відповідає

певна довжина хвилі. Тоді з відомої формули >.= — випли­ває, що швидкість поширення світла в речовині повинна залежати від частоти світла v. Спробуємо з'ясувати цю залежність на досліді.

Спрямуємо вузький пучок білого світла на одну з гра­ней тригранної призми. Заломившись у призмі, пучок дає на екрані видовжене зображення щілини з яскравим рай­дужним чергуванням кольорів — спектр. Крайніми з бо­ку заломлюючого ребра призми розташовуються промені червоного світла. Поряд з ними будуть промені оранжеві, потім жозті, далі зелені, сині, і, нарешті, фіолетові (з боку основи призми).

Поставимо на шляху променів, які пройшли через пер­шу призму, другу таку саму призму, розміщену паралельно першій, але повернуту її заломлюючим кутом у проти­лежний бік. Ми дістанемо знову пучок білого світла. Такі досліди були проведені у свій час Ісааком Ньютоном, який прийшов до висновку, що біле світло має складну структу­ру і складається із світла різних кольорів. Ньютон умовно поділив суцільний спектр на сім ділянок різних кольорів: червоний, оранжевий, жовтий, зелений, голубий, синій і фіолетовий. Другий важливий висновок, до якого при­йшов Ньютон, полягає в тому, що світло різного кольору характеризується різними показниками заломлення в да-

ному середовищі. Найбільший показник заломлення в склі мають фіолетові промені, найменший — червоні. Але ми знаємо, що різні показники заломлення обумовлені різни­ми швидкостями поширення хвиль. Тому можна сказати, що світло різного кольору має різну швидкість поширення в даному середовищі.

Залежність показника заломлення (а, отже, і швидкості світла) від його кольору називають дисперсією світла. Як показали дослідження, дисперсія або залежність показ­ника заломлення від частоти світла характерна для всіх речовин, крім вакууму.

Що ж є причиною дисперсії світла в різних речовинах? Елементарне пояснення дисперсії світла можна дати на основі електромагнітної теорії світла і електронної теорії будови речовини. Для цього треба розглянути процес взаємодії світла з речовиною. Під час проходження елек­тромагнітної хвилі через діелектрик на кожен електрон діє електрична сила, яка змінюється за законом

. Під дією цієї сили електрони в атомам здійс­нюватимуть вимушені коливання. Коливання електронів є джерелом вторинних хвиль, які накладаються на пер­винні хвилі. Вторинні хвилі внаслідок інерції електронів дещо запізнюються в часі і, накладаючись на первинні хвилі, дають результуючі хвилі з відставанням за фазою порівняно з первинними. Зсув фаз між первинною і ре­зультуючою хвилями залежить від частоти коливань напруженості електромагнітного поля Е, тобто світло різних довжин хвиль матиме різні швидкості поширення v в речовині, а отже, і різні значення показника залом­лення, оскільки показник заломлення

Дисперсія, при якій показник заломлення зростає з підвищенням частоти світла, називають нормальною. Спектр, який дістають у результаті дисперсії, називають

дисперсійним.

Нормальна дисперсія видимих променів спостеріі-аь-ться у всіх прозорих безбарвних діелектриках: пва-лд, склі, воді тощо. Мірою дисперсії, тобто величиною, що

ПОКазуе, ЯКОЮ МІРОЮ рОЗХОДЛТЬСЯ ПРИ ЗаЛОМЛеННІ ГірО*£ЄйІ

в спектрі, служить так азана середня дисперсія, яка є різ­ницею показників заломлекнл для двох довжин хвиль, що відповідають голубій і і червоній

лініям водневого спектра:

Розкладанням білого світла на кольори внаслідок за­ломлення пояснюється виникнення райдуги. HejL&.^v«на

завислу у повітрі водяну краплю падає сонячний промінь (мал. 127). На межі повітря — вода відбувається залом­лення променів. При певному куті падіння на внутрішній поверхні краплі відбувається повне відбивання променів всередину краплі. Відбиті промені, заломлюючись повтор­но на межі вода — повітря, виходять з краплі. Оскільки фіолетові промені заломлюються більше, ніж червоні, то після виходу з краплі вони розходяться: червоні промені утворюють з падаючим променем кут близько 43°, а фіо­летові — 41°.

