ВОЛНОВЫЕ СВОЙСТВА ПРИМЕНЕНИЯ СВЕТА В МЕДИЦИНЕ И 2

Восприятие света глазом

Нормированные спектральные зависимости чувствительности колбочек трёх типов. Пунктиром показана светочувствительность палочек

Видеть окружающий мир мы можем только потому, что существует свет и человек способен его воспринимать. В свою очередь, восприятие человеком электромагнитного излучения видимого диапазона спектра происходит благодаря тому, что в сетчатке глаза человека располагаются рецепторы, способные реагировать на это излучение.

Сетчатка человеческого глаза имеет два типа светочувствительных клеток: палочки и колбочки. Палочки обладают высокой чувствительностью к свету и функционируют в условиях низкой освещённости, отвечая тем самым за ночное зрение. Однако спектральная зависимость чувствительности у всех палочек одинакова, поэтому палочки не могут обеспечить способность различать цвета. Соответственно, изображение, получаемое с их помощью, бывает только чёрно-белым.

Колбочки имеют относительно низкую чувствительность к воздействию света и обусловливают механизм дневного зрения, действующий только при высоких уровнях освещённости. В то же время, в отличие от палочек, в сетчатке глаза человека имеется не один, а три типа колбочек, отличающихся друг от друга расположением максимумов их спектральных распределений чувствительности. Вследствие этого колбочки поставляют информацию не только об интенсивности света, но и о его спектральном составе. Благодаря такой информации у человека и возникают цветовые ощущения.

Спектральный состав света однозначно определяет его цвет, воспринимаемый человеком. Обратное утверждение, однако, неверно: один и тот же цвет может быть получен различными способами. В случае монохроматического света ситуация упрощается: соответствие между длиной волны света и его цветом становится взаимнооднозначным. Данные о таком соответствии представлены в таблице.

Таблица соответствия частот электромагнитного излучения и цветов

История теорий света в хронологическом порядке

В V веке до н. э., Эмпедокл предположил, что всё в мире состоит из четырёх элементов: огня, воздуха, земли и воды. Он считал, что из этих четырёх элементов, богиня Афродита создала человеческий глаз, и зажгла в нём огонь, свечение которого и делало зрение возможным. Для объяснения факта, что тёмной ночью человек видит не так хорошо, как днём, Эмпедокл постулировал взаимодействие между лучами, идущими из глаз, и лучами от светящихся источников, таких, как солнце.

Примерно в 300 году до н. э. Евклидом был написан труд «Оптика», дошедший до наших дней, в котором он исследовал свойства света. Евклид утверждал, что свет распространяется по прямой линии, он изучал законы отражения света и описал их математически. Он выразил сомнение в том, что зрение является следствием исхождения луча из глаза, задаваясь вопросом: как человек, открыв в ночное время глаза, устремлённые в небо, может моментально увидеть звёзды. Проблема решалась только, если скорость луча света, исходящего из человеческого глаза, была бесконечно большой.

В 55 году до н. э. римский писатель Лукреций, продолживший идеи ранних греческих философов-атомистов, в своём сочинении «О природе вещей» писал, что свет и тепло солнца состоят из мельчайших движущихся частиц. Однако общего признания взгляды Лукреция на природу света не получили.

Птолемей (около II века) в своей книге «Оптика» описал преломление света.

Корпускулярная и волновая теории света

Начиная с XVII века научные споры о природе света шли между сторонниками волновой и корпускулярной теорий.

Основателем волновой теории можно считать Рене Декарта, который рассматривал свет как возмущения в мировой субстанции — пленуме. Волновую теорию света разрабатывали Роберт Гук, предположивший и то, что свет является поперечной волной, и Христиан Гюйгенс, давший правильную теорию отражения и преломления света исходя из его волновой природы. По мнению Гюйгенса, световые волны распространяются в особой среде — эфире. Несколько раньше Гримальди открыл интерференцию и дифракцию света, объясняя их с помощью идеи волн, хотя в не слишком ясном и чистом виде, также предположив и связь цвета с волновыми свойствами света.

