Mis on valguse dispersiooni määratlus. Milline teadlane avastas hajumise nähtuse

Iga jahimees tahab teada, kus faasan istub. Nagu mäletame, tähendab see fraas spektri värvide jada: punane, oranž, kollane, roheline, sinine, indigo ja violetne. Kes seda näitas valge värv see on kõigi värvide kogum, mida on sellega pistmist vikerkaar, kaunid päikeseloojangud ja päikesetõusud, sära vääriskivid? Kõigile neile küsimustele annab vastuse meie õppetund, mille teemaks on "Valguse hajumine".

Kuni 17. sajandi teise pooleni polnud päris selge, mis värviga tegu. Mõned teadlased ütlesid, et see on keha enda omadus, mõned väitsid, et need on valguse ja pimeduse erinevad kombinatsioonid, ajades sellega segamini värvi ja valgustuse mõisted. Selline värvikaos valitses seni, kuni Isaac Newton viis läbi katse valguse edastamiseks läbi prisma (joonis 1).

Riis. 1. Kiirte tee prismas ()

Pidagem meeles, et prismat läbiv kiir murdub õhust klaasi ja seejärel teise murdumise - klaasist õhku. Kiire trajektoori kirjeldab murdumisseadus ja hälbe astet iseloomustab murdumisnäitaja. Neid nähtusi kirjeldavad valemid:

Riis. 2. Newtoni eksperiment ()

Pimedas ruumis tungib läbi aknaluukide kitsas päikesekiir, mis asetas selle teele klaasist kolmnurkse prisma. Selles murdus prismat läbiv valguskiir ja prisma taha ilmus ekraanile mitmevärviline riba, mida Newton nimetas spektriks (ladina keelest "spekter" - "nägemine"). Valge värv muutus korraga kõikideks värvideks (joonis 2). Milliseid järeldusi tegi Newton?

1. Valgusel on keeruline struktuur (rääkides kaasaegne keel- valge valgus sisaldab erineva sagedusega elektromagnetlaineid).

2. Erinevat värvi valgus erineb murdumisastmelt (iseloomustab erinevad murdumisnäitajad antud keskkonnas).

3. Valguse kiirus sõltub keskkonnast.

Newton kirjeldas neid järeldusi oma kuulsas traktaadis “Optika”. Mis on sellise valguse spektriks lagunemise põhjus?

Nagu Newtoni katse näitas, oli punane kõige nõrgemini murdunud värv ja violetne kõige rohkem murdunud. Tuletame meelde, et valguskiirte murdumisastet iseloomustab murdumisnäitaja n. Punane värv erineb violetsest sageduse poolest. Kuna murdumisnäitaja suureneb spektri punasest otsast violetse otsa liikudes, võime järeldada, et klaasi murdumisnäitaja valguse sageduse kasvades suureneb. See on hajumise nähtuse olemus.

Meenutagem, kuidas on murdumisnäitaja seotud valguse kiirusega:

n ~ ν; V ~ => ν =

n - murdumisnäitaja

C - valguse kiirus vaakumis

V - valguse kiirus keskkonnas

ν - valguse sagedus

See tähendab, et mida suurem on valguse sagedus, seda väiksem on klaasis leviva valguse kiirus suurim kiirus klaasprisma sees on punane ja väikseim kiirus on lilla.

Valguse kiiruste erinevus erinevate värvide puhul ilmneb ainult keskkonna juuresolekul, vaakumis levib mis tahes värvi valguskiir sama kiirusega m/s. Nii saime teada, et valge värvi spektriks lagunemise põhjuseks on dispersiooni nähtus.

Dispersioon- valguse levimiskiiruse sõltuvus keskkonnas selle sagedusest.

Newtoni avastatud ja uuritud dispersiooninähtus ootas oma selgitust üle 200 aasta alles 19. sajandil, pakkus välja Hollandi teadlane Lawrence klassikaline teooria dispersioonid.

Selle nähtuse põhjuseks on välise interaktsioon elektromagnetiline kiirgus, see tähendab valgust koos keskkonnaga: mida kõrgem on selle kiirguse sagedus, seda tugevam on vastastikmõju, mis tähendab, et seda rohkem kiir kaldub kõrvale.

Dispersiooni, millest me rääkisime, nimetatakse normaalseks, see tähendab, et sagedusindikaator suureneb, kui elektromagnetilise kiirguse sagedus suureneb.

Mõnes haruldases keskkonnas on võimalik anomaalne dispersioon, see tähendab, et keskkonna murdumisnäitaja suureneb sageduse vähenedes.

Nägime, et iga värv vastab kindlale lainepikkusele ja sagedusele. Laine, mis vastab samale värvile erinevad keskkonnad on sama sagedusega, kuid erinevad lainepikkused. Enamasti peavad nad teatud värvile vastavast lainepikkusest rääkides silmas vaakumis või õhus olevat lainepikkust. Igale värvile vastav valgus on ühevärviline. "Mono" tähendab ühte, "kromos" tähendab värvi.

Riis. 3. Värvide paigutus spektris vastavalt õhu lainepikkustele ()

Pikim lainepikkus on punane (lainepikkus - 620-760 nm), lühem lainepikkus on violetne (380-450 nm) ja vastavad sagedused (joon. 3). Nagu näete, pole tabelis valget värvi, valge värv on kõigi värvide summa, see värv ei vasta ühelegi rangelt määratletud lainepikkusele.

Mis seletab meid ümbritsevate kehade värve? Neid seletatakse keha võimega peegeldada, st hajutada sellele langevat kiirgust. Näiteks valge värv, mis on kõigi värvide summa, langeb mõnele kehale, kuid see keha peegeldab kõige paremini punast värvi ja neelab teisi värve, siis tundub see meile täpselt punane. Ilmub keha, mis peegeldab kõige paremini sinist värvi sinist värvi ja nii edasi. Kui keha peegeldab kõiki värve, näib see lõpuks valge.