Сонячні промені можна вважати паралельними. Тоді виходить, що від краплинок, які знаходяться на по­верхні конуса з кутом при вершині , в око спостерігача потраплятимуть червоні промені, а від кра­пель з поверхні конуса з кутом при вершині — фіолетові промені. Решта кольорів райдуги розміщуються між ними.

Знаючи складну структуру білого світла, можна пояс­нити походження різноманітних барв у природі, кольори різних тіл. Колір непрозорого тіла визначається сумішшю променів тих кольорів, які воно відбиває. Якщо тіло рівно­мірно відбиває промені всіх кольорів, то при освітленні білим світлом воно здається білим. Червоне тіло з падаю­чого на нього білого світла відбиває, головним чином, червоні промені, а решту поглинає; голубе тіло відбиває голубі і т. д.

Колір прозорих тіл визначається складом того світла, яке проходить через це тіло. Якщо, наприклад, трава й листя дерев здаються нам зеленими тому, що з усіх падаючих на них сонячних променів вони відбивають лише

зелені* то зелений колір скла обумовлений тим, що воно пропускає промені лише зеленого кольору, а решту поглинає.

1 1. Чим пояснюється розкладання білого світла на кольорові про­мені? 2. Що називають дисперсією світла? 3. Якщо на скляну призму спрямувати промінь червоного чи зеленого світла, то чи буде спостеріга­тися розкладання цього світла на якісь кольорові промені?

Спектроскоп

На використанні явища нормальної дисперсії грунтує­ться дія призмових спектроскопів і спектрографів. Принципова схема такого спектроскопа зображена на малюнку 128.

Від щілини коліматора А, розміщеної у фокусі коліма-торної лінзи, на лінзу падає розбіжний пучок світла. Внаслідок заломлення в коліматорній лінзі цей пучок перетворюється на паралельний і падає на призму П (або на дифракційну решітку). Змінивши напрям у призмі (або дифракційній решітці), промені виходять так, що пара­лельними один одному залишаються лише промені однієї частоти (одного кольору).

Потрапляючи через об'єктив у зорову трубу В_у всі пара­лельні промені дають зображення щілини у фокальній площині об'єктива, а оскільки промені різних частот (кольорів) паралельні різним побічним осям, кожне зобра­ження щілини (лінія певної частоти) буде на певному місці спектра. Таким чином, частота тієї чи іншої лінії ви­значається не її кольором, що суб'єктивно і наближено, а місцем у спектрі, яке можна дуже точно зафіксувати.

Через окуляр зорової труби В розглядають уявне, збіль­шене і пряме зображення спектра. Якщо спектроскоп при­значений для вимірювань, то на зображення спектра за допомогою спеціального пристрою накладається зобра­ження шкали з поділками, що дає змогу точно установити положення кольорових ліній у спектрі.

При дослідженні спектрів часто буває доцільним сфотографувати його, а потім за допомогою мікроскопа вивчати. У цьому випадку в фокальну площину об'єктива зорової труби поміщають світлочутливу пластинку або плівку. Такий прилад називають спектрографом.

Чим більшу дисперсію має скло призми, тим більше розширюється спектр. З різних сортів скла найбільшу дисперсію має важке скло — флінт. Для дослідження різних частин спектра застосовують призми з різних речовин. Вибір речовини визначається як дисперсією, так і прозо­рістю. Для ідфріатсудтпг променів застосовують призми з кам'яної солі, оскільки скло непрозоре для довгохви­льових інфрачервоних променів; для «д*»—* цртврмів застосовують звичайні скляні пркзапж і, нарешті, для ультрафаолетознх променів — кварцеві і флюоритові призми. У тих випадках, коли треба дістати дуже широкий спектр, застосовують замість однієї призми ряд ярюм, поставлених одна «і одною.

Завдяки ні і дивп і ній дисверсії щмамвіямц спектри завжди більше рашввфеш в частиш коротких хвжль, наприклад, у фіоашмйй чвешгі ширяв, ніж у «цівшііи У цьому ршцвмЬиі дифракційні спектри мають перед ними перевагу* оскіаиьвж розширені ришоагірвю в усіх дозжжнжх

ХВИЛЬ.