Корпускулярную теорию сформулировал Пьер Гассенди и поддержал Исаак Ньютон.

В начале XIX века опыты Томаса Юнга с дифракцией дали убедительные свидетельства в пользу волновой теории. Юнг высказал предположение, что разные цвета соответствуют различным длинам волны. В то же время опыты Малюса и Био с поляризацией дали, как казалось тогда, убедительные свидетельства в пользу корпускулярной теории и против волновой теории. Но в 1815 году Ампер сообщил Френелю, что поляризацию света можно объяснить и с волновой точки зрения, если предположить, что свет представляет собой поперечные волны. В 1817 году свою волновую теорию света изложил в заметке для Академии наук Огюстен Френель.

После создания теории электромагнетизма свет был идентифицирован как электромагнитные волны.

Победа волновой теории пошатнулась в конце XIX века, когда опыты Майкельсона-Морли не обнаружили эфира. Волны нуждаются в существовании среды, в которой они могли бы распространяться, однако тщательно спланированные эксперименты не подтвердили существование этой среды. Это привело к созданию Альбертом Эйнштейном специальной теории относительности.

Рассмотрение задачи о тепловом равновесии абсолютно чёрного тела со своим излучением Максом Планком привело к появлению идеи об излучении света порциями — световыми квантами, которые получили название фотонов. Анализ явления фотоэффекта Эйнштейном показал, что поглощение световой энергии тоже происходит квантами.

С развитием квантовой механики утвердилась идея Луи де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме, по которой свет должен обладать одновременно волновыми свойствами, чем объясняется его способность к дифракции и интерференции, и корпускулярными свойствами, чем объясняется его поглощение и излучение.

С развитием квантовой механики стало развиваться и понимание того, что вещество (частицы) также имеют волновую природу и во многом подобны свету.

В современной фундаментальной физике (см. например #Квантовая электродинамика) свет и «материальные частицы» рассматриваются по сути равноправно — как квантовые поля (хотя и разных типов, имеющих некоторые существенные различия). Корпускулярный (в основном представленный техникой интегралов по траекториям) и волновой подход в современном виде являются скорее разными техническими подходами или представлениями в рамках одной картины.

Свет в специальной теории относительности

Законы геометрической оптики
описывают поведение светового луча и
не рассматривают его природу.

Свет же по своей природе обладает
корпускулярно-волновым дуализмом, т.е.
обладает потенциальной возможностью
проявить и волновые и корпускулярные
свойства. Чем больше частота
электромагнитного излучения, а,
следовательно, больше энергия и импульс
фотона ( фотон- это порция элекромагнитного
излучения, энергия которого

,
фотон не обладает массой покоя, но его
движение характеризуется импульсом,
фотон может двигаться только со скоростью
равной скорости света), тем вероятнее
проявление его свойств как частицы. Чем
меньше частота электромагнитных
колебаний, тем меньше величина энергии
и импульса фотона и тем отчетливее
проявляются его волновые свойства.

Волновые свойства света проявляются
в таких оптических явлениях как
интерференция , дифракция и поляризация.
А такие физические явления как поглощение
света веществом, дисперсия света могут
быть объяснены как волновыми свойствами
света, так и корпускулярными.

Законы теплового излучения, атомные
спектры определяются корпускулярными
свойствами света.

Волновые свойства света

Волновые свойства света представляет собой электромагнитную волну, свойства которой таковы, что вектор напряженности электрического поля всегда перпендикулярен вектору индукции магнитного поля и оба этих вектора перпендикулярны скорости распространения волны.

Интерференция волн

К числу явлений, характерных для волновых процессов, относится интерференция волн, заключающаяся в том, что при взаимном наложении двух волн может происходить усиление и ослабление колебаний. Чтобы ознакомиться с этим явлением, рассмотрим, что произойдёт, если в некоторую точку пространства будут приходить волны одинаковой длины.