Just valguse hajumine ehk murdumisnäitaja sõltuvus lainesagedusest seletab looduskauni nähtuse – vikerkaare (joon. 4).

Riis. 4. Vikerkaare fenomen ()

Vikerkaared tekivad seetõttu päikesevalgus murduvad ja peegelduvad atmosfääris hõljuvate veepiiskade, vihma või udu poolt. Need tilgad suunavad erinevat värvi valgust erinevalt kõrvale, mille tulemusena laguneb valge värv spektriks, st valgusallika poole seljaga seisev vaatleja näeb kosmosest lähtuvat mitmevärvilist kuma piki kontsentrilisi kaarte.

Dispersioon seletab ka tähelepanuväärset värvimängu vääriskivide tahkudel.

1. Dispersiooninähtus on valguse lagunemine spektriks, mis on tingitud murdumisnäitaja sõltuvusest elektromagnetkiirguse sagedusest ehk valguse sagedusest. 2. Keha värvuse määrab keha võime peegeldada või hajutada teatud elektromagnetilise kiirguse sagedust.

Bibliograafia

1. Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Füüsika ( algtase) - M.: Mnemosyne, 2012.
2. Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. Füüsika 10. klass. - M.: Mnemosyne, 2014.
3. Kikoin I.K., Kikoin A.K. Füüsika - 9, Moskva, Haridus, 1990.

Kodutöö

1. Milliseid järeldusi tegi Newton pärast katset prismaga?
2. Defineeri dispersioon.
3. Mis määrab kehavärvi?

1. Interneti-portaal B -i-o-n.ru ().
2. Interneti-portaal Sfiz.ru ().
3. Interneti-portaal Femto.com.ua ().

valguse lainepikkus (või lainepikkus) (sagedusdispersioon) või sama asi, valguse faasikiiruse sõltuvus aines lainepikkusest (või sagedusest). Newton avastas selle eksperimentaalselt 1672. aasta paiku, kuigi teoreetiliselt on see üsna hästi selgitatud palju hiljem.

• Ruumiline dispersioon on keskkonna dielektrilise konstandi tensori sõltuvus lainevektorist. See sõltuvus põhjustab mitmeid nähtusi, mida nimetatakse ruumilise polarisatsiooni efektideks.

Üks ilmsemaid dispersiooni näiteid on lagunemine valge valgus selle prisma läbimisel (Newtoni eksperiment). Dispersiooninähtuse olemus on erineva lainepikkusega valguskiirte ebavõrdne levimiskiirus läbipaistvas aines - optilises keskkonnas (vaakumis on valguse kiirus alati sama, sõltumata lainepikkusest ja seega ka värvist). Tavaliselt, mida kõrgem on laine sagedus, seda suurem on keskkonna murdumisnäitaja ja seda väiksem on valguse kiirus selles:

• punases maksimaalne kiirus keskmisel ja minimaalsel murdumisastmel,
• Violetsel värvil on valguse minimaalne kiirus keskkonnas ja maksimaalne murdumisaste.

Mõnes aines (näiteks joodiaur) täheldatakse aga anomaalset dispersiooniefekti, mille korral sinised kiired murduvad vähem kui punased, samas kui teised kiired neelduvad aines ja jäävad vaatlusest kõrvale. Täpsemalt öeldes on anomaalne dispersioon laialt levinud, näiteks täheldatakse seda peaaegu kõigis gaasides neeldumisjoonte lähedal asuvatel sagedustel, kuid joodiaurudes on see üsna mugav vaatlemiseks optilises vahemikus, kus nad neelavad valgust väga tugevalt.

Valguse dispersioon võimaldas esimest korda üsna veenvalt demonstreerida valge valguse komposiitsust.

• Valge valgus laguneb spektriks difraktsioonivõre läbimise või sellest peegelduse tulemusena (see ei ole seotud hajumise nähtusega, vaid on seletatav difraktsiooni olemusega). Difraktsiooni- ja prismaatiline spekter on mõnevõrra erinevad: prismaatiline spekter on punases osas kokku surutud ja violetses venitatud ning on paigutatud lainepikkuse kahanevasse järjestusse: punasest violetseks; normaalne (difraktsiooni) spekter on kõigis piirkondades ühtlane ja on paigutatud lainepikkuste suurenemise järjekorras: violetsest punaseni.

Analoogiliselt valguse hajumisega nimetatakse sarnaseid nähtusi mis tahes muu iseloomuga lainete levimise sõltuvusest lainepikkusest (või sagedusest) ka hajutamiseks. Sel põhjusel ei kehti näiteks termin dispersiooniseadus, mida kasutatakse sageduse ja lainearvuga seotud kvantitatiivse seose nimetusena, mitte ainult elektromagnetlaine, vaid iga laineprotsessi kohta.

Dispersioon seletab asjaolu, et pärast vihma ilmub vikerkaar (täpsemalt see, et vikerkaar on mitmevärviline, mitte valge).

Dispersioon on kromaatiliste aberratsioonide põhjus - üks optiliste süsteemide, sealhulgas foto- ja videoobjektiivide aberratsioone.

Cauchy tuli välja valemiga, mis väljendab keskkonna murdumisnäitaja sõltuvust lainepikkusest:

Valguse hajumine looduses ja kunstis

Dispersiooni tõttu võib täheldada erinevaid värve.

• Vikerkaar, mille värvid on tingitud hajutamisest, on üks võtmepildid kultuur ja kunst.
• Tänu valguse hajutamisele on võimalik jälgida värvilist “valgusemängu” teemandi ja muude läbipaistvate lihvitud esemete või materjalide tahkudel.
• Ühel või teisel määral leitakse vikerkaareefekte üsna sageli, kui valgus läbib peaaegu kõiki läbipaistvaid objekte. Kunstis saab neid konkreetselt intensiivistada ja rõhutada.
• Valguse lagunemine spektriks (dispersiooni tõttu), kui see murdub prismas, on Eestis üsna levinud teema. kaunid kunstid. Näiteks Pink Floydi albumi Dark Side Of The Moon kaanel on kujutatud valguse murdumist prismas koos spektriks lagunemisega.

