Часть 4

ОПТИКА. СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Раздел 12 ВОЛНОВЫЕ СВОЙСТВА СВЕТА

12.1. Дисперсия света

Среди оптических явлений особое место принадлежит спектрам. Самым распространенным примером является радуга, которая возникает в дождевых каплям, освещенных Солнцем. В лаборатории для наблюдения этого явления обычно используют стеклянную призму или дифракционную решетку. Во всех случаях мы видим вместо белого света полосы красного цвета на одном конце, постепенно переходят в оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и заканчиваются фиолетовым на втором.

И. Ньютон объяснил появление спектра тем, что белый свет на самом деле является смесью разных цветов, а призма или дождевая капля только отделяют их друг от друга. Спектр возникает вследствие того, что лучи различных цветов, которые входят в состав белого света, преломляющиеся по-разному. На рис. 12.1 сплошной линией показан путь фиолетового света, а штриховой - красного.

Рис. 12.1

Мы не будем объяснять причину преломления, поскольку для этого нужны знания атомной структуры прозрачных сред. Свет одного цвета можно выделить, пропуская, например, белое свет через призму и ставя потом на его пути непрозрачную пластинку с узкой щелью, которая вырежет участок спектра этого цвета. Такой свет одного цвета, что соответствует определенной длине волны, называют монохроматическим. Приборы, с помощью которых выделяют излучение (видимое и невидимое) определенной длины волны, называют монохроматорами. Можно достать желтое монохроматическое свет непосредственно от источника, который его излучает. Для этого можно воспользоваться горелкой, в пламени которого поместить любое вещество, содержащее натрий, например обычную поваренную соль. Натрий дает монохроматический свет желтого цвета. Однако не следует считать, что именно И. Ньютону принадлежит открытие спектральных цветов. С. И. Вавилов писал, что спектральные цвета были известны еще задолго до И. Ньютона, об их существовании знали Леонардо да Винчи, Г. Галилей и много других. И. Ньютон установил наличие зависимости показателя преломления вещества от длины световой волны, которую называют дисперсией света. Практически дисперсию характеризуют заданием значений показателя преломления для нескольких длин волн, например: красной (λ = 656,3 нм), желтого (589,3 нм), синей (486,1 нм), фиолетовой (434,1 нм).

Каждой прозрачной веществу свойственна дисперсия, которая определяется так:

где n₂, n₁ - показатели преломления соответственно для λ₂ и λ₁.

На рис. 12.2 показана зависимость показателя преломления от длины волны n = f(λ). Такая зависимость может быть для всех прозрачных неокрашенных веществ в пределах видимой части спектра. Как видно из рисунка, уменьшение длины волны приводит к увеличение показателя преломления. Зависимость n = f(λ) имеет нелинейный характер. В случае, изображенном на рис. 12.2, 0. Такую дисперсию называют нормальной, в отличие от аномальной, для которой > 0.

Рис. 12.2

Аномальная дисперсия наблюдается на участках поглощения. На участке нормальной дисперсии зависимость показателя преломления от длины волны можно приближенно описать формулой

где А, В, С - константы вещества, которые определяются экспериментально. Для большинства случаев можно ограничиться двумя первыми членами и записать

Тогда

Явление дисперсии лежит в основе образование оптических спектров, а трехгранную стеклянную призму используют как составную часть спектрографа - прибора, с помощью которого достают такие спектры.

Важнейшими количественными характеристиками оптического (как и любого электромагнитного) излучения является его интенсивность и частота колебаний (длина волны), характеризующие такое излучения. В целом эти величины определяют спектр излучения.

Если построить диаграмму (рис. 12.3), на которой по оси абсцисс отложить длины световых волн λ (или частоты колебаний), а по оси ординат - квадраты амплитуд электрического вектора (интенсивность), то получим графическое изображение спектра, который изображен на рис. 12.4. Длина отрезков, изображенных на рис. 12.3 для каждой световой волны, пропорциональная яркости ее спектральной линии, которые изображены на рис. 12.4. Изображены на рис. 12.3 излучения, соответствующие отдельным спектральным линиям, идеально монохроматичними, поэтому линии, характеризующие яркость их спектра, надо понимать как геометрические. На самом деле невозможно получить идеально монохроматическое излучение, поскольку оно должно продолжаться с неизменной амплитудой, частотой и фазой в течение бесконечного времени. Реальные световые процессы имеют конечную длительность, они состоят из большого количества конечных излучений отдельных атомов. Вследствие этого вместо идеально узких линий получают спектральные линии конечной ширины, то есть «спектральные линии» на самом деле являются спектральными полосами большей или меньшей ширины. Свет, что соответствует спектральной линии очень узкой, но конечной ширины, на практике берут за монохроматическое (одноцветное). Его характеризуют длиной волны максимума интенсивности в спектральной линии. Монохроматичность таких излучений приближенная. Поэтому такие световые излучения называют квазімонохроматичними. Именно такими являются все реальные монохроматические излучения.

Рис. 12.3 Рис. 12.4