Пронаблюдаем это явление на примере волн, распространяющихся по поверхности воды.

Будем непрерывно создавать волны на поверхности воды в двух каких-нибудь её точках. Для этого в непосредственной близости к поверхности воды поместим концы двух проволочек, приделанных к упругой металлической пластинке.

При колебании пластинки концы проволочек будут периодически погружаться в воду и возбуждать колебания, распространяющиеся в виде волн одинаковой длины по её поверхности. Каждая из проволочек возбуждает свою систему волн. Две системы волн, налагаясь одна на другую, будут взаимодействовать. В результате получится картина, изображённая на рисунке 305.

Для дальнейшего важно, чтобы две системы волн были согласованы, т. е. чтобы при одинаковой длине они выходили из центров колебания в одинаковых фазах, или, если они при возникновении сдвинуты по фазе (например, возникали в противоположных фазах), то сдвиг фаз со временем не должен меняться. Такие волны называются когерентными.

В данном опыте когерентность обеспечена тем, что оба конца проволоки периодически касаются поверхности воды одновременно — волны оставляют центры колебания в одинаковых фазах.

Построим картину наложения двух систем когерентных волн. На рисунке 306 сплошными окружностями обозначены гребни

кольцевых волн, распространяющихся по поверхности воды от источников, а пунктирными — впадины. Точки, где встречаются волны обеих систем в одинаковых фазах, впадина с впадиной и гребень с гребнем,— точки усиленных колебаний (максимумы), расположены на сплошных линиях аа. Точки же ослабленных колебаний (минимумы), в которых встречается впадина одной волны с гребнем другой, расположены вдоль пунктирных линий bb.

При наличии когерентности волн картина чередования максимумов и минимумов будет устойчивой. В самом деле, если в данный момент в какой-либо точке встречаются гребень с гребнем, то через полпериода там же встретятся впадина с впадиной, а ещё через полпериода опять гребень с гребнем и т. д., т. е. в данной точке всё время будет максимум колебаний.

Сопоставляя построенную картину наложения когерентных волн с фотографией наложения волн на поверхности воды в описанном выше опыте (рис. 305), мы видим и на фотографии чередование максимумов и минимумов.

Такое чередование максимумов и минимумов амплитуд колебаний называется интерференционной картиной.

Явление наложения волн, образующее интерференционную картину, называется интерференцией волн.

Для решения вопроса о том, в каких фазах встретятся в данной точке интерферирующие волны, нужно учесть разность хода этих волн. Пусть нас интересует результат наложения волн в точке М (рис. 307), находящейся на расстоянии

от первого источника волн

и на расстоянии

от второго источника

называется разностью хода волн. Если источники волн колебались в одинаковых фазах, то при разности хода, равной целому числу длин волн или чётному числу полуволн, в точку М волны будут приходить в одинаковых фазах и при сложении их в точке М возникает усиление колебаний. Если же разность хода окажется равной нечётному числу полуволн, то волны от

Это положение легко проверить на построенной интерференционной картине (см. рис. 306). Для этого достаточно сосчитать число волн соответствующей системы, укладывающихся на расстояниях между интересующими нас точками максимумов и минимумов и центрами колебаний. Мы увидим, что максимумы будут в тех точках, которые или находятся на одинаковых расстояниях от обоих центров, или в точках, где разность хода соответствует чётному числу полуволн, а минимумы — нечётному числу.

Интерференция света

Явление интерференции волн присуще не только волнам на поверхности воды, но и всем видам волн: звуковым, электромагнитным и другим. Стало быть, если свет обладает волновыми свойствами, то наложение двух пучков света может привести не только к усилению, но и к ослаблению света. А это значит, что совместное действие двух световых пучков может привести к возникновению темноты, или, выражаясь фигурально, свет плюс свет может дать темноту. Опыт подтверждает это заключение.

