Обычный дневной свет состоит из семи основных цветов. При определённых условиях свет можно разложить на составляющие , то есть получить цветовой спектр.
В оптике, одном из разделов физики, различают два вида световых спектров – дисперсионный и дифракционный. Оба перечисленных явления основываются на волновой природе светового излучения, но в основе дифракции лежит его способности «обтекать» препятствия , а дисперсия основывается на способности света преломляться , распадаясь на отдельные составляющие.
Под термином «спектр» (латинское – «видение») подразумевается распределение волн по их частоте и длине . В данном случае рассматривается оптический спектр – разложение света на отдельные волны.
Данный термин, применительно к оптике, впервые ввёл английский физик И. Ньютон в 1670-х годах . Именно он выдвинул теорию о сложном составе простого солнечного света.
Дифракция
Слово «дифракция» переводится с латыни как «разлом», «перелом», а также «огибание».
Под данным физическим явлением подразумевается способность световой волны огибать препятствия, что характерно и для всех прочих волн – начиная от водных, и заканчивая электромагнитными и звуковыми.
Дифракционный спектр способен образовываться при прохождении светового потока через некие препятствия. В лабораторных условиях для получения дифракционного спектра обычно используют непрозрачный экран с проделанным в нём небольшим круглым или щелеобразным отверстием .
В первом случае получается сферическая , а во втором – плоская дифракционная волна. Для большей точности проводимых экспериментов, в оптических лабораториях создают особые, эталонные, дифракционные решётки со строго фиксированным размером отверстий.
Дифракционный спектр можно наблюдать не только в лабораторных условиях, но и в природе . В качестве примера можно взять цветные круги, образующиеся вокруг луны в морозную ночь .
Они появляются в результате огибания лучами лунного света мельчайших частичек замёрзшей воды, взвешенной в атмосфере. При дифракции света, он разлагается на составляющие в соответствии с длиной каждой световой волны.
Чем длиннее волна, тем на большую величину происходит её отклонение. Менее всего подвержены дифракционному отклонению ультрафиолетовая волна, а расположенная на противоположном конце спектра инфракрасная волна преломляется больше всего.
Дисперсия
Дисперсия по-латыни означает «разложение», «распадение».
В оптике дисперсией называют разложение белого света на отдельные волны при прохождении через некий прозрачный предмет, обладающий свойством светового преломления .
При этом показатель преломления так же, как и в случае с дифракцией, зависит от длины той или иной волны . Впервые научное исследование явления дисперсии было проведено Ньютоном в XVII веке.
Именно этот великий учёный смог наглядно доказать, что обычный дневной свет не является чем-то простейшим и неделимым объектом, а состоит из отдельных цветных лучей .
В своём опыте Ньютон использовал треугольную стеклянную призму, через которую пропускался свет . Опыты с призмой ставились и ранее, но до этого среди физиков бытовало убеждение, что это стеклянная призма окрашивает белый цвет в оттенки радуги.
Кстати, радуга – природный пример дисперсии солнечного излучения, проходящего сквозь мельчайшие прозрачные капельки воды.
Происходит это явление оттого, что волны с различной длиной имеют и разную скорость распространения в оптической среде – прозрачном пространстве, заполненном некой более или менее плотной субстанцией (жидкостью, газом, либо твёрдым веществом).
Волны с меньшей длиной при прохождении через оптическую среду преломляются больше, поэтому скорость их распространения меньше. Самой большой длиной обладают волны красного спектра .
Соответственно, коэффициент их преломления минимален, а скорость – наоборот, максимальна. Противоположностью является ультрафиолетовая волна, имеющая наименьшую скорость и больший показатель преломления.
Скорость же световых составляющих в абсолютном вакууме одинакова , и, следовательно, дисперсионное разделение света там произойти не может. В отдельных оптических средах наблюдается так называемый аномальный дисперсионный процесс.
Так, в парах йода более короткие лучи синего цвета преломляются меньше, нежели более длинные красные. Остальные же лучи светового спектра вовсе поглощаются газообразной субстанцией, и для наблюдения недоступны.
Различия спектров
Несмотря на то, что в основе и дифракционного, и дисперсионного спектров лежит принцип волнового строения света, они имеют целый ряд различий.
