Волновая оптика

Разогнанные сильным электрическим полем до околосветовых скоростей электроны, попадая на анод, резко тормозят, т. е. двигаются с огромным отрицательным ускорением. При этом возникает интенсивное электромагнитное излучение, причиной которого является торможение электронов на аноде, поэтому это излучение было названо тормозным. Таким образом, тормозное рентгеновское излучение вызвано самими тормозящими электронами. Тормозное рентгеновское излучение дает сплошной спектр.

При очень  большом напряжении между катодом  и анодом, когда энергия электронов становится чрезвычайно велика, ударяющиеся об анод электроны начинают возбуждать атомы анода. Эти атомы, переходя из. возбужденного в нормальное состояние, испускают электромагнитные волны с длиной волны, еще меньшей, чем при тормозном рентгеновском излучении. Это излучение было названо характеристическим, поскольку с его помощью можно охарактеризовать вещество антикатода.

В отличие от сплошного спектра тормозного рентгеновского излучения характеристическое рентгеновское излучение дает линейчатый спектр, причем каждое вещество, из которого изготавливают антикатод, дает только ему присущий спектр характеристического излучения, поэтому по такому спектру можно судить о веществе антикатода.

Рентгеновские лучи обладают свойствами, при сущими волнам: интерференцией и дифракцией, что свидетельствует об их электромагнитной волновой природе. Для наблюдения интерференции рентгеновских лучей понадобилась такая дифракционная решетка, период которой был сравним с длиной волны рентгеновских лучей, т. е. был бы порядка 10^-10 м. Человек не в силах изготовить дифракционную решетку со столь малым периодом, и здесь ему па помощь пришла природа. В 1912 г. немецкий физик JIауэ предложил использовать в качестве дифракционной решетки для наблюдения дифракций рентгеновских лучей естественные решетки кристаллов, где атомы в узлах решетки могут играть роль непрозрачных штрихов, а межатомные, промежутки - прозрачных полос. В результате облучения кристаллов рентгеновскими лучами и вследствие их дифракции на экране была по лучена интерференционная картина, изображенная на рис. 17. Так была подтверждена волновая природа рентгеновских лучей.                                                     Рис. 17

20

Лучи  Рентгена нашли широкое применение в практической деятельности людей. Мягкие рентгеновские лучи с длиной волны порядка 10^-7- 10^-8 м применяются в медицине, благодаря их способности проникать сквозь мышечные и костные ткани. Жесткие рентгеновские лучи с длиной волны 10^-9 - 10^-10 м используются В рентгеновском структурном анализе - методе исследования структуры веществ, основанном на дифракции рентгеновских лучей. Широкое применение нашли рентгеновский микроскоп; предназначенный для исследования различных микрообъектов, и рентгеновский телескоп для изучения свойств космических источников волн рентгеновского диапазона. С помощью рентгенографии материалов можно исследовать различные непрозрачные предметы для обнаружения в них дефектов и напряжений, не разрушая их.  

ДИСПЕРСИЯ СВЕТА. СПЕКТР. ИНФРАКРАСНАЯ И УЛЬТРАФИОЛЕТОВАЯ ЧАСТИ СПЕКТРА

Дисперсией  света называют зависимость  показателя преломления  вещества от частоты  световой волны, проходящей сквозь это вещество.

Световые  волны разной частоты по разному  преломляются прозрачными веществами, поэтому дисперсия волн приводит к разложению сложного света, например, белого на волны отдельных частот, которым соответствуют разные цвета. Поэтому белый свет, попадая на прозрачную стеклянную призму, разлагается на цветные (монохроматические) лучи (монохроматический - одноцветный).

Первые экспериментальные исследования дисперсии белого света были осуществлены Ньютоном в 1672 г.

Рис. 18

Рассмотрим  рис. 18, на котором схематически изображен опыт, позволяющий наблюдать дисперсию света, подобный тому, который проделал сам Ньютон. Сквозь малое отверстие О в темной комнате пропускают солнечный луч, падающий на треугольную стеклянную призму П. Упав на ее боковую грань, луч разлагается на лучи разного цвета, которые по выходе из призмы попадают на экран и образуют на нем видимый спектр, состоящий из семи цветов, расположенных в строго определенном порядке по степени их прело мления призмой: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый (легко запомнить по первым буквам фразы: каждый охотник желает знать, где сидит фазан).