Vaata ka

Kirjandus

• Yaštold-Govorko V. A. Fotograafia ja töötlus. Fotograafia, valemid, terminid, retseptid. - Toim. 4., lühend - M.: Kunst, 1977.

Lingid

Wikimedia sihtasutus. 2010. aasta.

Vaadake, mis on "valgusdispersioon" teistes sõnaraamatutes:

VA murdumisnäitaja n sõltuvus valguse sagedusest n (lainepikkus l) või valguslainete faasikiiruse sõltuvus nende sagedusest. Tagajärg D. s. lagunemine prisma läbimisel valge valguskiire spektriks (vt SPEKTRID... ... Füüsiline entsüklopeedia

kerge dispersioon- Nähtused, mis on põhjustatud valguse levimiskiiruse sõltuvusest valguse vibratsiooni sagedusest. [Soovitatud terminite kogu. Väljaanne 79. Füüsiline optika. NSVL Teaduste Akadeemia. Teadusliku ja tehnilise terminoloogia komitee. 1970] Teemad… … Tehniline tõlkija juhend

kerge dispersioon- valguse skaida statusas T valdkond radioelektronika vastavusmenys: engl. valguse hajumine vok. Lichtdispersioon, f; Zerteilung des Lichtes, f rus. kerge dispersioon, f pranc. dispersion de la Lumière, f… Radioelektronikos terminalų žodynas

kerge dispersioon- valguse dispersija statusas T ala fizika vastavusmenys: engl. valguse hajumine vok. Lichtdispersioon, f; Zerlegung des Lichtes, f rus. kerge dispersioon, f pranc. dispersion de la lumière, f … Fizikos terminų žodynas

Aine murdumisnäitaja n sõltuvus valguse sagedusest ν (lainepikkus λ) või valguslainete faasikiiruse (vt Phase speed) sõltuvus sagedusest. Tagajärg D. s. lagunemine valge valguskiire spektriks möödumisel ... ... Suur Nõukogude entsüklopeedia

Murdumisnäitaja n va-s sõltuvus valguse sagedusest v. Piirkonnas valguse sagedused, mille puhul v on läbipaistev, n suureneb koos v normaalse d.s. Piirkonnas sagedused, mis vastavad valguse intensiivse neeldumise ribadele väljas, n väheneb ... ... Suur entsüklopeediline polütehniline sõnaraamat

Sõltuvus absoluutne näitaja aine murdumine valguse lainepikkusest... Astronoomiline sõnaraamat

Mida soovite seda artiklit täiustada?: Lisage illustratsioone. Otsige üles ja korraldage joonealuste märkuste kujul lingid autoriteetsetele allikatele, mis kinnitavad kirjutatut. Asetage mallikaart, mis on... Wikipedia

Harmooniliste lainete faasikiiruse sõltuvus keskkonnas nende võnkesagedusest. lainedispersiooni täheldatakse mis tahes laadi lainete puhul. Lainedispersiooni olemasolu põhjustab signaali kuju (näiteks heliimpulsi) moonutusi, kui see levib kandjas... Suur entsüklopeediline sõnaraamat

17. 18. Valguse vastastikmõju ainega. Valguse hajumine ja neeldumine. Normaalne ja anomaalne dispersioon. Bouguer-Lamberti seadus.

Kerge dispersioon nimetada nähtuseks aine absoluutse murdumisnäitaja n sõltuvust valguse sagedusest ω (või lainepikkusest λ):

Valguse hajumise tagajärg on prismat läbiva valge valguskiire lagunemine spektriks. Esimese eksperimentaalse uuringu valguse dispersiooni kohta klaasprismas viis läbi I. Newton 1672. aastal.

Kerge dispersioon helistas normaalne kui murdumisnäitaja suureneb monotoonselt sageduse suurenemisega (väheneb lainepikkuse suurenemisega); vastasel juhul nimetatakse dispersiooni ebanormaalne, Joon.1.

Suurusjärk

helistas aine hajumine ja iseloomustab murdumisnäitaja muutumise kiirust lainepikkuse muutumisega.

Valguse normaalset hajumist täheldatakse aine poolt valguse neeldumisribadest või -joontest kaugel, anomaalset - neeldumisribade või -joonte sees.

Vaatleme valguse hajumist prismas, joonis 2.

Laske monokromaatiline valguskiir langeda läbipaistvale prismale, mille murdumisnurk on θ ja murdumisnäitaja n nurga α 1 all. Pärast kahekordset läbipainde (prisma vasakul ja paremal küljel) osutub tala algsest suunast nurga φ võrra kõrvalekalduvaks. Geomeetrilistest teisendustest järeldub, et

need. Kiirte kõrvalekalde nurk prisma poolt on seda suurem, mida suurem on prisma aine murdumisnurk ja murdumisnäitaja. Kuna n = f(λ), siis erineva lainepikkusega kiired pärast prisma läbimist kalduvad erinevate nurkade all, s.t. prismale, prisma taha langev valge valguskiir laguneb spektriks, mida esimesena vaatles Newton. See tähendab, et nii prisma kui ka difraktsioonvõre abil on valgust spektriks lagundades võimalik määrata selle spektraalne koostis.

Tuleb meeles pidada, et komponentide värvid difraktsiooni- ja prismaatilises spektris paiknevad erinevalt. Difraktsioonispektris on läbipaindenurga siinus võrdeline lainepikkusega, mistõttu punased kiired, mille lainepikkus on violetsetest pikemad, kalduvad difraktsioonivõre poolt tugevamini kõrvale. Prismas väheneb kõigi normaalse dispersiooniga läbipaistvate ainete murdumisnäitaja n lainepikkuse suurenedes, mistõttu punased kiired kalduvad prisma poolt vähem kõrvale kui violetsed.