В первом случае белый свет распадается на составляющие в результате прохождения его через мелкие отверстия в непрозрачном общем фоне, либо между множеством близко находящихся непрозрачных частичек.
В случае с дисперсионным спектром разложение происходит вследствие преломления световых лучей при прохождении их через некую прозрачную среду: стекло, газ, жидкость и так далее.
С точки зрения оптики, между дифракционным и дисперсионным спектрами имеются различия :
- В степени отклонения крайних лучей – ультрафиолетового и инфракрасного.
- В размерах растяжения длины спектра.
Для наглядности все различия между дисперсионным и дифракционным спектрами можно отобразить в виде сводной таблицы :
| Дифракционный | Дисперсионный |
| Луч распадается из-за прохождения через мелкое отверстие в непрозрачной среде, либо через множество отверстий между непрозрачными предметами. | Разложение светового потока происходит как результат преломления при прохождении сквозь прозрачную оптическую среду. |
| Наибольшему отклонению подвержены длинноволновые красные лучи. | Более всего отклоняются лучи фиолетового цвета. |
| Растяжение спектра неравномерное. | Спектральное растяжение относительно равномерно. |
| Растяжение происходит в сторону длинноволнового «края». | Растяжение происходит в сторону фиолетовых лучей. |
Большинство фактических сведений про окружающие нас явления и природу получены человеком при помощи восприятия по средствам органов зрительного восприятия, которые созданы светом. Явления света, которые изучаются в физике, рассматриваются в разделе Оптика.
По своей природе свет является явлением электромагнитным, а это говорит про одновременное проявление как волновых (интерференция, дифракция, дисперсия), так и квантовых свойств (фотоэффект, люминесценция).
Рассмотрим два важных волновых свойства света: дифракцию и дисперсию.
Понятие светового луча широко используют в геометрической оптике. Таким явлением считается узкий пучок света, который распространяется прямолинейно. Подобное распространение света в однородной среде для нас кажется таким обычным, что принимается как очевидное. Достаточно убедительным подтверждением этого закона может быть образование тени, которое появляется за непрозрачным препятствием, которое стоит на пути света. А свет в свою очередь излучается точечным источником.
Явления, которые возникают при распространении света в среде с резко выраженными неоднородностями, являются дифракцией света.
Итак, дифракцией называют совокупность явлений, которые обусловлены огибанием световыми лучами препятствий, которые встречаются на их пути (в широком смысле: любое отклонение от законов геометрической оптики при распространении волн и попадание их в участки геометрической тени).
Дифракция четко проявляется в случае, когда параметры неоднородности (прорези решетки) соразмерны с длинной волны. Если же размеры слишком большие, то она наблюдается только на значительных расстояниях от неоднородности.
При огибании неоднородностей световой луч раскладывается в спектр. Спектр разложения, который получен при данном явлении называется дифракционным спектром. Дифракционный спектр ещё называют решетчатым.
Разным скоростям распространения волн отвечают различные абсолютные показатели преломления среды. Из исследований Ньютона следует, что абсолютный показатель преломления увеличивается с ростом частоты света. С течением времени ученые установили тот факт, что при рассмотрении света как волны каждый цвет необходимо ставить в соответствие длине волны. Важным является то, что эти длины волн изменяются непрерывно, отвечая различным оттенкам каждого цвета.
Если тонкий пучок солнечного света направить на стеклянную призму, то в ней после преломления можно наблюдать разложение белого света (белый свет – совокупность электромагнитных волн с разной длинной волны) в разноцветный спектр: семь основных цветов – красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый цвета. Все эти цвета плавно переходят друг в друга. В меньшей степени от начального направления откланяются красные лучи, а в большей – фиолетовые.
Этим можно объяснить возникновение окраски предметов различными цветами, поскольку белый свет представляет собой совокупность различных цветов. Например, цвет листьев растений, в частности, зеленый цвет, обусловлен тем, что на поверхности листьев происходит поглощение всех цветов кроме зеленого цвета. Именно его мы и видим.