 Когда  Ньютон пропустил луч одного  цвета сквозь призму, то обнаружил, что такой монохроматический луч уже больше не разлагается. Из этого он сделал вывод, что солнечный свет является сложным светом, состоящим из семи основных цветов. Собрав лучи всех этих цветов с помощью собирающей линзы, можно вновь получить белый свет.

Ньютон  объяснил явление дисперсии света  на основе своей корпускулярной теории света тем, что края отверстия по разному притягивают корпускулы разных энергий, летевших в одном луче и поэтому они пространственно разделяются.  

21

Иное  объяснение явления дисперсии было сделано Томасом Юнгом на основе волновой теории света. Согласно этой теории световая волна, проходя сквозь вещество, вызывает вынужденные колебания  заряженных частиц в атомах этого вещества с частотой, равной частоте световой волны. Если световой луч содержит волны разных частот, то и частицы вещества будут колебаться с разными частотами. Расчеты показывают, что показатель преломления вещества зависит от частоты колебаний его частиц, поэтому разным частотам будут соответствовать разные показатели преломления.

Опыт  показывает, что слабее других лучей  видимого спектра отклоняются призмой  лучи красного цвета, которым соответствует наибольшая длина волны и наименьшая частота. Следовательно, для красных лучей показатель преломления наименьший, а поэтому согласно формуле

скорость  красных лучей в прозрачном веществе наибольшая, т. е. красный свет быстрее остальных лучей видимого спектра проходит сквозь призму.

Сильнее всех лучей видимого спектра преломляются призмой фиолетовые лучи, которым соответствует наименьшая длина волны и наибольшая частота. Следовательно, для фиолетовых лучей показатель преломления наибольший, а их скорость в прозрачном веществе - наименьшая.

За видимой красной границей спектра с помощью термопары - чувствительного прибора, позволяющего обнаруживать даже слабое излучение, - было обнаружено невидимое излучение с длиной волны, большей, чем у красных лучей, а с частотой еще меньшей, чем у них. Это излучение было названо инфракрасным. Инфракрасные лучи слабее красных преломляются призмой.

Инфракрасные  лучи - это тепловые лучи, именно они  приносят на Землю через холод  космического пространства солнечное тепло. Некоторые вещества, непрозрачные для лучей видимого спектра, являются прозрачными для инфракрасных лучей, поэтому эти вещества используют в качестве светофильтров для выделения инфракрасных лучей. С помощью инфракрасных лучей можно фотографировать в темноте. Инфракрасные лучи находят применение в военном деле, например, в приборах ночного видения. Инфракрасные лазеры применяют для наземной и космической связи.

За видимой  фиолетовой границей спектра также  было обнаружено невидимое излучение, которое было названо ультрафиолетовым.  Длина волны ультрафиолетовых лучей еще меньше, а частота еще больше, чем у фиолетовых, поэтому они еще сильнее преломляются стеклянной призмой. Ультрафиолетовые лучи способны ионизировать газы, вызывать фотоэффект у многих металлов, изменять оптические свойства некоторых веществ. Например, обычное стекло, прозрачное для лучей видимого света, непрозрачно для ультрафиолетовых лучей, поскольку в ультрафиолетовом свете сильно возрастает поглощение стеклом энергии световых волн. Ультрафиолетовые лучи вызывают люминесценцию (холодное свечение) многих веществ, что используется в люминесцентном анализе и дефектоскопии. Под действием ультрафиолетового излучения происходят некоторые химические реакции, что используется в фотохимии. Ультрафиолетовые лучи оказывают значительное биологическое воздействие на живые организмы. В небольших дозах они способствуют вырабатыванию в организме витамина D, улучшают иммунитет к разным заболеваниям. Но в больших дозах ультрафиолетовые лучи способны разрушать красные кровяные тельца, что может привести к тяжелым заболеваниям.  
 

22

СПЕКТРОСКОП. ВИДЫ СПЕКТРОВ

Спектроскоп - это прибор, предназначенный для визуального исследования спектрального состава электромагнитных волн оптического диапазона. Приборы, предназначенные для фотографирования спектра, называют спектрографами.