Спектри випромінювання

Світло Сонця, електрячиої дуги чи лампочки розжарю­вання роаклвдмаься призмою в суцільну різнобарвну смужку а шеперервшам переходом оддати евектрального кольору в fa—і», «обіо виникає яеперервювй (або суціль­ний) ішлиір. Иііи'цгршІї іч» спектра свідчить яро те, що в сонячвивму світлі (світлі лампочки чи дуги) присутні

коливаявш усіх можливих частот (довжин хвиль).

Досліди показують, що неперервний (суцільний) спектр випромінюють розжарені тверді й рідкі тіла. Гази можуть випромінювати неперервний спектр у тому випадку., коли

перебувають під великим тиском. Ця обставина свідчить про те, що існування неперервного спектра обумовлене не тільки властивостями окремих випромінюючих атомів, а й значно залежить від взаємодії атомів між собою. Адже у твердих тілах і рідинах атоми взаємодіють дуже сильно порівняно з газами. Однак при великих тисках взаємодія атомів починав проявлятися і у газах.

Бліде полум'я газового пальника чи спиртівки дає ледь помітний неперервний спектр (чому?). Внесемо в це полум'я шматочок азбесту, змоченого розчином кухонної солі. На фоні ледь помітного неперервного спектра полум'я спалахує яскрава жовта лінія. Виникнення цієї лінії пояснюється тим, що в полум'ї пальника кухонна сіль випаровується, її молекули розшдплюготься на атоми натрію і хлору, і атоми натрію випромінюють жовте світло. Аналогічно можна спостерігати спектри випромінювання кальцію, стронцію, літію та інших елементів. Для цього в полум'я пальника вводяться шматочки азбесту, змочені в розчинах відповідних солей. Речозини, випаровуючись у полум'ї пальника, дають спектр у вигляді кольорових ліній різної яскравості, розділених широкими темними смугами. Такі спектри називають лінійчастими. Випро­мінювання лінійчастого спектра свідчить про те, що атоми речовини випромінюють світло лише цілком певних частот.

Лінійчасті спектри газів можна спостерігати, змусивши газ світитися в електричному полі. Якщо до щілини спект­роскопа піднести впритул трубку з воднем, увімкнуту до високовольтного трансформатора, то побачимо спектр водню у вигляді червоаої, голубої, синьої і фіолетової яскравих ліній. Аналогічно можна спостерігати спектр гелію, аргону, неону та інших газів.

Вивчення лінійчастих спектрів різних речовин пока­зало, що лінійчасті спектри випромінюють усі речовини в газоподібному атомарному (але не молекулярному) стані, причому кожен хімічний елемент дає свій ліній­частий спектр, який не збігтеться із спектрами інших елементі*.

Якщо речовина перебуває в газоподібному стані, але складається з молекул, а не з атомів, то вона дає смугастий спектр у вигляді ряду світлих смуг, розділених темними проміжками. В дуже точний спектроскоп видно, що кожна смуга складається з великої кількості щільно розміщених ліній.

Спектри поглинання

Вище говорилося про те, що прозорі тіла поглинають частину світла, яке на них падає. Якщо біле світло про­пустити через таку речовину, а потім спрямувати на щіли­ну спектроскопа, то в суцільному спектрі білого світла з'являються темні лінії або смуги поглинання. Такий спектр називають спектром поглинання. Для різних речо­вин вигляд спектра поглинання буде різним — темні смуги чи лінії поглинання виникають у різних місцях суцільного спектра, мають неоднакову ширину.

Особливо великий інтерес становить вивчення спектрів поглинання одноатомних газів, що випромінюють ліній­часті спектри. Які промені поглинатиме такий газ, якщо через нього пропустити біле світло? Відповісти на це запитання можна, виконуючи дослід.

