§ 20-1. Дысперсія святла. Спектр. Спектральныя прыборы

Класічны дослед Ньютана па раскладанні белага святла на каляровыя кампаненты з выкарыстаннем прызмы прывёў да з'яўлення прыбораў і прылад, якія дазваляюць аналізаваць склад выпраменьвання. Як яны працуюць

Звярніце ўвагу (мал. 143-4), што калі на прызму падае прамень белага святла, то за прызмай назіраецца рознакаляровая палоска — набор колераў ад чырвонага да фіялетавага. Ньютан, які ўпершыню выканаў дадзены эксперымент, назваў яе спектрам. Раскладанне пучка белага святла ў спектр за прызмай з'яўляецца вынікам дысперсіі (ад лац. dispersio — рассейванне) святла — залежнасці скорасці хвалі ў асяроддзі ад яго частаты v(ν). Паколькі скорасць святла ў рэчыве , то абсалютны паказчык праламлення рэчыва аказваецца залежным ад  частаты n(ν) або даўжыні n(λ) хвалі выпраменьвання, што распаўсюджваецца. У выніку з’явы дысперсіі прызма розным чынам праламляе светлавыя хвалі розных колераў.

Крыніцай аптычнага выпраменьвання называецца фізічнае цела, якое пераўтварае любы від энергіі ў энергію электрамагнітных выпраменьванняў аптычнага дыяпазону. Любая крыніца святла характарызуецца поўнай энергіяй, якую яна выпраменьвае за адзінку часу. Гэта энергія размяркоўваецца нераўнамерна паміж хвалямі рознай даўжыні. У агульным выпадку адвольны электрамагнітны сігнал складаецца з набору розных электрамагнітных хваль, даўжыні хваль (або частоты) якіх можна вызначыць.

Падобную працэдуру называюць спектральным аналізам сігналу, а сукупнасць атрыманых «найбольш простых» электрамагнітных хваль — спектрам. Такім чынам, спектр — размеркаванне энергіі, якая выпраменьваецца або паглынаецца рэчывам, па частотах або даўжынях хваль. Калі накіраваць пучок белага святла на прызму, то за прызмай на экране мы ўбачым рознакаляровую палоску (гл. мал. 166).

Дысперсія рэчываў можа істотна адрознівацца. У табліцы 8-1 у якасці прыкладу прыведзены значэнні абсалютных паказчыкаў праламлення некаторых празрыстых рэчываў.

Табліца 8-1. Залежнасць абсалютных паказчыкаў праламлення n рэчываў ад  даўжыні хвалі 

Дысперсія ўласцівая ўсім асяроддзям, акрамя вакууму. Калі абсалютны паказчык праламлення асяроддзя памяншаецца з ростам даўжыні хвалі, то такая дысперсія называецца нармальнай, у процілеглым выпадку — анамальнай.

Парадак колераў у спектры лёгка запомніць з дапамогай наступнага мнеманічнага правіла:

        чырвоны — 770—630 нм                      Чакаю

        аранжавы — 630—590 нм                     апетытных

        жоўты — 590—570 нм                           жабак

        зялёны — 570—495 нм                           з

        блакітны, сіні — 495—435 нм               беларускіх сажалак.

        фіялетавы — 435—390 нм                     Француз.

Вымярэнні і назіранні аптычных спектраў выконваюцца з дапамогай спецыяльных прыбораў. Прыборы для візуальнага назірання спектраў называюцца спектраскопамі, прыборы з фатаграфічнай рэгістрацыяй спектраў — спектрографамі (выкарыстоўваюцца ў розных абсягах спектру з адпаведнай адчувальнасцю фотаматэрыялаў), прыборы з фотаэлектрычнымі і цеплавымі прёмнікамі выпраменьвання — спектрометрамі або спектрафатометрамі (мал. 143-5)

Любы спектральны прыбор мае ўваходны каліматар, дыспергуючы элемент (прызма, дыфракцыйная рашотка) і выхадны каліматар.

Уваходны каліматар 1 (мал. 143-6) уяўляе сабой трубу, на адным канцы якой ёсць шырма з вузкай шчылінай, а на другім — збіральная лінза 4. Уваходная шчыліна, асветленая даследуемым выпраменьваннем, устанаўліваецца ў фокусе збіральнай лінзы 4, якая ўтварае паралельны пучок святла і накіроўвае яго на дыспергуючы элемент 2.