Основной  частью любого спектрального аппарата является элемент, способный разделить пучок световых лучей на монохроматические составляющие - дисnергирующий элемент. Это может быть треугольная стеклянная призма, дифракционная решетка или другое приспособление (набор светофильтров, интерферометр).

Рассмотрим  принцип действия призменного спектроскопа, разрез которого изображен на рис. 19. На торце трубки, называемой коллиматором, находится узкая щель, пропускающая пучок исследуемых лучей внутрь прибора. Эта щель расположена в фокальной плоскости собирающей линзы Л₁, благодаря чему лучи после преломления в линзе идут параллельно ее главной оптической оси и равномерно освещают боковую грань стеклянной ной призмы П. На этой грани лучи преломляются и диспергируют (разлагаются на монохроматические). Те лучи, которые по выходе из призмы оказываются параллельными, собирает линза Л₂ в своей фокальной плоскости, где образуется спектр, который рассматривают в окуляр зрительной трубы или фотографируют, поместив в фокальной плоскости линзы фотопленку.

Рис. 19

Существуют  спектроскопы, в которых вместо призмы П диспергирующим элементом служит дифракционная решетка. Известно, что  большей длине волны соответствует больший угол дифракции, поэтому лучи красного цвета сильнее отклоняются дифракционной решеткой от первоначального направления, чем остальные лучи видимого спектра, а фиолетовые - слабее. В результате порядок расположения цветов в спектре, даваемом дифракционной решеткой, обратный порядку их расположения в спектре, даваемом призмой, которая сильнее отклоняет лучи фиолетового цвета, а красные - слабее остальных лучей видимого спектра.

В современных  спектроскопах вместо линз Л₁ и Л₂ применяют сферические или параболические зеркала, фокусное расстояние которых не зависит от частоты падающего света. Тогда как у стеклянных линз фокусное расстояние зависит от показателя преломления стекла, а показатель преломления в свою очередь зависит от частоты световых волн, что приводит к искажению спектра.

Вид спектров различных веществ зависит от их агрегатного состояния, температуры свечения и химического состава и не зависит от способа возбуждения, вызывающего свечение вещества.

Если  атомы вещества каким-либо способом (например, нагреванием или воздействием постороннего излучения) привести в возбужденное состояние, передав им извне порцию энергии, то электроны в атомах совершат квантовый переход с нижних на верхние энергетические уровни. При этом атомы придут в возбужденное состояние, которое является неустойчивым и сопровождается излучением электромагнитных волн. Их излучение связано с переходом электронов с верхних энергетических уровней на нижние. Образующийся при этом спектр называют спектром излучения.  

23

В зависимости  от агрегатного состояния вещества спектры бывают сплошные, полосатые и линейчатые.

Сплошные (или непрерывные) спектры дают вещества, находящиеся в  твердом или жидком состоянии, а также  высокотемпературная  плазма и сильно сжатые газы. Атомы в этих веществах расположены столь близко друг к другу, что их взаимодействие велико, вследствие чего электромагнитные волны, излучаемые ими, имеют широкий и непрерывный интервал частот. Каждой частоте излученных волн соответствует определенная линия в спектре, поэтому линии непрерывно следуют друг за другом, образуя сплошной спектр. В высокотемпературной плазме происходят непрерывные столкновения заряженных частиц плазмы - электронов и ионов. При каждом столкновении меняется их скорость, т. е. возникает ускорение, а заряды, движущиеся с ускорением, излучают электромагнитные волны. Поскольку энергия заряженных частиц плазмы имеет широкий интервал значений, волны, излучаемые ими, имеют сплошной интервал частот, чему соответствует сплошной спектр излучения.

Характер  сплошного спектра очень сильно зависит от взаимодействия атомов вещества друг с другом.

В окуляре  спектроскопа сплошной спектр представляет собой разноцветную полосу, не разделенную  никакими темными промежутками.

Спектр  молекулярного газа (водорода Н₂ кислорода О₂ углекислого газа СО₂ и др.) является полосатым. Он представляет собой отдельные цветные полосы, разделенные узкими темными промежутками. Цветные полосы в таком спектре создают излучающие свет возбужденные молекулы газа, в которых атомы элементов, входящих в состав молекулы, тесно связаны друг с другом. Темные промежутки между цветными полосами соответствуют промежуткам между молекулами.