Получить систему когерентных световых волн можно, если пучок света, исходящий от источника, каким-либо способом расчленить на два пучка и затем оба эти пучка свести вместе, при этом световые пучки проходят различные пути; этим создаётся разность хода, и при наложении пучки интерферируют.

Существуют разные способы, позволяющие осуществить указанные условия.

В одном из опытов французского физика Френеля пучок света от точечного источника разделяется на два пучка при помощи двух зеркал, поставленных друг к другу под углом, близким 180°.

На рисунке 308 показан путь лучей от источника S к экрану АА. Прямые лучи не попадают на экран, так как их задерживает перегородка КК.
К экрану от источника S приходят световые волны, идущие по двум путям разной длины и поэтому запаздывающие относительно друг друга. Волны, идущие от S и отражающиеся зеркалами I и II, представляют собой две системы когерентных волн

, как бы исходящих от источника

эти обе системы волн налагаются друг на друга и интерферируют. На экране AА, помещённом в пространстве

Описанный опыт Френеля по наблюдению интерференции света принципиально прост, однако технически, в условиях школьного физического кабинета, осуществить его трудно.

Расщепление светового пучка на два пучка с последующим наложением друг на друга имеет место и при освещении лучами света тонких плёнок. Очень легко наблюдать, например, интерференцию света при отражении его от тонкой мыльной плёнки.

Получив на проволочной рамке мыльную плёнку и осветив её красным светом от источника, при помощи собирающей линзы спроецируем нашу плёнку на экран. На экране изображение плёнки вначале кажется равномерно освещённым. Но по мeре утончения плёнки вследствие стекания воды (сначала в верхних, а затем в других частях её) появляются чередующиеся горизонтальные тёмные и красные полосы (рис. 309). При дальнейшем утончении плёнки наблюдаемая картина меняется: на месте тёмных полос появляются красные и наоборот. Аналогичные картины наблюдались бы и при освещении мыльной плёнки любым однородным светом. Такие же картины наблюдались бы при освещении плёнок других веществ, например нефтяных плёнок на поверхности воды.

Рисунок 309а поясняет явления, происходящие в мыльной плёнке при освещении её однородным светом. Заштрихованная полоса РР представляет поперечное сечение какого-либо участка мыльной плёнке. На плёнку падает пучок параллельных лучей SS однородного света. Отразившись от верхней и нижней граней (в точках А, В и А’, В’) и приобретя при этом разность хода, лучи при наложении в направлениях АЕ и А’Е’ интерферируют между собой. Если их собрать линзой, то на экране получим ряд светлых полос, разделённых тёмными промежутками. При освещении плёнки белым светом интерференционная картина получается разноцветной. Это есть следствие сложности белого света, в состав которого входят волны различной длины, образующие при интерференции максимумы или минимумы света в различных местах.

Наличие чередующихся тёмных и светлых полос в случае монохроматического света и наличие чередующихся сплошных спектров в случае белого света указывает на волновые свойства света.

Дифракция волн

Лёгкий ветер вызывает на поверхности водоёма рябь — волны малой длины и амплитуды. Если они на своём пути встретят препятствия, например торчащую над поверхностью воды сваю и сучок, то с подветренной стороны за препятствиями наблюдаются различные картины. Непосредственно за сваей вода спокойна, волнения нет. Не то за сучком: волны огибают сучок.

Явление огибания волнами встречающихся препятствий называется дифракцией волн.

В нашем примере дифракция волн наблюдается за сучком и не наблюдается за сваей. Почему?

Дело в том, что диаметр сучка не так велик сравнительно с длиной падающих на него волн, а диаметр сваи во много раз превосходит эту длину.
Получим в ванне на поверхности воды систему волн и ограничим их дальнейшее распространение отверстием, ширина которого в несколько раз больше длины волны.

Мы увидим, что за отверстием волны распространяются в области, ограниченной прямыми линиями (на рис. 310 пунктирные линии), перпендикулярными к поверхности падающих волн.

Рис. 310. Волна, проходя большое отверстие, распространяется в области, ограниченной прямыми линиями.

