Дисперсия.

В 1665-1667 годах в Англии свирепствовала эпидемия чумы, и молодой Исаак Ньютон решил укрыться от неѐ в своѐм родном Вулсторпе. Перед отъездом в деревню он приобрѐл стеклянные призмы, чтобы «произвести опыты со знаменитыми явлениями цветов».

Основной опыт Ньютона был гениально прост. Проделав небольшое отверстие в ставне окна затемнѐнной комнаты, Ньютон поставил на пути пучка лучей, проходивших через это отверстие, стеклянную призму.    

На противоположной стене он получил изображение в виде полоски чередующихся цветов.  

 Следуя многовековой традиции  Ньютон выделил семь цветов  – красный, оранжевый, жѐлтый, зелѐный, голубой, синий, фиолетовый. Эту цветную полоску чередующихся цветов он назвал спектром. Если же рассматривать спектр без  предубеждений, то полоса спектра возникающего из-за дисперсии распадается на три главные части – красную, желто-зелѐную и сине-фиолетовую. К простым цветам относятся: красный, зеленый и желтый. Простые цвета – это цвета, которые нельзя получить при смешивании никаких других цветов.   

Остальные цвета занимают сравнительно узкие области между этими основными. И получаются они при смешивании основных цветов.  А белый свет- это сложный свет, состоящий из семи цветов. Если собрать все цвета в одну точку, то получится белый цвет. Вообще же человеческий глаз способен различать в спектре солнечного света до 160 различных цветовых оттенков.

Проведем мини лабораторную работу: «Смешивание цветов». Перед вами краски и кисточки.

Задание: смешайте цвета следующим образом

-синий + зеленый =

- красный + зеленый =

- желтый +красный =

-красный + синий =

Какие цвета у вас получились?  

Как мы видим цвета? 

Мы видим цвета, так как предметы поглощают часть спектра, а часть отражают. Например, красные цветы отражают красную часть спектра, но поглощают все остальные. Зеленые листья отражают зеленую часть и поглощают другие. Так мы видим все предметы. 

Теперь вернемся к опыту Ньютона.  

Чтобы запомнить чередование цветов есть такая присказка:  

КАЖДЫЙ (красный) ОХОТНИК (оранжевый) ЖЕЛАЕТ (желтый) ЗНАТЬ (зеленый) ГДЕ (голубой) СИДИТ (синий) ФАЗАН (фиолетовый) 

Вопросы к опыту: 

- Белый свет падает под некоторым углом на грань стеклянной призмы. Укажите явление, наблюдаемое со световыми волнами на границе раздела сред. - Укажите, волны какого цвета преломляются слабее при выходе из призмы, а какие – сильнее. - Сравните показатели преломления фиолетового и красного цветов. 

У каждого из цветов спектра свой показатель преломления в стекле. Зависимость показателя преломления от цвета Ньютон назвал дисперсией света. 

Но показатель преломления зависит от скорости света: n=c /υ, а υ=λ∙ν – равна произведению длины волны на частоту, значит n=c/λ∙ν. Дисперсия света- зависимость показателя преломления от длины световой волны(частоты). Спектр- набор волн различных частот. 

В природе дисперсия света наблюдается в радуге. Капли дождя разлагают белый свет на световые пучки разного цвета, которые образуют радугу.

Если появилось одновременно две радуги, то во второй радуге будет обратный порядок цветов. Бывают радуги круглые (в небе вокруг самолета), обратные (на севере, отражение света от кристаллов льда) и белые (в море в туман). 

Спектральный анализ.

Линейчатые спектры играют особо важную роль, потому что их структура прямо связана со строением атома. Ведь эти спектры создаются атомами, не испытывающими внешних воздействий. Поэтому, знакомясь с линейчатыми спектрами, мы тем самым делаем первый шаг к изучению строения атомов. Наблюдая эти спектры, ученые получили возможность «заглянуть» внутрь атома. Здесь оптика вплотную соприкасается с атомной физикой.

Главное свойство линейчатых спектров состоит в том, что длины волн (или частоты) линейчатого спектра какого-либо вещества зависят только от свойств атомов этого вещества, но совершенно не зависят от способа возбуждения свечения атомов. Атомы любого химического элемента дают спектр, не похожий на спектры всех других элементов: они способны излучать строго-определенный набор длин волн.

На этом основан спектральный анализ — метод определения химического состава вещества по его спектру. Подобно отпечаткам пальцев у людей линейчатые спектры имеют неповторимую индивидуальность. Неповторимость узоров на коже пальца помогает часто найти преступника. Точно так же благодаря индивидуальности спектров имеется возможность определить химический состав тела. С помощью спектрального анализа можно обнаружить данный элемент в составе сложного вещества, если даже его масса не превышает 10^-10г. Это очень чувствительный метод.

Количественный анализ состава вещества по его спектру затруднен, так как яркость спектральных линий зависит не только от массы вещества, но и от способа возбуждения свечения. Так, при низких температурах многие спектральные линии вообще не появляются. Однако при соблюдении стандартных условий возбуждения свечения можно проводить и количественный спектральный анализ.

В настоящее время определены спектры всех атомов и составлены таблицы спектров. С помощью спектрального анализа были открыты многие новые элементы: рубидий. цезий и др. Элементам часто давали названия в соответствии с цветом наиболее интенсивных линии спектра, Рубидий даст темно-красные, рубиновые линии. Слово цезий означает «небесно-голубой». Это цвет основных линий спектра цезия.

Именно с помощью спектрального анализа узнали химический состав Солнца и звезд. Другие методы анализа здесь вообще невозможны. Оказалось, что звезды состоят из тех же самых химических элементов, которые имеются и на Земле. Любопытно, что гелий первоначально открыли на Солнце и лишь затем, нашли в атмосфере Земли. Название этого элемента напоминает об истории его открытия: слово гелий означает в переводе «солнечный».

Благодаря сравнительной простоте и универсальности спектральный анализ является основным методом контроля состава вещества в металлургии, машиностроении, атомной индустрии. С помощью спектрального анализа определяют химический состав руд и минералов.

Состав сложных, главным образом органических, смесей анализируется по их молекулярным спектрам.

Спектральный анализ можно производить не только по спектрам испускания, но и по спектрам поглощения. Именно линии поглощения в спектре Солнца и звезд позволяют исследовать химический состав этих небесных тел. Ярко светящаяся поверхность Солнца — фотосфера — дает непрерывный спектр. Солнечная атмосфера поглощает избирательно свет от фотосферы, что приводит к появлению линий поглощения на фоне непрерывного спектра фотосферы.

Но и сама атмосфера Солнца излучает свет. Во время солнечных затмений, когда солнечный диск закрыт Луной, происходит «обращение» линий спектра. На месте линий поглощения в солнечном спектре вспыхивают линии излучения.

В астрофизике под спектральным анализом понимают не только определение химического состава звезд, газовых облаков и т. д., но и нахождение по спектрам многих других физических характеристик этих объектов: температуры, давления, скорости движения, магнитной индукции.