Лекция 5 Взаимодействие света с веществом. Явление дисперсии света План лекции


Скачать 87.93 Kb.
НазваниеЛекция 5 Взаимодействие света с веществом. Явление дисперсии света План лекции
Дата публикации28.03.2014
Размер87.93 Kb.
ТипЛекция
vb2.userdocs.ru > География > Лекция
Лекция 5

Взаимодействие света с веществом.

Явление дисперсии света
План лекции:

  1. Дисперсия света. Виды дисперсии.

  2. Основы электронной теории дисперсии света. Формула дисперсии.

  3. Дисперсионный спектр.

  4. Применение дисперсии.

  5. Спектры испускания и спектры поглощения.


Введение
Почти все оптические явления в той или иной степени обусловлены взаимодействием света с веществом. Это предопределено электрической природой вещества и электромагнитной природой света. В одних случаях (дифракция, преломление, отражение) механизм такого взаимодействия несущественен для описания явления, в других – молекулярный подход важен не только для объяснения природы явления, но и для получения информации о строении вещества.
^ Вопрос 1. Дисперсия света. Виды дисперсии
Дисперсия света
Если пропустить пучок белого света через стеклянную призму, то на экране возникает полоска с непрерывно меняющейся окраской, которая называется призматическим или дисперсионным спектром.

Разложение белого света в спектр при прохождении через призму – проявление дисперсии.

Дисперсией называют зависимость скорости распространения световых волн в среде (т.е. показателя преломления среды) от частоты (длины волны) света: 
(1)
Почему же белый свет, проходя через призму, разлагается в спектр?

С точки зрения волновой теории всякий колебательный процесс можно характеризовать частотой колебаний, амплитудой и фазой. Амплитуда колебаний (точнее, ее квадрат) определяет энергию колебаний. Фаза играет основную роль в явлениях интерференции. Цвет всех лучей связан с длиной волны. Дисперсия света характерна для всех сред, кроме вакуума.

В вакууме скорость распространения ЭМВ любой длины одна и та же –  м/с, а в веществе зависит от длины волны. Поэтому отличаются показатели преломления  для различных волн, входящих в состав белого света.

Проходя через призму, составные части белого луча испытывают различное преломление и выходят расходящимся цветным пучком.

Явление дисперсии света наблюдается не только при прохождении света через призму, но во многих других случаях. Так, например, преломление солнечного света в водяных каплях, образующихся в атмосфере, сопровождается разложением его на цветные лучи; этим объясняется образование радуги.
Виды дисперсии
Опыт показывает, что для большинства веществ показатель преломления n уменьшается с увеличением (табл.1).

Дисперсию такого рода называют нормальной:
(2)
Кривая зависимости  (рис.1) – кривая дисперсии – показывает, что зависимость нелинейная.



рис.1
Показатель преломления стекла в области коротких волн изменяется быстрее, чем в области длинных.

В парах йода и некоторых жидкостях наблюдается аномальная дисперсия:

(3)
n убывает с уменьшением длины волны . На рис. 2 сплошной линией показана зависимость , где AB и CD – области нормальной дисперсии, BC – аномальной.


рис.2
^ Аномальная дисперсия наблюдается в тех интервалах длин волн, где происходит сильное поглощение света, что затрудняет ее исследование. Именно поэтому аномальная дисперсия была обнаружена спустя почти 100 лет после первых работ Ньютона по дисперсии.
^ Таблица 1. Коэффициент преломления некоторых веществ в зависимости от длины волны

λ, мкм

n

флюорит

кварц

каменная соль

0,2

1,6

3,2

1,50

1,43

1,41

1,65

1,53

1,47

1,75

1,53

1,51


Вопрос 2. Основы электронной теории дисперсии света. Формула дисперсии (к.с.р.)
Классическая теория дисперсии света исходит из представлений о взаимодействии ЭМВ (света) с системой заряженных частиц, которые входят в состав атомов и молекул этого вещества.

Поскольку атомы и молекулы сами могут являться источниками электромагнитных колебаний, они остаются безучастными, когда на них воздействует внешняя ЭМВ (свет).

В веществе возникают вынужденные электромагнитные колебания. Атомы начинают излучать ЭМВ, которые накладываются на внешнюю волну. Частоты вынужденных колебаний совпадают с частотой внешней волны, но их фазы могут отличаться от фазы внешней волны (в зависимости от структуры частиц вещества, от них ориентации и т.д.).

