Дисперсія і поглинання світла

Дисперсія і поглинання світла.

План

Дисперсія світла. Нормальна і аномальна дисперсія.

Поглинання (або абсорбція)

Спектри. Види спектрів.

Спектральний аналіз.

Рентгенівські промені.

Дисперсія світла. Залежність показника заломлення світла від частоти або довжини хвилі ( а, також, швидкості світла) називають Дисперсією світла.

Якщо вузький пучок білого світла спрямувати на одну з граней

тригранної призми, то заломлюючись у призмі, пучок дає на екрані видовжене зображення щілини з яскравим райдужним чергуванням кольорів – спектр. Ньютон умовно поділив суцільний спектр на сім ділянок різних кольорів: червоний, оранжевий, жовтий, зелений, блакитний, синій, фіолетовий.

Висновки, які зробив І. Ньютон: 1. біле світло має складну структуру і складається із світла різних кольорів; 2. світло різного кольору характеризується різними показниками заломлення в даному середовищі.

Найбільший показник заломлення в склі мають фіолетові промені, найменший – червоні. Різниця в показниках заломлення обумовлена різницею в швидкостях поширення хвиль. Тому, що світло різного кольору має різну швидкість поширення в даному середовищі.

Знання складної структури білого світла дає можливість пояснити походження різноманітних барв у природі, кольори різних тіл. Колір непрозорого тіла визначається сумішшю променів тих кольорів, які воно відбиває. Колір прозорого тіла визначається складом того світла, яке проходить крізь нього. Якщо, наприклад, трава і 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.

Фізичними величинами, які характеризують дисперсію світла в різних частинах спектра, є похідні або . Такі величини визначають швидкість зміни показника заломлення з довжиною хвилі або частотою. Між ними існує залежність =.

Досліди показують, що залежність n від v (або λ ) властива всім речовинам, а у вакуумі дисперсії немає. Швидкість світла у вакуумі для світла будь-якої частини однакова. Тому дисперсія світла в речовині пов’язана із залежністю фазової швидкості світла в ній від частоти .

Дисперсію світла в прозорому середовищі називають Нормальною, якщо із зростанням частоти показник заломлення для розглядуваної речовини зростає (гази, вода, скло, кварц та інші у видимій області), тобто і відповідно >0 (або <0 ) При нормальній дисперсії абсолютне значення збільшується при переході від довгих хвиль до коротких.

Поглинанням (або абсорбцією) світла називається втрата енергії світлової хвилі, яка проходить через речовину, внаслідок перетворення енергії хвилі в різні види внутрішньої енергії речовини або в енергію вторинного випромінювання світла іншого напряму і спектрального складу. Поглинання світла може приводити до нагрівання, іонізації або збудження атомів і молекул речовини, до фотохімічних процесів, до деформації та ін. Крім того, поглинання може супроводитися розсіянням і індуктивним випромінюванням (лазерним).

Закон зміни інтенсивності при поглинанні можна записати так – закон Бугера (1729 рік –встановив експериментально, теоретично виві та проаналізував Ламберт – 1760 р.), де к– коефіцієнт поглинання залежить лише від довжини хвилі, хімічної природи і стану речовини. Якщо вибрати товщину шару , то . Отже, коефіцієнт поглинання дорівнює оберненій величині товщини шару, на якій інтенсивність світла зменшується в е разів.

Як показали досліди, при поглинанні світла молекулами газів або молекулами речовини, розчиненої в непоглинаючому розчиннику, коефіцієнт поглинання пропорційний концентрації розчину С: к=к0С, – закон Бера; де к0 – сталий коефіцієнт, що не залежить від концентрації. Фізичній зміст цього закону полягає в тому, що поглинальна здатність молекули не залежить від інших молекул. Це справедливо лише для розчинів малої концентрації і непоглинаючого розчинника

Спектри випромінювання. Енергія світла, що випромінюється джерелами, між хвилями різних довжин розподілена неоднаково. Прилади, за допомогою яких досліджують спектри джерел світла, називають спектральними апаратами. Основна частина спектрального апарата звичайно – призма або дифракційна решітка.

Основними характеристиками спектральних приладів є кутова дисперсія , лінійна дисперсія та роздільна здатність .

Лінійною дисперсією називається фізична величина, яка визначає довжину якоїсь ділянки спектра у фокальній площині камери, що припадає на одиницю довжини хвилі: (нм/мм)

Кутова дисперсія: =

Знаючи кутову дисперсію, можна визначити лінійну дисперсію , де – фокусна відстань об’єктива вихідного коліматора.

У спектрі сонячного проміння є всі довжини хвиль, тому його називають неперервним (або суцільним) спектром.

Дослід показує, що спектри твердих тіл і рідин, нагрітих до високої температури, неперервні. Високотемпературна плазма також має неперервний спектр. А спектри всіх речовин в газоподібному атомарному (але не молекулярному) стані складаються з різнокольорових ліній різної яскравості, розділених широкими темними смугами. Це так звані лінійчасті спектри. Ізольовані атоми кожного хімічного елемента випромінюють хвилі тільки певної частоти. Молекули утворюють спектри, що складаються з окремих смуг, розділених темними проміжками – смугасті спектри. Характер лінійчастого або смугастого спектрів пов'язаний з будовою атома або молекули, тому за допомогою спектрального аналізу визначають хімічний склад речовини.