Дыспергуючы элемент пераўтварае зыходны пучок у сістэму паралельных монахраматычных пучкоў, якія выходзяць з элемента пад рознымі вугламі, што залежаць ад даўжыні хвалі выпраменьвання. Збіральная лінза 5 выхаднога каліматара 3 (гл. мал. 143-6) стварае на экране (фотапласцінцы), размешчаным у факальнай плоскасці лінзы, сукупнасць монахраматычных відарысаў уваходнай шчыліны. У выніку на экране атрымліваецца прасторавае раскладанне выпраменьвання ў спектр.

Прызначэнне спектральных прыбораў — рэгістрацыя залежнасці інтэнсіўнасці спектральных ліній ад частаты (даўжыні) хвалі выпраменьвання, г. зн. фактычнае вызначэнне, з якіх монахраматычных хваль складаецца дадзенае выпраменьванне.

Нагадаем, што ў якасці дыспергуючых элементаў спектральных прыбораў выкарыстоўваюцца прызмы або дыфракцыйныя рашоткі, прычым у найбольш дасканалых спектральных прыборах выкарыстоўваюцца менавіта дыфракцыйныя рашоткі.

Лагічна выказаць здагадку, што калі змяшаць усе колеры, то атрымаецца белае святло. Такое змешванне колераў можна лёгка атрымаць з дапамогай круга Ньютана (мал. 143-7). Калі досыць хутка вярцець дыск, то ў выніку змешвання колераў ён будзе ўспрымацца вокам як дыск шэрага колеру.

Цікава, што ў шэрагу выпадкаў для атрымання белага святла хапае змешвання двух колераў, такіх, напрыклад, як жоўты — фіялетавы, чырвоны — зялёны, сіні — аранжавы (мал. 143-8). Такія пары колераў называюцца дадатковымі.

З'явы дысперсіі і поўнага адбіцця прыводзяць да ўтварэння вясёлкі з прычыны праламлення сонечных праменяў на драбнюткіх вадзяных кропельках падчас дажджу, да непажаданага «афарбоўвання» відарысаў у аптычных сістэмах (храматычная аберацыя) і г. д. Англійскі вучоны Томас Юнг ў 1807 г. вызначыў, што тры колеры (сiнi, зялёны, і чырвоны) (мал. 143-9) у правільных прапорцыях могуць даваць адчуванні ўсіх астатніх колераў. На падставе гэтага нямецкі фізіёлаг Герман Гельмгольц развіў тэорыю, паводле якой колеравае ўспрыманне забяспечваецца трыма тыпамі колбачак з рознай колеравай адчувальнасцю. Адны з іх адчувальныя да чырвонага колеру, другія — да зялёнага, а трэція — да сіняга. Кожны колер аказвае дзеянне на ўсе тры колераадчувальныя элементы, але ў рознай ступені. Гэта тэорыя пацверджана ў эксперыментах, дзе мікраспектрафатометрам вымяралі паглынанне выпраменьванняў з рознай даўжынёй хвалі ў адзіночных колбачак сятчаткі вока чалавека. Гэты ж набор колераў выкарыстоўваецца ў сучасным тэлебачанні (гл. мал. 143-9)

Пытанні да параграфу

1.  Што называюць спектрам? Што такое дысперсія святла?
2.  Чаму шкляная прызма раскладае пучок белага святла ў спектр?
3.  Якія прыборы выкарыстоўваюцца для назірання і рэгістрацыі спектраў?
4.  Якія прызначэнне, будова і прынцып працы спектральных прыбораў?
5.  Чаму ў спектраскапіі лепш выкарыстоўваць дыфракцыйную рашотку, а не прызму?
6.  Вызначыце найменшую даўжыню светлавой хвалі, якая ўспрымаецца вокам чалавека, калі яе частата ν = 4,0 · 10¹⁴ Гц. Якога колеру будуць гэтыя прамені?
7.  Чым будуць адрознівацца спектры, атрыманыя ад адной і той жа крыніцы выпраменьвання пры дапамозе дыфракцыйнай рашоткі і прызмы?
8.   Чаму асветлены слуп дыму на цёмным фоне здаецца сіняватым, а на фоне светлага неба — жоўтым або чырвоным?
9.  Чаму ў яснае надвор'е зімой цені дрэў на снезе маюць блакітнаватае адценне?
10.Якім чынам з набору колераў можна атрымаць белае святло?
11.Якога колеру будуць літары, напісаныя на аркушы паперы зялёнай ручкай, калі разглядаць іх праз чырвонае шкло?