Tegevus põhineb normaalse dispersiooni nähtusel prisma spektromeetrid, kasutatakse laialdaselt spektraalanalüüsis. Seda seletatakse asjaoluga, et prisma valmistamine on palju lihtsam kui difraktsioonvõre. Prismaspektromeetritel on ka kõrge ava suhe.

Valguse hajumise elektrooniline teooria. Maxwelli makroskoopilisest elektromagnetiteooriast järeldub, et

kuid spektri optilises piirkonnas kõigi ainete puhul μ ≈ 1, seega

n= ε. (1)

Valem (1) on kogemusega vastuolus, sest suurus n, olles muutuja n = f(λ), on samal ajal võrdne teatud konstandiga ε (konstant Maxwelli teoorias). Lisaks ei ühti sellest avaldisest saadud n väärtused katseandmetega.

Valguse hajumise selgitamiseks pakuti välja elektrooniline Lorentzi teooria, milles valguse hajumist käsitletakse elektromagnetlainete interaktsiooni tulemusena aine osaks olevate laetud osakestega, mis sooritavad sundvõnkumisi laine vahelduvas elektromagnetväljas.

Tutvume selle teooriaga homogeense isotroopse dielektriku näitel, eeldades formaalselt, et valguse hajumine on ε sõltuvuse valguslainete sagedusest ω tagajärg. Aine dielektriline konstant on

ε = 1 + χ = 1 + P/(ε 0 E),

kus χ on keskkonna dielektriline vastuvõtlikkus, ε 0 on elektrikonstant, P on polarisatsiooni hetkväärtus (indutseeritud dipoolmoment dielektriku ruumalaühiku kohta intensiivsusega E laineväljas). Siis

n 2 = 1 + P/(ε 0 E), (2)

need. oleneb R. Sest nähtav valgus sagedus ω~10 15 Hz on nii kõrge, et ainult aatomite, molekulide või ioonide väliste (kõige nõrgemalt seotud) elektronide sundvõnked lainevälja elektrikomponendi mõjul on olulised ja orientatsioonilist polarisatsiooni ei toimu. molekule sellisel sagedusel. Neid elektrone nimetatakse optilised elektronid.

Lihtsuse huvides vaatleme ühe optilise elektroni vibratsioone molekulis. Sundvõnkumist sooritava elektroni indutseeritud dipoolmoment on võrdne p = ex, kus e on elektroni laeng, x on elektroni nihkumine tasakaaluasendist valguslaine elektrivälja mõjul. Olgu siis n 0 aatomite kontsentratsioon dielektrikus

P = p n 0 = n 0 e x. (3)

Asendades (3) väärtusega (2), saame

n 2 = 1 + n 0 e x /(ε 0 E), (4)

need. probleem taandub elektroni nihke x määramisele välise mõjul elektriväli E = E 0 cos ωt.

Elektroni sundvõnkumiste võrrand kõige lihtsamal juhul

d 2 x/dt 2 +ω 0 2 x = (F 0 /m)cos ωt = (e/m) E 0 cos ωt, (5)

kus F 0 = еE 0 on laineväljast elektronile mõjuva jõu amplituudväärtus, ω 0 = √k/m on elektronide võnkumiste omasagedus, m on elektroni mass. Olles lahendanud võrrandi (5), leiame ε = n 2 sõltuvalt aatomikonstantidest (e, m, ω 0) ja välisvälja sagedusest ω, s.o. Lahendame dispersiooniprobleemi.

(5) lahendus on

Х = А cos ωt, (6)

A = eE 0 /m(ω 0 2 – ω 2). (7)

Asendage (6) ja (7) väärtusega (4) ja saate

n 2 = 1 + n 0 e 2 /ε 0 m(ω 0 2 – ω 2). (8)

(8) põhjal on selge, et aine murdumisnäitaja sõltub välisvälja sagedusest ω ja sagedusvahemikus ω = 0 kuni ω = ω 0 on n 2 väärtus suurem kui 1 ja suureneb. kasvava sagedusega ω ( normaalne dispersioon). Kui ω = ω 0 on väärtus n 2 = ± ∞; sagedusvahemikus ω = ω 0 kuni ω = ∞ on n 2 väärtus väiksem kui 1 ja suureneb - ∞ kuni 1 (normaalne dispersioon). Liikudes n 2-lt n-le, saame graafiku n = n(ω), joonis 1. Ala AB – ala ebanormaalne dispersioon. Anomaalse dispersiooni uuring – D.S. jõulud.

Valguse neeldumine– nimetatakse valguslaine energia vähenemiseks selle levimisel aines, mis on tingitud laineenergia muundamisest teist tüüpi energiaks.

Elektroonilise teooria seisukohalt taandatakse valguse ja aine vastastikmõju valguslaine elektromagnetvälja vastasmõjule aine aatomite ja molekulidega. Aatomeid moodustavad elektronid võivad valguslaine vahelduva elektrivälja mõjul vibreerida. Osa valguslaine energiast kulub põnevatele elektronvõnkudele. Osaliselt muutub elektronide võnkumiste energia taas valguskiirguse energiaks, aga ka muudeks energialiikideks, näiteks soojuskiirguse energiaks.

Valguskiirguse neeldumist saab kirjeldada üldiselt energeetilisest vaatepunktist, laskumata detailidesse valguslainete interaktsiooni mehhanismi neelava aine aatomite ja molekulidega.

Valguse aine poolt neeldumise formaalne kirjeldus on antud Booger, kes lõi seose neelava aine lõplikku kihti läbiva valguse intensiivsuse ja sellele langeva valguse intensiivsuse vahel

I lλ = I 0λ e -K l (1)

kus I 0 λ on neelavale kihile langeva lainepikkusega λ valguskiirguse intensiivsus; I lλ- paksu neelavat ainekihti läbiva valguskiirguse intensiivsus l; K λ – λ-st sõltuv neeldumistegur, s.o. K λ = f(λ).