Только на сравнительно большом расстоянии от отверстия волны, слегка загибаясь, заходят за эти прямые.

Сузим ограничивающее отверстие до размера, меньшего длины волны падающих волн. Область за отверстием окажется

заполненной круговыми волнами, центром которых служит малое отверстие (рис. 311); наблюдается дифракция волн.

Из-за дифракции, между прочим, трудно наблюдать явление «звуковой тени», так как длины звуковых волн обычно сравнимы с размерами препятствий и поэтому звуковые волны их огибают.

Дифракция света

Если свет представляет собой волновой процесс, то и для него при определённых условиях должно наблюдаться явление дифракции.
Если от источника S пропустить одноцветный пучок лучей света через отверстие АВ (рис. 312, а), то на экране MN мы получим светлое пятно ab (рис. 312, б). Диаметр этого пятна характеризует ширину падающего на экран MN светового пучка. При уменьшении отверстия АВ уменьшается и пятно, т. е. сужается пучок лучей света. Однако, начиная с некоторой величины отверстия (порядка 0,01 мм и меньше), дальнейшее его уменьшение вызывает не уменьшение пятна ab, а, наоборот, увеличение. При этом пятно теряет свою резкость, оно расширено и неравномерно освещено (рис. 312, в). На нём появляется ряд чередующихся светлых и тёмных колец, заполняющих область значительно более широкую, чем это следует из геометрических построений, основанных на факте прямолинейного распространения света.

Если на пути узкого пучка лучей света поставить тонкое препятствие (иголку, волос), то на экране мы получим ряд тёмных и светлых полос (рис. 314). В центре геометрической тени получается при этом светлая полоса.

Все эти явления наблюдаются в одноцветном (монохроматическом) свете; если же пользоваться белым светом, то вместо тёмных и светлых полос будут наблюдаться окрашенные полосы.

Описанные нами явления отступления света от законов прямолинейного распространения — загибание света в область тени — носят название дифракции света.

Длина световых волн чрезвычайно мала. У видимых лучей света длины волн лежат в пределах от 0,8 до 0,4 микрона. Размеры большинства тел очень велики по сравнению с длинами световых волн, огибать такие тела световые волны не могут.
В этих случаях можно сказать, что свет распространяется прямолинейно. Когда же на пути световых волн находятся тела или отверстия, размеры которых соизмеримы с длиной световой волны, то становится заметной дифракция световых волн.

Явления дифракции встречаются часто и бывают очень разнообразны. Так, например, если смотреть на узкий источник света (волосок электрической лампочки, узкое пламя спиртовой горелки и т. д.) через сетку глазных ресниц, то, кроме самого источника света, слева и справа от него увидим несколько полос с радужной окраской. Такая же картина наблюдается при рассмотрении источника света сквозь частый гребешок.

Интересная дифракционная картина обнаруживается при наблюдении какого-нибудь отдалённого светящегося предмета через ткань носового платка.

Нередко можно наблюдать около Солнца и Луны радужные «венцы». Они наблюдаются тогда, когда в воздухе носится морозная пыль или туман. Свет от Солнца или Луны, проходя через такую среду, претерпевает дифракцию.

Дисперсия света. Опыты Ньютона

Мы знаем, что пучок света, проходя через треугольную призму, отклоняется к грани, лежащей против преломляющего угла призмы (рис. 275а). Однако, если это будет пучок белого света, то после прохождения через призму он не только отклоняется, но и разлагается на цветные пучки. Это явление, называемое дисперсией света, было впервые изучено Исааком Ньютоном в 1666 г. в серии замечательных опытов (рис. 315).

Источником света в опытах Ньютона служило небольшое круглое отверстие S в ставне окна АВ, освещаемого лучами Солнца. Когда перед отверстием устанавливалась призма

Следующий опыт состоял в том, что из широкого пучка цветных лучей, полученных с помощью призмы

экраном С с небольшим отверстием выделялись узкие пучки определённой цветности (рис. 316) и направлялись на вторую призму

, отклоняя их, не изменяет цвета этих лучей. Такие лучи называются простыми или монохроматическими (одноцветными).