Спочатку дістанемо спектр натрію на екрані у вигляді яскравої жовтої смуги. Потім через полум'я пальника спрямуємо на призму пучок світла від проекційного ліх­таря. При наявності в полум'ї пальника кухонної солі на екрані видно неперервний спектр електричної дуги (або лампочки розжарювання) з темною лінією якраз у тому місці, де була яскрава жовта лінія натрію (мал. 129). Виникнення цієї лінії пояснюється тим, що атоми натрію з усіх променів електричної дуги поглинають лише ті, які вони самі здатні випромінювати. (Причину такого погли­нання світла атомами газу ^пояснимо пізніше.)

Таке саме «обернення» спектральних ліній спостері­гається у спектрах випромінювання та поглинання газів і пари багатьох інших хімічних елементів. Пара чи гази поглинають випромінювання лише тих довжин хвиль, які вони самі можуть випромінювати.

Саме за спектрами поглинання Сонця і зір можна дослі­джувати хімічний склад цих небесних тіл. Поверхня Сонця, яка яскраво світиться,— фотосфера з температурою близько 6000 °С дає неперервний (суцільний) спектр. Це випромінювання проходить через холоднішу (2000— 3000 °С) атмосферу Сонця. Атмосфера Сонця поглинає із суцільного спектра фотосфери світло певних частот, що приводить до появи майже 20 000 ліній поглинання на фоні неперервного спектра фотосфери. За цими лі­ніями поглинання було встановлено, що в хромосфері Сонця є водень, кальцій, натрій, залізо та інші хімічні елементи.

Під час сонячних затемнень, коли видно лише сонячну корону, відбувається «обернення» ліній спектра: на місці ліній поглинання у спектрі фотосфери спалахують лінії випромінювання у спектрі корони.

Спектральний аналіз

Кожен хімічний елемент має свій характерний лі­нійчастий спектр випромінювання. Лінійчастий спектр речовини складається з лінійчастих спектрів хімічних елементів, які входять до її складу. Тому за лінійчастим спектром речовини можна визначити, які хімічні елементи входять до її складу. Такий метод визначення хімічного складу речовини називають спектральним аналізом.

Спектральний аналіз широко використовується в різ­них галузях науки і техніки. Він надзвичайно чутливий, дає змогу виявити присутність мільйонних часток мілі­грама хімічного елемента в речовині, причому кількість досліджуваної речовини, необхідної для проведення спект­рального аналізу, також дуже незначна (часто достатньо ). У цьому полягає одна з його переваг перед звичайними хімічними методами аналізу. Друга перевага спектрального аналізу та, що за його допомогою можна визначити хімічний склад тіл, які знаходяться на будь-якій великій відстані, необхідно лише, щоб промені від них потрапляли в спектральний апарат. Тому цей метод широко використовується в астрономії для визначення хімічного складу Сонця, зір, їхньої температури, руху в просторі тощо.

Спектральний аналіз газів і пари можна проводити і за спектрами поглинання. У попередньому параграфі гово­рилося про визначення хімічного складу сонячної корони

за спектром поглинання Сонця. Спектри поглинання ши­роко використовуються для дослідження будови речовин і для технічного контролю складу речовин на виробництві.

Зараз визначено спектри усіх хімічних елементів і скла­дено спеціальні таблиці чи атласи спектральних ліній, в яких приведено точне розміщення ліній спектра кожного хімічного елемента, або відповідні їм довжини хвиль. Цими таблицятяи чи атласами користуються під час прове­дення спектрального аналізу. В деяких випадках спект­ральний аналіз виконують, порівнюючи спектри досліджу­ваного матеріалу і еталонного спектра зразка з відомим вмістом хімічних елементів.

За останні десятиріччя розвинувся кількісний спект­ральний аналіз, який грунтується на тому, що від кон­центрації елемента в досліджуваній речовині залежить інтенсивність його спектральних ліній. Порівнюючи їх з інтенсивністю спектральних ліній спеціальної еталонної таблиці, можна визначити процентний вміст даного елемента в досліджуваному зразку.

? 1. Які існують види спектрів випромінювання? Як їх можна одержати? 2. Який спектр випромінює розжарений шматок заліза? розплавлене залізо? пара заліза? 3. Як можна дістати лінійчастий спектр речовини? 4. У чому перевага спектрального аналізу порівняно з хімічними методами аналізу?