Итак, дисперсия – это явление, которое характеризует зависимость преломления вещества от длинны волны. Если говорить о световых волнах, то дисперсия дисперсией называют явление зависимости скорости света (а также и показателя преломления света веществом) от длинны (частоты) светового луча. Благодаря дисперсии белый свет раскладывается в спектр при прохождении через стеклянную призму. Именно поэтому подобным образом полученный спектр называют дисперсионным. На выходе из призмы мы получим расширенную световую полосу с расцветкой, которая непрерывно (плавно) меняется. Дисперсионный спектр ещё называют призматическим.
Дифракционный и дисперсионный спектры
Мы рассмотрели явления дифракции и дисперсии, а также их следствия – получение дифракционного и дисперсионного спектров. Теперь обратим особое внимание на их отличия.
Способы получения спектров:
- Дифракционный спектр: зачастую получен при помощи, так называемой, дифракционной решетки. Она состоит из полос прозрачных и непрозрачных (или же отражающих и неотражающих). Эти полосы чередуются с периодом, значение которого зависит от длинны волны. При попадании на решетку свет разбивается на пучки, для которых наблюдается явление дифракции и разложение света на спектр.
- Дисперсионный спектр: в отличии от дифракционного получен в результате проникновения световой волны сквозь вещество (призму). В результате прохождения монохроматические волны претерпевают преломление, причем угол преломления будет разным.
Распределение и характер цветов в спектрах:
- Дифракционный спектр: от первого до последнего в спектре цвета располагаются равномерно. И проявляются от фиолетового до красного, а именно в порядке возрастания.
- Дисперсионный спектр: в красной части спектра сжат, а в фиолетовой – растянут. Цвета располагаются в порядке от красного до фиолетового, то есть в порядке убывания, в отличии от возрастания в дифракционном спектре.
Заключительные сведения
Итак, рассмотренный характеристики показывают, что дифракционная картина значительным образом зависит от длинны волны света, которое огибает препятствие. Поэтому, если свет немонохроматический (например, рассматриваемый нами белый свет), то дифракционные максимумы интенсивности для разных длин волн просто разойдутся, при этом они образуют дифракционный спектры. Они имеют значительное преимущество перед спектрами, которые возникают вследствие дисперсии лучей проходящих сквозь призму. Взаимное расположение цветов у них не зависит от свойств материалов, из которых изготовлены экраны и щели решетки, а определяется однозначно лишь длинами волн и геометрией прибора (например, призмы) и может быть рассчитано исключительно из геометрических соображений.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Дифракционным спектром называют распределение интенсивности на экране, которое получается в результате дифракции.
При этом основная часть световой энергии сосредоточена в центральном максимуме.
Если в качестве рассматриваемого прибора, при помощи которого осуществляется дифракция, взять дифракционную решётку, то из формулы:
(где d - постоянная решетки; - угол дифракции; - длина волны света; . - целое число), следует, что угол под которым возникают главные максимумы связан с длиной волны падающего на решетку света (свет на решетку падает нормально). Это означает, что максимумы интенсивности, которые дает свет разной длины волны, возникают в разных местах пространства наблюдения, что дает возможность применять дифракционную решетку как спектральный прибор.
Если на дифракционную решетку падает белый свет, то все максимумы за исключением центрального максимума, раскладываются в спектр. Из формулы (1) следует, что положение максимума го порядка можно определить как:
Из выражения (2) следует, что с увеличением длины волны, расстояние от центрального максимума до максимума с номером m увеличивается. Получается, что фиолетовая часть каждого главного максимума будет обращена к центру картины дифракции, а красная область наружу. Следует вспомнить, что при спектральном разложении белого света фиолетовые лучи отклоняются сильнее, чем красные.
Дифракционную решетку применяют как простой спектральный прибор, с помощью которого можно определять длину волны. Если известен период решетки, то нахождение длины волны света сведется к измерению угла, который соответствует направлению на избранную линию порядка спектра. Обычно используют спектры первого или второго порядков.
Следует отметить, что дифракционные спектры высоких порядков накладываются друг на друга. Так, при разложении белого света спектры второго и третьего порядков уже частично перекрываются.
