Дисперсия света

Размещено на http://allbest.ru

1. Способы наблюдения дисперсии. Призматический и дифракционный спектры. Метод Рождественского

Явление дисперсии заключается в том, что показатель преломления зависит от длины волны.

Спектр, показанный на рис. является призматическим. Фиолетовые волны преломляются сильнее красных, т.к. длина волны красных волн больше, чем у фиолетовых, а частота, соответственно, меньше, то показатель преломления красных волн будет меньше, чем у фиолетовых.

Призмы часто используются в различных спектроскопах (Спектроскоп (спектрометр, спектрограф) (от спектр и др. - греч. укпр?щ - смотрю) - оптический прибор для визуального наблюдения спектра излучения.) Отличие спектрометра от спектрографа заключается в том, что в спектрометре происходит визуальное наблюдение спектра с помощью глаз, а в спектрографе используется какой-либо способ записи спектра - фотопластинка, самописец, фотоумножитель или фотоэлемент, цифровая фотокамера и т.п. Те и другие используются для быстрого качественного спектрального анализа веществ в химии, металлургии (например, стилоскоп) и т. д).

Дисперсия света называется нормальной, если показатель преломления монотонно убывает с увеличением длины волны (возрастает с увеличением частоты).

В случае дисперсия, если

дисперсия света называется аномальной.

Нормальная дисперсия света наблюдается вдали от собственных линий поглощения, аномальная - в пределах полос или линий поглощения.

Оптическая схема спектросенситометра ИСП-73: 1 - источник света (ленточная лампа накаливания); 2 - двухлинзовый конденсор; 3 - дисковый затвор с выдержками 0,05, 0,2 и 1,0 сек; 4 - револьверный диск с набором дырчатых диафрагм; 5 - входная щель спектрографа; 6 - объектив коллиматора; 7 - призмы; 8 - объектив камеры спектрографа. (Источник: БСЭ). дисперсия спектр свет интерферометр

Для изучения нормальной и аномальной дисперсии можно использовать метод скрещенных призм.

Призма П ₁ - стеклянная, П ₂ - из вещества, дисперсия в котором исследуется. Если бы призмы П ₂ не было бы, то на экране Э наблюдался бы спектр нормальной дисперсии стекла. При наличии призмы П ₂ происходит искривление дисперсионной картины при нормальной дисперсии в П ₂, и разрыв искривленной дисперсионной картины - при аномальной дисперсии.

Метод скрещенных призм нельзя использовать в том случае, если нас интересует n паров и газов, показатель преломления которых близок к 1. В этом случае Д.С. Рождественский предложил вместо призмы П ₁ поставить интерферометр Жамена, в одно из плеч которого помещается запаянная трубочка с газом, в другое - пластинки, дисперсия которой известна. Вместо призмы П ₂ ставят дифракционный или призматический спектрограф ( - дифракционный спектр линейно зависит от л).

2. Электронная теория дисперсии света. Аномальная и нормальная дисперсия света. Связь дисперсии и поглощения

Макроскопическая теория Максвелла не может объяснить дисперсию света. Из теории Максвелла следует, что, при м = 1.

Для воды е = 81, следовательно, , а в действительности n_в =1,33. Такое противоречие между теорией Максвелла и экспериментом возникает вследствие того, что мы правильно применяем формулу е₀ = 81, которая справедлива только в статическом поле (щ = 0). Молекулы воды постоянно ориентируются в переменном электрическом поле. Электрическое поле световой волны изменяется по гармоническому закону.

е(щ) < е(0), поэтому n(щ) < n(0). Т.е. для каждой частоты будет свой показатель преломления. Поэтому нужно учитывать зависимостьn от частоты.

Явление дисперсии можно объяснить, рассматривая взаимодействие световой волны с веществом. Такое стало возможным благодаря классической электронной теории Лоренца.

Согласно классической электронной теории электроны в атоме совершают колебания под действием квазиупругой силы. Световая волн, падающая на диэлектрик, заставляет электроны, находящиеся в атоме этого диэлектрика, совершать вынужденные колебания, частота которых совпадает с частотой вынуждающей силы. Но электроны, движущиеся ускоренно излучают электромагнитные волны. Эти вторичны волны, излучаемые электронами атомов вещества, имеют ту же частоту, что и падающая волна.

Начальные фазы могут различаться. Эти вторичные волны интерферируют с падающей волной, и в веществе распространяется результирующая волна, направление которой совпадает с направлением падающей волны, скорость которой зависит от частоты (а в вакууме равна скорости света). Следовательно, показатель преломления n зависит от частоты щ.

где ч - диэлектрическая восприимчивость вещества, Р - вектор поляризации (результирующий дипольный момент единицы объёма).

Согласно теории Максвелла

при м = 1.

В условиях, когда на вещество падает световая волна, электрическое поле изменяется столь быстро, что поляризуемость (нас будет интересовать только электронная, т.е. индуцированная полем световой волны) не успевает изменяться за полем.

В этом случае

где n₀ - количество атомов в единице объёма, Р_Е - индуцированный дипольный момент одного атома. Можно показать, что наиболее сильному воздействию электрического поля световой волны подвергаются наиболее слабо связанные с ядром электроны, так называемые оптические электроны.

Для простоты считаем, что каждый атом содержит один оптический электрон. Тогда

х - смещение.

т.е. n зависит от смещения электронов в атоме, под действием поля световой волны. На электрон, находящийся в атоме действует также силы:

квазиупругая - из-за наличия связи электрона с ядром:

сила сопротивления

Вынуждающая сила со стороны световой волны

Под действием этих сил электрон начинает совершать вынужденные колебания

Для простоты рассмотрения будем пренебрегать затуханием колебаний. В этом случае

Из последней формулы видно, что n зависит от частоты падающего света, так же как и е.

Если щ₀ > щ, то n существует, если щ₀ = щ, то n терпит разрыв 2-го рода.

В том случае, если атом содержит несколько валентных электронов:

Если учесть затухание (в ? 0), то мы получаем формулу, которая даёт хорошее соответствие с экспериментальной кривой)

3. Поглощение света. Закон Бугера

Экспериментально было установлено, что свет, проходя через вещество поглощается.

Особенно сильное поглощение наблюдается для тех длин волн, частоты которых совпадают с собственными частотами для данного вещества.

Интенсивность света изменяется по закону:

где б - коэффициент поглощения,

I₀ - интенсивность падающего света,

- толщина поглощающего слоя.

Знак минус показывает, что dI и имеют противоположные знаки, т.е. с ростом толщины поглощающего слоя интенсивность прошедшего света падает.

- закон Бугера

Если

то

Коэффициент поглощения б есть величина обратная величине пути в данном веществе, проходя который, свет уменьшает свою интенсивность в е раз.

Если растворить поглощающие свет вещество в растворителе, который не поглощает данный цвет, то коэффициент поглощения раствора будет прямо пропорционален длине поглощающего вещества, т.е.

Для разряженных газов спектр поглощения является линейчатым. Для газа в молекулярном состоянии спектр поглощения является полосатым. Для твердых диэлектриков спектр поглощения сплошной в определенном интервале частот. Все другие частоты диэлектрик будет пропускать.

Размещено на Allbest.ru