Это приводит к тому, что скорости прохождения суммарных электромагнитных волн через данное вещество при различных частотах будут неодинаковыми.

Максвелл показал, что , где  - диэлектрическая и магнитная проницаемости веществ. В результате вынужденных колебаний молекул среды изменяется поляризуемость молекул и, соответственно, 
^ Формула дисперсии:
 (4)
заряд электрона;

его масса;

круговая частота собственных колебаний  - го электрона;

концентрация молекул;

постоянная вакуума ();

 круговая частота вынужденных колебаний.
Из (4) видно, что показатель преломления зависит от частоты ЭМВ, причем дисперсия отрицательная (нормальная дисперсия); с увеличением частоты (уменьшением ) показатель преломления возрастает.

В упрощенной формуле (4) поглощение ЭМВ веществом и аномальная дисперсия соответствуют резонансному условию: . При наличии в веществе электронов с разными частотами  собственных колебаний будет несколько линий поглощения (аномальная дисперсия).
Вопрос 3. Дисперсионный спектр
Как указывалось выше, дисперсионный спектр – это совокупность разноцветных полос.

Наиболее отчетливо дисперсионный спектр обнаруживается при преломлении света в веществе, имеющем клинообразную форму, например в призме.

На рис.3 показана дисперсия света в стеклянной призме.



Так как стекло обладает нормальной дисперсией, то угол отклонения для фиолетового луча () больше, чем для красного (). Угол D между лучами, соответствующим крайним цветам дисперсионного спектра, называется углом дисперсии, от него зависит ширина спектра.

Из формулы угла отклонения , (где – преломляющий угол призмы) следует, что
(5)
где - показатели преломления призмы для фиолетового и красного цветов. Разность  обычно служит количественной характеристикой дисперсии. Порядок расположения составных цветов в спектре призмы и в спектре дифракционной решетки различен.

В дифракционной решетке синус угла отклонения пропорционален длине волны.

В результате красные лучи, имеющие большую длину волны, отклонятся дифракционной решеткой сильнее, чем фиолетовые лучи. В призме же коэффициент преломления в прозрачных веществах падает с увеличением длины волны. Коэффициент преломления красных лучей меньше, чем фиолетовых, поэтому призма отклоняет их слабее, чем фиолетовые.

Подытожим различия:

  1. Так как функция  нелинейная, то дисперсионный спектр не равномерный, он сжат в красной области и растянут в фиолетовой. Дифракционный спектр растянут равномерно во всех областях.

  2. В дисперсионном спектре большее отклонение от первоначального направления испытывают фиолетовые лучи, в дифракционном – красные;

  3. В дифракционном спектре наблюдается несколько порядков спектра, в дисперсионном – один порядок спектра.

^ Вопрос 4. Применение дисперсии
Явление дисперсии лежит в основе устройства призменных спектральных приборов: спектроскопов и спектрографов, которые служат для получения и наблюдения спектров. Ход лучей в простейшем спектрографе показан на рис.4.


рис.4
Освещаемая источником света щель , помещенная в фокусе линзы  коллиматора, посылает на эту линзу пучок расходящихся лучей, которые линза  (коллиматорный объектив) обращает в пучок параллельных лучей.

Эти параллельные лучи, преломляясь в призме, распадаются на лучи света разного цвета (т.е. разной ), которые собираются камерной линзой  (камерным объективом) в ее фокальной плоскости и вместо одного изображения щели получается целый ряд изображений. Каждой частоте соответствует свое изображение. Совокупность этих изображений и представляет собой спектр. Спектр можно наблюдать через окуляр, используемой в качестве лупы. Такой прибор называют спектроскопом. Если нужно получить фотографию спектра, то фотопластинку помещают в фокальной плоскости камерного объектива. Прибор для фотографирования спектра называют спектрографом.
^ Вопрос 5. Спектры испускания. Спектры поглощения
Спектр испускания
Если свет от раскаленного твердого тела пропустить через призму, то на экране за призмой получим непрерывный сплошной спектр испускания.

Если источником света является газ или пар, то картина спектра существенно меняется. Наблюдается совокупность ярких линий, разделенных темными промежутками. Такие спектры называются линейчатыми. Примерами линейчатых спектров могут служить спектры натрия, водорода и гелия.