Kui neeldujaks on lahuses olev aine, siis seda suurem on valguse neeldumine, mida rohkem lahustunud aine molekule valgus oma teel kohtab. Seetõttu sõltub neeldumistegur kontsentratsioonist C. Nõrkade lahuste korral, kui lahustunud aine molekulide vastastikmõju võib tähelepanuta jätta, on neeldumistegur võrdeline C-ga:

К λ = c λ С (2)

kus c λ on proportsionaalsuskoefitsient, mis samuti sõltub λ-st. Võttes arvesse (2), saab Bougueri seaduse (1) ümber kirjutada järgmiselt:

I λ = I 0λ e - c C l (3)

c λ on valguse neeldumise indikaator aine kontsentratsiooniühiku kohta. Kui lahustunud aine kontsentratsiooni väljendatakse [mol/l], siis nimetatakse c λ molaarne neeldumistegur.

Suhet (3) nimetatakse Bouguer-Lambert-Beeri seaduseks. I kihist väljuva valgusvoo suuruse suhe lλ, kaasatud I 0λ kutsutakse kihi optilise (või valguse) läbilaskvuse koefitsient T:

T = I lλ/I 0 λ = e - c C l (4)

või protsentides

T = I lλ/I 0λ 100%. (5)

Kihi neeldumine võrdub suhtega

L
nimetatakse väärtuse 1/T ogaritmi kihi optiline tihedus D

D = log 1/T = log I 0 λ /I l λ = 0,43c λ C l (6)

need. Optiline tihedus iseloomustab valguse neeldumist keskkonnas. Seost (6) saab kasutada nii lahuste kontsentratsiooni määramiseks kui ka ainete neeldumisspektrite iseloomustamiseks.

Optilise tiheduse sõltuvus lainepikkusest D = f(λ) on neeldumise spektraalne karakteristik sellest ainest, ja seda sõltuvust väljendavat kõverat nimetatakse neeldumisspekter. Neeldumisspektrid, nagu ka emissioonispektrid, võivad olla joonitud, triibulised ja pidevad, joonis fig. 3. Bohri aatomimudeli kohaselt kiirgavad ja neelduvad valguskvante süsteemi (aatomi) üleminekul ühest energiaolekust teise. Kui sel juhul muutub optilistes üleminekutes ainult süsteemi elektrooniline energia, nagu see on aatomite puhul, siis on spektris olev neeldumisjoon terav.

Joonis 3.a) joonneeldumise spekter, b) triibuline neeldumisspekter, c) pidev neeldumisspekter.

Kuid keeruliste molekulide puhul, mille energia koosneb elektroonilisest E el, vibratsioonilisest E coll ja pöörlevast E vr energiast (E = E el + E coll + E vr), ei muutu valguse neeldumisel mitte ainult elektrooniline energia, vaid ka vibratsiooni- ja pöörlemisenergia. Veelgi enam, kuna ∆E el >>∆E count >>∆E vr, siis selle tulemusena näeb elektroonsele üleminekule vastav joonte hulk lahenduste neeldumisspektris välja nagu neeldumisriba.

Dielektrikute neeldumistegur on väike (ca 10 -3 – 10 -5 cm -1), nende puhul täheldatakse laiu neeldumisribasid, s.t. dielektrikutel on pidev neeldumisspekter. See on tingitud asjaolust, et dielektrikutes pole vabu elektrone ja valguse neeldumine on tingitud elektronide sundvõngete resonantsist aatomites ja aatomites dielektrilistes molekulides.

Metallide neeldumistegur on suurte väärtustega (umbes 10 3 - 10 5 cm -1) ja seetõttu on metallid valgusele läbipaistmatud. Metallides tekivad valguslaine elektrivälja mõjul liikuvate vabade elektronide olemasolu tõttu kiiresti vahelduvad voolud, millega kaasneb džauli soojuse eraldumine. Seetõttu väheneb valguslaine energia kiiresti, muutudes metalli siseenergiaks. Mida suurem on metalli juhtivus, seda rohkem valgust see neelab. Joonisel fig. Joonisel 1 on näidatud valguse neeldumisteguri tüüpiline sõltuvus sagedusest neeldumisriba piirkonnas. On näha, et neeldumisriba sees on täheldatud anomaalset dispersiooni. Kuid valguse neeldumine aine poolt peab olema oluline, et mõjutada murdumisnäitaja kulgu.

Neeldumisteguri sõltuvus lainepikkusest (sagedusest) seletab neelduvate kehade värvi. Näiteks klaas, mis neelab nõrgalt punaseid ja oranže kiiri ning neelab tugevalt rohelisi ja siniseid kiiri, paistab valge valgusega valgustades punasena. Kui roheline ja sinine valgus on suunatud sellisele klaasile, tundub klaas nende lainepikkuste tugeva neeldumise tõttu must. Seda nähtust kasutatakse tootmises valgusfiltrid, mis olenevalt kemikaalist Klaaskompositsioonid edastavad valgust ainult teatud lainepikkustel, neelavad teisi.

Meid ümbritsev maailm on täis miljoneid erinevaid toone. Tänu valguse omadustele on igal objektil ja objektil meie ümber teatud värv, mida inimese nägemine tajub. Valguslainete ja nende omaduste uurimine on võimaldanud inimestel sügavamalt vaadelda valguse olemust ja sellega seotud nähtusi. Täna räägime dispersioonist.

