Естествознание. 10 класс

Урок 13. Взаимодействие поля и вещества. Цвет и спектры

Цвет и спектры

Взаимодействие поля и вещества. Цвет и спектры

Необходимо запомнить

ВАЖНО!

Поле и вещество взаимосвязаны и взаимодействуют между собой. Одним из примеров взаимодействия являются цвет и спектры. Свет, обладая волновой природой, переносит импульс и энергию. Свет и вещество могут взаимодействовать, при этом энергия может поглощаться, излучаться, отражаться и преломляться. Что и определяет цвет вещества.

Белый свет представляет собой совокупность различных длин волн. Пучок света при прохождении через призму распределяется по длинам волн в спектр.

Свойства разных веществ по-разному взаимодействовать с электромагнитным полем, дают подробную информацию о составе и структуре вещества. На этом свойстве основан спектральный анализ веществ.

Изучая спектры можно оценить энергию, которую переносит излучение. Такая характеристика волн называется интенсивностью. Эта характеристика зависит от температуры и длины волны.

Источником света могут быть нагретые тела. При этом чем выше температура, тем ниже длина электромагнитных волн.

Изучение спектров излучения позволяет определить химический состав, температуру и другие параметры.

Лабораторная работа «Наблюдение сплошного и линейчатого спектров»

Из истории изучения природы света

Природа света интересовала людей с древних времен. Философы древней Греции предлагали различные гипотезы происхождения света. Аристотель предполагал, что глаза испускают лучи света и ими ощупывают предметы. Пифагорийцы полагали, что солнечные лучи распространяются через эфир, т. е. специфической материальной средой.

В легендах мы находим интересные факты по геометрической оптике. Законы отражения были известны в Древней Греции. Одним из ярких примеров является повествование о том, как Архимед с помощью вогнутых зеркал сжёг флот, осаждавший город Сиракузы.

До второй половины XVII в. оптика представляла, по существу, один из разделов геометрии. Далее были установлены законы преломления света. И переоткрыты законы отражения. Закон преломления света открыли независимо друг от друга голландский учёный Виллеброд Снеллиус (1591–1626) и французский учёный Рене Декарт (1596–1650).

В эпоху Возрождения оптика приобретает особый статус, поскольку помогает расширить представления человека. Так создаётся подзорная труба (1609) и микроскоп (1637).

Сравнение расчётов оптических приборов с опытом ясно показало недостаточность принципов геометрической оптики для правильного описания и объяснения распространения света.

Первой проблемой физической оптики была проблема цветности световых лучей. До XVII в. естествоиспытатели, следуя традиции Аристотеля, считали, что цвета являются результатом смешения света с темнотой в разных пропорциях. Были также известны призматические цвета. Так цвет считался свойством тела.

Еще более трудная проблема физической оптики возникает во второй половине XVII в. Когда Франческо Гримальди обнаруживает явление дифракции.

Проблема цвета, связанная с ней проблема совершенствования оптических инструментов, необходимость объяснения явления дифракции – всё это настоятельно требовало пристального внимания учёных.

Волновая теория света. Наблюдение явлений дифракции навело на мысль о световых волнах. Роберт Гук, развивая идеи Гримальди, на одном из заседаний Лондонского Королевского общества в 1675 г. заявил: «Свет есть колебательное или дрожательное движение среды, происходящее вследствие подобного же движения светящегося тела, подобно звуку, который всегда объясняется дрожанием среды, проводящей его, получающимся от дрожательного движения звучащего тела. Как в звуке пропорциональные колебания производят различные гармонии, так же и в свете получаются различные странные и приятные цвета посредством смешения пропорциональных и гармоничных движений. Одни ощущаются ухом, другие глазом».

Дальнейшее развитие волновая гипотеза получила в «Трактате о свете» Христиана Гюйгенса (1629–1695), где предлагается гипотеза о механизме распространения света. Светящийся предмет, так же как и звучащее тело, приводит в движение окружающую среду, и это движение «распространяется так же, как и при звуке, сферическими поверхностями и волнами». Эта гипотеза получила название – принцип Гюйгенса. Свет, по Гюйгенсу, – это распространение импульсов, возбуждаемых светящимся телом в упругом эфире.

Гипотезы Ньютона и их развитие. Фундамент учения о свете заложил Исаак Ньютон. Серией в высшей степени убедительных экспериментов Ньютон устанавливает следующие фундаментальные факты оптики.

1. Причина цветов находится не в телах, а в свете; цвета являются прирожденными свойствами света.

2. Показатель преломления находится в строгой зависимости от цвета луча.

3. Принцип неизменности простого цвета.