^ Вид спектров светящихся газов зависит от химической природы газа.

Каждый газ или пар дает свой, характерный только для него спектр. Поэтому спектр светящегося газа позволяет сделать заключение о его химическом составе. Если источником излучения служат молекулы вещества, то наблюдается полосатый спектр.
Спектр поглощения
Все три вида спектров – сплошной, линейчатый и полосатый – являются спектрами испускания.

Помимо спектров испускания существуют спектры поглощения, которые получают следующим образом.

Белый свет от источника пропускают через пары исследуемого вещества и направляют на спектроскоп или иной прибор, предназначенный для исследования спектра.

В этом случае не фоне сплошного спектра видны темные линии, расположенные в определенном порядке. Их число и характер расположения позволяют судить о составе исследуемого вещества.

Например, если на пути лучей находятся пары натрия, на сплошном спектре возникает темная полоса в том месте спектра, где должна была располагаться желтая линия спектра испускания паров натрия.

Рассмотренное явление было объяснено Кирхгофом, показавшим, что атомы данного элемента поглощают те же световые волны, которые они сами испускают.

Чтобы объяснить происхождение спектров, необходимо знать строение атома. Эти вопросы будут рассмотрены в дальнейших лекциях.

Литература:

  1. И.И.Наркевич и др. Физика.- Минск: Изд-во “ООО Новое знание”, 2004.

  2. Р.И.Грабовский. Курс физики.- СПб.- М.- Краснодар: Изд-во “Лань”, 2006.

  3. В.Ф.Дмитриева. Физика.- М.: Издательство “Высшая школа”, 2001.

  4. А.Н.Ремизов. Курс физики, электроники и кибернетики.- М.: Изд-во “Высшая школа”, 1982

  5. Л.А. Аксенович, Н.Н.Ракина. Физика.- Минск: Издательство “Дизайн ПРО”, 2001.

Похожие:

Лекция 5 Взаимодействие света с веществом. Явление дисперсии света План лекции iconЛекция №4 Дифракция света План лекции
Явление дифракции механических волн проявляется в том, что волны огибают препятствия
Лекция 5 Взаимодействие света с веществом. Явление дисперсии света План лекции iconЛекция № Поглощение света. Рассеяние света. План лекции
Вопрос Поглощение света. Законы Бугера, Бугера-Ламберта и Бугера-Ламберта-Бера
Лекция 5 Взаимодействие света с веществом. Явление дисперсии света План лекции iconПлан лекции: Электромагнитная природа света Интерференция света....
Это позволило в 70-х годах 19 века Максвеллу создать электромагнитную теорию поля. Максвелл рассчитал скорость распространения эмв...
Лекция 5 Взаимодействие света с веществом. Явление дисперсии света План лекции iconЛекция №7 Поляризация света План лекции
Эвм, т е совокупность двух поперечных взаимно перпендикулярных волн – электрической (образованной колебанием вектора напряженности...
Лекция 5 Взаимодействие света с веществом. Явление дисперсии света План лекции iconЗаконы преломления света
Полное (внутреннее) отражение света. Предельный угол полного отражения. Световоды
Лекция 5 Взаимодействие света с веществом. Явление дисперсии света План лекции iconAnnotation в другом переводе название звучит как «Валет из страны...

Лекция 5 Взаимодействие света с веществом. Явление дисперсии света План лекции iconЗакон прямолинейного распространения света. Световые лучи. Принцип Ферма
Оптика (от греч оptike наука о зрительных восприятиях) является разделом физики, в котором изучаются процессы излучения света, его...
Лекция 5 Взаимодействие света с веществом. Явление дисперсии света План лекции iconКнига воина света» Пауло Коэльо Книга воина света «
Пауло Коэльо помогает каждому из нас обнаружить в себе своего собственного воина света. Короткие вдохновляющие притчи приглашают...
Лекция 5 Взаимодействие света с веществом. Явление дисперсии света План лекции iconКнига воина света» Пауло Коэльо Книга воина света «
Пауло Коэльо помогает каждому из нас обнаружить в себе своего собственного воина света. Короткие вдохновляющие притчи приглашают...
Лекция 5 Взаимодействие света с веществом. Явление дисперсии света План лекции iconПлан лекции: Явление электромагнитной индукции: Правило Ленца; Основной...
...
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2014
контакты
vb2.userdocs.ru
Главная страница