Valguse olemus

Füüsikalisest vaatepunktist on valgus kombinatsioon elektromagnetlainetest erinevaid tähendusi pikkus ja sagedus. Inimsilm ei taju valgust, vaid ainult seda, mille lainepikkus jääb vahemikku 380–760 nm. Ülejäänud sordid jäävad meile nähtamatuks. Nende hulka kuuluvad näiteks infrapuna- ja ultraviolettkiirgus. Kuulus teadlane Isaac Newton kujutas valgust ette kõige suunatud vooluna peened osakesed. Alles hiljem tõestati, et see on looduses laine. Newtonil oli siiski osaliselt õigus. Fakt on see, et valgusel pole mitte ainult lainelisi, vaid ka korpuskulaarseid omadusi. Seda kinnitab hästi tuntud fotoelektrilise efekti nähtus. Selgub, et valgusvool on kahetine olemus.

Värvispekter

Inimese nägemisele juurdepääsetav valge valgus on kombinatsioon mitmest lainest, millest igaüht iseloomustab teatud sagedus ja oma footonite energia. Vastavalt sellele saab selle jagada erinevat värvi laineteks. Igaüht neist nimetatakse monokromaatiliseks ja teatud värv vastab tema enda pikkuse, lainesageduse ja footoni energia vahemikule. Teisisõnu, aine poolt väljastatav (või neeldunud) energia jaotub vastavalt ülaltoodud näitajatele. See seletab valguse spektri olemasolu. Näiteks spektri roheline värv vastab sagedustele vahemikus 530–600 THz ja violetne 680–790 THz.

Igaüks meist on kunagi näinud, kuidas kiired sädelevad lõigatud klaastoodetel või näiteks teemantidel. Seda võib täheldada nähtuse tõttu, mida nimetatakse valguse dispersiooniks. See on efekt, mis peegeldab objekti (aine, keskkonna) murdumisnäitaja sõltuvust seda objekti läbiva valguslaine pikkusest (sagedusest). Selle sõltuvuse tagajärg on tala lagunemine värvispekter, näiteks prisma läbimisel. Valguse hajuvust väljendatakse järgmise võrrandiga:

kus n on murdumisnäitaja, ƛ on sagedus ja ƒ on lainepikkus. Murdumisnäitaja suureneb sageduse suurenemise ja lainepikkuse vähenemisega. Sageli täheldame looduses hajumist. Selle ilusaim ilming on vikerkaar, mis tekib päikesevalguse hajumise tõttu, kui see läbib arvukalt vihmapiiska.

Esimesed sammud dispersiooni avastamise suunas

Nagu eespool mainitud, laguneb valgusvoog prismat läbides värvispektriks, mida Isaac Newton omal ajal piisavalt põhjalikult uuris. Tema uurimistöö tulemuseks oli dispersiooninähtuse avastamine 1672. aastal. Teaduslik huvi valguse omaduste vastu tekkis enne meie ajastut. Juba kuulus Aristoteles märkas, et päikesevalgusel võib olla erinevaid toone. Teadlane väitis, et värvi olemus sõltub valges valguses esinevast "tumeduse hulgast". Kui seda on palju, siis see tekib lilla, ja kui sellest ei piisa, siis punane. Suur mõtleja ütles ka, et valguskiirte põhivärv on valge.

Newtoni eelkäijate uurimine

Aristotelese teooriat pimeduse ja valguse vastasmõjust 16. ja 17. sajandi teadlased ümber ei lükanud. Nii tšehhi teadlane Marzi kui ka inglise füüsik Hariot tegid iseseisvalt prismaga katseid ja olid kindlalt veendunud, et spektri erinevate varjundite ilmnemise põhjuseks oli just valgusvoo segunemine prisma läbimisel pimedusega. Teadlaste järeldusi võiks esmapilgul nimetada loogilisteks. Kuid nende katsed olid üsna pealiskaudsed ja nad ei suutnud neid täiendavate uuringutega toetada. Seda seni, kuni Isaac Newton asja kallale asus.

Newtoni avastus

Tänu selle silmapaistva teadlase uudishimulikule meelele tõestati, et valge valgus ei ole peamine ning valguse ja pimeduse erinevates proportsioonides koosmõjul ei teki muid värve. Newton lükkas need uskumused ümber ja näitas, et valge valgus on oma struktuurilt komposiit, selle moodustavad kõik valgusspektri värvid, mida nimetatakse monokromaatiliseks. Valguskiire läbi prisma läbimise tulemusena moodustuvad valge valguse lagunemise tõttu lainevoogudeks mitmesugused värvid. Sellised erineva sageduse ja pikkusega lained murduvad keskkonnas erineval viisil, moodustades teatud värvi. Newton tegi katseid, mida kasutatakse füüsikas tänapäevalgi. Näiteks katsed ristatud prismadega, kasutades kahte prismat ja peeglit ning valgust läbi prismade ja perforeeritud ekraani. Nüüd teame, et valguse lagunemine värvispektriks toimub tänu erinevatele kiirustele, millega erineva pikkusega ja sagedusega lained läbivad läbipaistvat ainet. Selle tulemusena lahkuvad osad lained prismast varem, teised veidi hiljem, teised veelgi hiljem jne. Nii laguneb valgusvoog.

Anomaalne dispersioon

Seejärel tegid üle-eelmise sajandi füüsikud hajumise kohta veel ühe avastuse. Prantslane Leroux avastas, et mõnes meedias (eriti joodiaurus) rikutakse dispersiooninähtust väljendavat sõltuvust. Seda küsimust asus uurima Saksamaal elanud füüsik Kundt. Oma uurimistööks laenas ta ühe Newtoni meetoditest, nimelt katse, milles kasutati kahte ristuvat prismat. Ainus erinevus seisnes selles, et Kundt kasutas ühe asemel prismaat tsüaniinilahusega anumat. Selgus, et valguse murdumisnäitaja selliste prismade läbimisel suureneb ja ei vähene, nagu juhtus Newtoni katsetes tavaliste prismadega. Saksa teadlane leidis, et seda paradoksi täheldatakse sellise nähtuse tõttu nagu valguse neeldumine aine poolt. Kirjeldatud Kundti katses oli neelavaks keskkonnaks tsüaniinilahus ja valguse hajumist sellistel juhtudel nimetati anomaalseks. Kaasaegses füüsikas seda terminit praktiliselt ei kasutata. Tänapäeval peetakse Newtoni avastatud normaalset dispersiooni ja hiljem avastatud anomaalset dispersiooni kaheks nähtuseks, mis on seotud sama doktriiniga ja millel on ühine olemus.