«Вид окраски и степень преломляемости, свойственные какому-либо роду лучей, не могут быть изменены ни преломлением, ни отражением от тел, ни какой-либо иной причиной...» (принцип неизменности простого света).

Данная Ньютоном «анатомия света» сыграла огромную роль в дальнейшем развитии оптики. Она послужила базой для выяснения природы света.

Ньютон предлагает своеобразный синтез волновой и корпускулярной картины. В «Оптике» он даёт следующую модель: эфир заполняет промежутки между «грубыми частицами» тела. Если на тело падает свет – поток световых корпускул, то в эфире возбуждаются волны, распространяющиеся со скоростью, несколько большей скорости корпускул. Обгоняя корпускулы, волны подводят к «грубым частицам» то «фазу расширения», то «фазу сгущения», вызывая этим «приступы» поочерёдно следующих друг за другом прохождений и отражений. Хотя в дальнейшем волновая составляющая им не развивается.

В своей книге «Оптика» Ньютон пишет: «Не производят ли лучи различных сортов колебания различной ширины, так что эти колебания, смотря по ширине, возбуждают ощущения различных цветов почти так же, как воздушные колебания вызывают ощущения различных звуков, смотря по их ширине». Эта аналогия даёт представление о механизме распространения света в веществе с помощью волновой гипотезы.

В оптических воззрениях XVIII в. господствует корпускулярная гипотеза. Одна корпускулярная гипотеза всё же не давала возможности интерпретировать эти явления. В то же время и волновая гипотеза не справлялась с целым рядом фактов (прямолинейность распространения, поляризация), приходилось прибегать к корпускулярным представлениям.

Принимая ту и другую гипотезу, Ньютон одновременно подчеркивал недостаточность гипотез вообще, их подчиненное положение по отношению к опытным фактам.

Дальнейшее развитие волновой оптики. Развитие идей Гука и Гюйгенса получает в трудах Эйлера, который последовательно проводит аналогию между светом и звуком: звук распространяется в воздухе, свет – в эфире продольными волнами. Эйлер вводит в волновую оптику её важнейший элемент – представление о периодичности света. Цветность светового луча, по Эйлеру, определяется длиной его волны.

Наряду с теоретическими конструкциями к концу XVIII в. появляются экспериментальные факты, тесно связанные с решением вопроса о природе света. В 1791 г. аббат Прево устанавливает общность свойств тепловых и световых лучей, Вильям Гершель (1738–1822) в 1800 г. открывает инфракрасные лучи по их тепловым действиям, а Иоганн Риттер – ультрафиолетовые лучи по их химическим действиям. Далее выясняется, что невидимые излучения по своим свойствам тождественны свету.

В 1801 г. Томас Юнг (1773–1829) формулирует гипотезу о том, что светящееся тело возбуждает колебательные движения в эфире; ощущение цветов зависит от частоты колебаний, возбужденных светом на сетчатке.

Юнг вводит понятия частоты колебаний и длины волны, устанавливает соотношение между ними и скоростью распространения волны:

$\upsilon = \nu\lambda $

Он даёт первые вычисления длин волн, определяя крайние границы видимого спектра.

Одним из важнейших открытий Юнга является открытие явления интерференции для световых волн, сделанное им в 1801 г.

Введение представления о поперечности световых волн. В 1818 г. французский физик Огюстен Френель (1788–1827) представил во Французскую академию «Мемуар о дифракции света», в котором высказал плодотворную идею соединить принцип интерференции Юнга с принципом Гюйгенса. Эта идея позволила построить первую количественную теорию диффракционных явлений. Однако начиная еще с 1808 г. развиваются события, которые заставляют усомниться в преимуществе волновой теории по сравнению с корпускулярной.

В конце 1808 г. Малюс открывает новый оптический факт – поляризацию света при отражении. Араго в 1811 г. устанавливает возможность вращения плоскости поляризации, а Био в 1813 г. описывает явление хроматической поляризации. Наконец, Френель в 1816 г. ставит ряд экспериментов, обнаруживающих, в частности, что интерференция поляризованных лучей происходит только при параллельном расположении плоскостей поляризации. Эти факты никак не укладывались в рамки волновой теории, в которой волны в эфире предполагались аналогичными звуковым, т. е. продольными.

К концу XIX в. кристаллизовалось представление о свете, как поперечных электромагнитных волнах. Следующий шаг к раскрытию природы света принадлежит квантовой теории.

Предметы

По алфавиту По предметным областям

Классы

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
angle-skew-bottom mix-copy next-copy-2 no-copy step-1 step-2 step-3 step-4 step-5 step-6 step-6