Поглинання світла

Електромагнітна теорія світла зв'язала між собою оптичні й електричні властивості тіл. Зокрема, вона по­яснила, чому діелектрики прозорі, а метали, навпаки, практично непрозорі для світла.

Під час проходження електромагнітної хвилі через речовину частина енергії хвилі витрачається на збудження коливань електронів. Коливаючись, електрони випромі­нюють вторинні хвилі тієї самої частоти. В результаті інтерференції падаючої хвилі з вторинною в середовищі виникає хвиля з амплітудою, іншою, ніж амплітуда па­даючої хвилі. Оскільки інтенсивність є величина, прямо пропорційна квадратові амплітуди, то відповідно змінює­ться й інтенсивність випромінювання, яке поширюється в середовищі; інакше кажучи, не вся поглинута атомами і молекулами середовища енергія повертається у вигляді

випромінювання — відбувається поглинання світла. По­глинута енергія може перетворитися в інші види енергії. Збуджені атоми й молекули взаємодіють і стикаються одні з одними. Під час цих зіткнень енергія коливань електрично заряджених частинок всередині атомів може переходити в енергію зовнішнього хаотичного руху атомів у цілому. В металах електромагнітна хвиля приводить в коливальний рух вільні електрони, які потім під час зіткнень віддають нагромаджену енергію іонам криста­лічної решітки і тим самим нагрівають останню. У деяких випадках енергія, поглинута молекулою, концентрується на певному хімічному зв'язку і повністю витрачається на розривання цього зв'язку (фотохімічні реакції, тобто реакції, які відбуваються за рахунок енергії світлової хвилі).

Зменшення енергії світлової хвилі, яке відбувається в міру проникнення її вглиб речовини, дістало назву поглинання світла.

Прозорість діелектриків пояснюється тим, що в них від­сутні вільні електрони. Під час проходження через діелек­трик світлові хвилі можуть викликати лише коливання зв'язаних в атомах електронів, при якому не відбувається втрат енергії світлової хвилі. Поглинання діелектриків є великим лише в областях резонансу, тобто там, де час­тота падаючої хвилі наближається до власної частоти коливань електронів в атомах.

На відміну від діелектриків провідники непрозорі і ха­рактеризуються великим поглинанням, причому майже у всіх частинах спектра. Уже при товщині металевої пла­стинки порядку десятих часток міліметра метали зовсім непрозорі.

З великим поглинанням світла всередині металів тісно зв'язаний їх великий коефіцієнт відбивання світла. Якщо для скла коефіцієнт відбивання від поверхні дорівнює 4 %, то для металів він досягає 80—90 %.

При значній оптичній неоднорідності середовища (пи­линки^ флуктуації густини) певна частина електромагніт­них хвиль, випромінюваних назад збудженими атомами і молекулами, є некогерентною відносно падаючих хвиль і розсіюється у всі боки. Внаслідок такого розсіювання енергія падаючого пучка світла поступово зменшується, так само, як і при необоротному переході енергії збудже­них атомів в інші види енергії.

Досліди, проведені ще в XVIII ст. П. Бугером та І. Ламбертом, показали, що поглинання світла зростав

в геометричній прогресії при збільшенні товщини погли­наючого шару в арифметичній прогресії, і встановили емпіричну формулу, яка зв'язує інтенсивність світла / з товщиною пройденого шара х:

(62.1)

де — Інтенсивність падаючого світла, а а — константа, характерна для речовини.

Величина а носить назву коефіцієнта поглинання. Він залежить лише від довжини хвилі падаючого світла, хімічної природи і стану речовини. Важливо підкреслити, що коефіцієнт поглинання не залежить від інтенсивності світла, а значить і від товщини поглинаючого шару. Його фізичний зміст легко установити, записавши рівнян­ня (62.1) у такому вигляді:

Якщо при товщині шару x=d відношення , то

. Таким чином, коефіцієнт поглинання чисельно до­рівнює одиниці, поділеній на товщину шару речовини, під час проходження через який інтенсивність світла змен­шується в раза. Незалежність сс від х означає, що відносне послаблення і