Дифракционное и дисперсное разложение в спектр
При помощи дифракции, как и дисперсии можно разложить луч света на составляющие. Однако есть принципиальные отличия в этих физических явлениях. Так, дифракционный спектр - это результат огибания светом препятствий, например затемненных зон у дифракционной решетки. Такой спектр равномерно распространяется во всех направлениях. Фиолетовая часть спектра обращена к центру. Спектр при дисперсии можно получать при пропускании света сквозь призму. Спектр получается растянутым в фиолетовом направлении и сжатым в красном. Фиолетовая часть спектра занимает большую ширину, чем красная. Красные лучи при спектральном разложении отклоняются меньше, чем фиолетовые, значит, красная часть спектра ближе к центру.
Максимальный порядок спектра при дифракции
Используя формулу (2) и принимая во внимание то, что не может быть больше единицы, получим, что:
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | На дифракционную решетку падает перпендикулярно ее плоскости свет с длиной волны равной =600 нм, период решетки равен м. Каков наибольший порядок спектра? Чему равно число максимумов в данном случае? |
| Решение | Основой для решения задачи служит формула максимумов, которые получают при дифракции на решетке в заданных условиях:
Максимальное значение m получится при Проведем вычисления, если =600 нм=м:
Количество максимумов (n) будет равно: |
| Ответ | =3; |
ПРИМЕР 2
| Задание | На дифракционную решетку, перпендикулярно ее плоскости падает монохроматический пучок света, имеющий длину волны . На расстоянии L от решетки находится экран, на нем с помощью линзы формируют спектральную дифракционную картину. Получают, что первый главный максимум дифракции расположен на расстоянии x от центрального (рис.1). Какова постоянная дифракционной решетки (d)? |
| Решение | Сделаем рисунок. |
В оптике различают дифракционный и дисперсионный световые спектры. В чем их особенности?
Что представляет собой дифракционный спектр?
Данный спектр образуется при прохождении света через множество небольших отверстий или щелей. Так, его можно разглядеть, если прищуриться и посмотреть на солнце или лампу. Если обратить внимание на луну зимой в мороз, то вокруг нее несложно увидеть разноцветные круги: они также являются дифракционными спектрами . В данном случае они образуются вследствие прохождения света через замерзшие частицы воды в атмосфере. В целях проведения научных экспериментов своего рода эталонные дифракционные спектры создаются с помощью специальных дифракционных решеток.
Дифракционный спектр
Рассматриваемый вид спектра характеризуется отклонением лучей, которое является пропорциональным показателю длины волны. Поэтому ультрафиолетовые, а также фиолетовые лучи спектра, которые имеют короткие волны, отклоняются в наименьшей степени. В свою очередь, длинноволновые красные и инфракрасные - наоборот. Можно отметить, что рассматриваемый спектр в наибольшей степени растянут в сторону длинноволновых лучей.
Что представляет собой дисперсионный спектр?
Данный спектр образуется в результате преломления света - например, при его прохождении через призму. Выглядит он, таким образом, как совокупность световых полос разного цвета. Дисперсия света представляет собой разложение его потока, имеющего белый цвет, на монохроматические лучи, которые формируют световой спектр.
Дисперсионный спектр В истории физики известен примечательный факт: до того, как был открыт дисперсионный спектр , была распространена точка зрения, что белый свет окрашивается при прохождении через призму. Оказалось, что это не так.
В дисперсионном спектре наибольшее отклонение при преломлении свойственно фиолетовым лучам. Растягивается рассматриваемый спектр более равномерно, чем дифракционный, - по всем типам лучей, но при этом в наибольшей степени - в сторону коротковолновых.
Сравнение
Главное отличие дифракционного спектра от дисперсионного заключается в том, что первый спектр образуется в результате прохождения света через узкие отверстия (и иные не препятствующие прохождению лучей области между некоторыми близко расположенными объектами), а второй - в результате его преломления (например, вследствие прохождения через призму).
Также между рассматриваемыми спектрами могут наблюдаться различия с точки зрения:
- отклонения красных и фиолетовых лучей;
- степени растяжения спектра;
- степени растяжения спектра относительно красных и фиолетовых лучей.
Более наглядно отобразить то, в чем разница между дифракционным и дисперсионным спектром заключается с точки зрения отмеченных параметров, нам поможет небольшая таблица.