Madala dispersiooniga läätsed

Fototehnoloogias peetakse valguse hajumist ebasoovitavaks nähtuseks. See põhjustab nn kromaatilise aberratsiooni, mille puhul värvid paistavad piltidel moonutatuna. Foto varjundid ei ühti pildistatava objekti varjunditega. See efekt muutub eriti ebameeldivaks professionaalsete fotograafide jaoks. Dispersiooni tõttu fotodel ei moonutata mitte ainult värve, vaid ka servad on sageli hägused või vastupidi, tekib liiga piiritletud piir. Ülemaailmsed fotoseadmete tootjad tegelevad selle optilise nähtuse tagajärgedega spetsiaalselt disainitud madala hajutusega objektiivide abil. Klaasil, millest need on valmistatud, on suurepärane omadus murda erineva pikkuse ja sagedusega laineid võrdselt. Objektiive, millesse on paigaldatud madala dispersiooniga läätsed, nimetatakse akromaatideks.

või, mis on sama, valguslainete faasikiiruse sõltuvus sagedusest:

Dispersioon - aine murdumisnäitaja sõltuvus laine sagedusest - avaldub eriti selgelt ja kaunilt koos kaksikmurdumise mõjuga (vt video 6.6 eelmises lõigus), mida täheldatakse valguse läbimisel anisotroopsete ainete kaudu. Fakt on see, et tavaliste ja erakorraliste lainete murdumisnäitajad sõltuvad laine sagedusest erinevalt. Sellest tulenevalt sõltub kahe polarisaatori vahele asetatud anisotroopset ainet läbiva valguse värvus (sagedus) nii selle aine kihi paksusest kui ka polarisaatorite ülekandetasandite vahelisest nurgast.

Kõigi läbipaistvate, värvitute ainete puhul spektri nähtavas osas suureneb lainepikkuse vähenemisel murdumisnäitaja ehk aine dispersioon on negatiivne: . (Joon. 6.7, alad 1-2, 3-4)

Kui aine neelab valgust teatud lainepikkuste (sageduste) vahemikus, siis neeldumispiirkonnas on dispersioon.

osutub positiivseks ja kutsutakse ebanormaalne (joon. 6.7, ala 2–3).

Riis. 6.7. Aine murdumisnäitaja (tahkekõvera) ruudu ja valguse neeldumisteguri sõltuvus
(katkendkõver) versus lainepikkuslühe neeldumisriba lähedal()

Newton uuris normaalset dispersiooni. Valge valguse lagunemine prisma läbimisel spektriks on valguse hajumise tagajärg. Kui valge valguskiir läbib klaasprisma, siis a mitmevärviline spekter (joonis 6.8).

Riis. 6.8. Valge valguse läbimine läbi prisma: klaasi murdumisnäitaja erinevuse tõttu erinevatel
lainepikkuste korral laguneb kiir monokromaatilisteks komponentideks - ekraanile ilmub spekter

Punasel valgusel on pikim lainepikkus ja väikseim murdumisnäitaja, nii et prisma tõrjub punaseid kiiri teistest vähem kõrvale. Nende kõrval on oranži, seejärel kollase, rohelise, sinise, indigo ja lõpuks violetse valguse kiired. Prismale langev kompleksne valge valgus laguneb monokromaatilisteks komponentideks (spekter).

Ilmekas näide dispersioon on vikerkaar. Vikerkaart on vaadeldav, kui päike on vaatleja taga. Punased ja violetsed kiired murduvad sfääriliste veepiiskade toimel ja peegelduvad neilt sisepind. Punased kiired murduvad vähem ja satuvad vaatleja silma kõrgemal asuvatest tilkadest. Seetõttu osutub vikerkaare ülemine triip alati punaseks (joon. 26.8).

Riis. 6.9. Vikerkaare tekkimine

Valguse peegelduse ja murdumise seadusi kasutades on võimalik arvutada valguskiirte teekond millal täielik peegeldus ja dispersioonid vihmapiiskades. Selgub, et kiired hajuvad suurima intensiivsusega suunas, mis moodustab päikesekiirte suunaga umbes 42° nurga (joon. 6.10).

Riis. 6.10. Vikerkaare asukoht

Selliste punktide geomeetriline asukoht on ring, mille keskpunkt asub punktis 0. Osa sellest on vaatleja eest varjatud R horisondi all on kaar horisondi kohal nähtav vikerkaar. Võimalik on ka kiirte kahekordne peegeldumine vihmapiiskades, mis viib teist järku vikerkaareni, mille heledus on loomulikult väiksem kui põhivikerkaare heledus. Tema jaoks annab teooria nurga 51 °, see tähendab, et teist järku vikerkaar asub väljaspool peamist. Selles on värvide järjekord vastupidine: välimine kaar on värvitud lillaks ja alumine punaseks. Kolmanda ja kõrgema järgu vikerkaarte täheldatakse harva.

Dispersiooniteooria elementaarne. Aine murdumisnäitaja sõltuvus pikkusest elektromagnetlaine(sagedus) on seletatud sundvõnkumiste teooria alusel. Rangelt võttes järgib elektronide liikumine aatomis (molekulis) seadusi kvantmehaanika. Küll aga kvalitatiivseks arusaamiseks optilised nähtused saame piirduda ideega elektronidest, mis on aatomis (molekulis) seotud elastsusjõuga. Tasakaaluasendist kõrvalekaldumisel hakkavad sellised elektronid võnkuma, kaotades järk-järgult energiat elektromagnetlainete kiirgamiseks või kandes oma energia üle võre sõlmedesse ja kuumutades ainet. Selle tulemusena võnkumised summutatakse.