Спектри поглинання. Різні речовини поглинають світло неоднаково, тобто залежно від його частоти. Спектр поглинання утворюють темні лінії на фоні неперервного спектра. Невипромінюючий газ, через який пропускають біле світло, інтенсивніше поглинає світлові хвилі саме тих частот, які він випромінює в нагрітому стані.

Спектральний аналіз. Одним з особливо важливих методів визначення хімічного складу речовини з високою точністю та чутливістю є Спектральний аналіз. Він дає змогу дослідити спектри випромінювання (емісійні спектри) поглинання (абсорбційні спектри).

Спектральний аналіз проводять у такій послідовності. 1. Дістають спектри матеріалу, який аналізують. 2. Визначають довжини хвиль спектральних ліній і ідентифікують їх за допомогою таблиць і атласів спектрів, тобто визначають, які хімічні елементи та хімічні сполуки присутні в пробі – якісний аналіз. 3. Вимірюють інтенсивності спектральних ліній та порівнюють з градуювальним графіком – кількісний аналіз.

Емісійний спектральний аналіз. Речовину за допомогою джерела світла (високотемпературний пальник, дуга або іскра) переводять у газоподібний стан. Спектр випромінювання джерела світла і проби аналізують за допомогою спектрального апарата, в якому відбувається відокремлення хвиль з різною довжиною, тобто отримують спектр випромінювання окремих атомів (лінійчастий спектр). Спектри можна розглядати візуально (в спектроскопах) або фотографувати (в спектрографах).

Проводячи якісний аналіз, за положенням лінії в спектрі визначають довжину її хвилі, а за допомогою спеціальних таблиць – належність певному хімічному елементу.

У кількісному аналізі – за почорнінням на фотографії спектра визначається інтенсивність спектральної лінії (яка залежить від концентрації елемента в пробі). Виміряну інтенсивність порівнюють з еталонним градуювальним графіком, який побудовано на основі залежності інтенсивності певної лінії від визначеної кількості даної речовини.

Абсорбційний спектральний аналіз. Пробу, хімічний склад якої треба визначити, розташовують між джерелом світла з неперервним спектром випромінювання та спектральним апаратом і потім вивчають здобутий спектр, на якому інтенсивність певних ліній зменшилася. Спектри поглинання дістають за допомогою спектрофотометрів.

Спектральний аналіз дає змогу визначити дуже невеликі кількості хімічних елементів, до % а в окремих випадках — до %. Точність спектрального аналізу залежить від складу і структури речовини, що аналізується, і може досягати (1-3)% щодо величини, яку визначають.

Атомний спектральний аналіз застосовують для аналізу надчистих металів, у геохімії, біології, в промисловості ядерних і надпровідникових матеріалів.

Спектри поглинання використовують в астрофізиці для визначення хімічного складу небесних тіл (Сонця, зірок і т. д.).

Інфрачервона і ультрафіолетова частини спектра. Електромагнітні хвилі, довжина яких більша від 0,76 мкм називають Інфрачервоними. Енергія випромінювання електричної дуги і лампочки розжарювання максимальна в інфрачервоній частині спектра. Інфрачервоні промені не сприймаються оком (часто це проміння називають тепловим), їх виявляють за тепловою й хімічною дією, використовують для сушіння овочів, фруктів. За допомогою спеціальних оптичних приладів зображення предметів в інфрачервоних променях перетворюють у видиме, що дає змогу бачити в темряві.

Електромагнітні хвилі, довжина яких менше ніж 0,38 мкм, називають Ультрафіолетовими. Це проміння має високу хімічну активність, у великих дозах руйнівно діє на сітківку ока і шкіру. Високо в горах, де ультрафіолетове проміння Сонця майже не поглинається розрідженими шарами атмосфери, потрібно захищати очі темними окулярами. Ультрафіолетове проміння вбиває бактерії.

Рентгенівське проміння. Електромагнітні хвилі, довжина яких від до м, що випромінюються внаслідок різкого гальмування електронів, називають рентгенівським промінням на честь німецького фізика В. К Рентгена (1845—1923), який відкрив ці хвилі у 1895 р. Рентгенівське проміння виникає під час газового високовольтного розряду при малому тиску (Па), коли швидкі електрони, що при цьому утворюються, гальмуються будь-якою перешкодою, наприклад металевими електродами. Мала довжина хвилі рентгенівських променів, велика «жорсткість», зумовлює велику проникну здатність, а також дифракцію на кристалічній решітці твердого тіла. Дослідження дифракційної картини, що виникає в результаті взаємодії рентгенівського проміння з кристалічною решіткою, дає можливість вивчати структуру кристалів, а також найскладніших органічних сполук, зокрема білків (до складу яких входять десятки тисяч атомів). Рентгенівське проміння також широко застосовується в медицині, як у діагностиці, так і в лікуванні.

Рентгенівські промені широко застосовують для вивчення кристалічних структур різних матеріалів (металів), органічних сполук, полімерів, визначення типу дефектів у кристалах, у медицині для рентгенодіагностики, в техніці для контролю якості деталей (дефектоскопія) і т. д. Створено різні за призначенням типи рентгенівських трубок і рентгенівських апаратів.

Рентгенівська трубка має таку будову: у відкачаному до високого вакууму скляному балоні встановлено один напроти другого два електроди: підігрівний катод і анод (який називають також антикатодом). Електрони, що емітуються катодом, підігрітим до високої температури, прискорюються електричним полем і бомбардують антикатод, який при цьому випромінює рентгенівські промені.

Ви прочитали: "Дисперсія і поглинання світла"
Читати далі