Aine läbimisel mõjub igale elektronile Lorentzi jõuga elektromagnetlaine:

Kus v- võnkuva elektroni kiirus. Elektromagnetlaines on magnet- ja elektrivälja tugevuste suhe võrdne

Seetõttu ei ole raske hinnata elektronile mõjuvate elektri- ja magnetjõudude suhet:

Aine elektronid liiguvad kiirusega, mis on palju väiksem kui valguse kiirus vaakumis:

Kus - elektrivälja tugevuse amplituud valguslaines, - laine faas, mis on määratud vaadeldava elektroni asukoha järgi. Arvutuste lihtsustamiseks jätame summutamise tähelepanuta ja kirjutame elektronide liikumisvõrrandi kujule

kus on elektroni võnke loomulik sagedus aatomis. Sellise erinevuse lahendus ebahomogeenne võrrand vaatasime juba varem ja saime

Järelikult on elektroni nihkumine tasakaaluasendist võrdeline elektrivälja tugevusega. Tuumade nihkumist tasakaaluasendist võib tähelepanuta jätta, kuna tuumade massid on elektroni massiga võrreldes väga suured.

Nihutatud elektroniga aatom omandab dipoolmomendi

(lihtsuse huvides oletame praegu, et aatomis on ainult üks "optiline" elektron, mille nihkumine annab polarisatsioonile otsustava panuse). Kui ühikmaht sisaldab N aatomid, siis saab keskkonna polarisatsiooni (dipoolmoment ruumalaühiku kohta) kirjutada kujule

Reaalses keskkonnas on võimalikud erinevat tüüpi laengute (elektronide või ioonide rühmad) võnkumised, mis aitavad kaasa polarisatsioonile. Seda tüüpi võnkumistel võib olla erinev laengu suurus e i ja massid t i, samuti erinevaid omasagedusi (Tähistame neid indeksiga k), antud juhul aatomite arv ruumalaühiku kohta antud vibratsioonitüübiga Nk võrdeline aatomite kontsentratsiooniga N:

Mõõtmeteta proportsionaalsuskoefitsient fk iseloomustab igat tüüpi võnkumiste efektiivset panust kandja kogupolarisatsiooni:

Teisest küljest, nagu teada,

kus on aine dielektriline vastuvõtlikkus, mis on seotud dielektrilise konstandiga e suhe

Selle tulemusena saame aine murdumisnäitaja ruudu avaldise:

Iga omasageduse lähedal on valemiga (6.24) määratletud funktsioon katkendlik. Selline murdumisnäitaja käitumine on tingitud asjaolust, et me jätsime sumbumise tähelepanuta. Sarnaselt, nagu nägime varem, põhjustab summutamise tähelepanuta jätmine resonantsi sundvõnkumiste amplituudi lõpmatu suurenemise. Sumbumise arvessevõtmine säästab meid lõpmatustest ja funktsioonil on joonisel fig. 6.11.

Riis. 6.11. Sõltuvus dielektriline konstant keskkondelektromagnetlaine sageduse kohta

Arvestades sageduse ja elektromagnetilise lainepikkuse seost vaakumis

on võimalik saada aine murdumisnäitaja sõltuvust P lainepikkusel normaalse dispersiooni piirkonnas (lõigud 1–2 Ja 3–4 joonisel fig. 6.7):

Võnkumiste omasagedustele vastavad lainepikkused on konstantsed koefitsiendid.

Anomaalse dispersiooni piirkonnas () on välise elektromagnetvälja sagedus lähedane molekulaarsete dipoolide võnkumiste ühele loomulikule sagedusele, see tähendab, et tekib resonants. Just nendes piirkondades (näiteks ala 2–3 joonisel 6.7) täheldatakse elektromagnetlainete märkimisväärset neeldumist; aine valguse neeldumistegur on näidatud katkendjoonega joonisel fig. 6.7.

Grupi kiiruse mõiste. Rühmakiiruse mõiste on tihedalt seotud dispersiooni nähtusega. Kui levib reaalse hajutusega keskkonnas elektromagnetilised impulsid Näiteks meile teadaolevad lainerongid, mida kiirgavad üksikud aatomikiirgurid, need "laiali" - ulatuse laienemine ruumis ja kestuse laienemine ajas. Selle põhjuseks on asjaolu, et sellised impulsid ei ole monokromaatiline siinuslaine, vaid nn lainepakett ehk lainete rühm - erineva sageduse ja erineva amplituudiga harmooniliste komponentide kogum, millest igaüks levib keskkonnas oma faasikiirus (6.13).

Kui lainepakett leviks vaakumis, jääks selle kuju ja ajaruumiline ulatus muutumatuks ning sellise lainejada levimiskiirus oleks valguse faasikiirus vaakumis.

Dispersiooni olemasolu tõttu elektromagnetlaine sageduse sõltuvus lainearvust k muutub mittelineaarseks ja lainejada levimiskiirus keskkonnas ehk energia ülekande kiirus määratakse tuletisega

kus on rongi “kesklaine” lainenumber (suurima amplituudiga).

Me ei tuleta seda valemit üldine vaade, kuid selgitame seda konkreetse näite abil füüsiline tähendus. Lainepaketi mudeliks võtame signaali, mis koosneb kahest samas suunas levivast tasapinnalisest lainest, millel on identsed amplituudid ja algfaasid, kuid erinevad sagedused, mis on “kesksageduse” suhtes vähesel määral nihutatud. Vastavad lainenumbrid nihutatakse "keskse" lainenumbri suhtes väikese koguse võrra . Neid laineid kirjeldatakse väljenditega.