Опыт показывает, что красные лучи испытывают меньшее отклонение, чем фиолетовые, т. е. лучи различной цветности неодинаково преломляются призмой.

Собирая линзой вышедшие из призмы цветные пучки лучей, Ньютон получил на белом экране вместо окрашенной полосы белее изображение отверстия.

Из всех этих опытов Ньютон сделал следующие выводы:

1) Белый свет является сложным светом, состоящим из цветных лучей.

2) Для лучей, света различной цветности показатели преломления данного вещества различны; вследствие этого при отклонении призмой пучок белого света разлагается в спектр.

3)  При соединении цветных лучей спектра вновь образуется белый свет.

Явление дисперсии света наблюдается не только при прохождении света через призму, но и во многих других случаях преломления света. Так, например, преломление солнечного света в водяных каплях, образующихся в атмосфере, сопровождается разложением его на цветные лучи; этим объясняется образование радуги.

Длины волн и цветность лучей

Согласно волновой теории, цвет луча света определяется его длиной волны, или частотой колебаний. Цвет луча, таким образом, аналогичен высоте звукового тона, которая, как известно, определяется также частотой колебаний.

Подобно тому как мы звуки располагаем в один непрерывный ряд по возрастающей частоте колебаний, мы и все световые лучи можем себе представить расположенными в один ряд по возрастающей частоте колебаний, т. е. по убывающей длине волны.

В процессе преломления в призме из пучка белого света выделяется множество цветных пучков, и каждому из них соответствует некоторая узкая область длин волн, заключённых в интервале между 400—800 миллимикрон.

Итак, показатель преломления вещества зависит от длины световой волны. Это и является причиной дисперсии света. На рисунке 317 показан график зависимости показателя преломления от длины волны для стекла

, кварца
и флюорита .

На рисунке 318 дама сравнительная величина солнечных спектров, полученных при помощи призм одинаковой формы, сделанных из разных материалов.

Спектрограф и спектроскоп

Ньютон для получения спектра направлял на призму довольно широкий цилиндрический пучок солнечного света через круглое отверстие, сделанное в ставне.

Полученный таким способом спектр представляет собой ряд разноцветных изображений круглого отверстия, частично налагающихся друг на друга. Для получения более чистого спектра Ньютон предложил пользоваться не круглым отверстием, а узкой щелью, параллельной преломляющему ребру призмы.

Схема такой установки для получения спектра изображена на рисунке 319. При помощи линзы L на экране MN получают чёткое изображение S’ щели S, после чего за линзой устанавливается призма Р, которая даёт спектр.

Наиболее чистые и яркие спектры получают при помощи специальных приборов — спектроскопов и спектрографов. Схема устройства спектрографа изображена на рисунке 320.

В трубе А, называемой коллиматором, имеется узкая щель S, расположенная в фокальной плоскости линзы

. Благодаря этому свет, упавший на щель, пройдя линзу

параллельным пучком падает на призму Р и разлагается на цветные параллельные пучки. Но так как лучи различной цветности отклоняются на разные углы, то из призмы выходят параллельные пучки разных направлений. Линза

В спектроскопах, предназначенных для непосредственного наблюдения спектров, спектр, получаемый в фокальной плоскости линзы

, рассматривается глазом через линзу, служащую лупой.

Спектры испускания

Твёрдое тело начинает светиться при температуре около 500° С. Рассматривая спектр этого тела, мы замечаем красную полосу. По мере повышения температуры тела красная полоса расширяется, в спектре начинают появляться другие цвета: оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой и т. д. При белом калении мы видим сплошной спектр, начиная от красной до фиолетовой части.

Спектры пламени свечи, керосиновой лампы являются сплошными; эти спектры дают накалённые частицы твёрдого вещества, находящиеся в пламени. Сплошной спектр можно увидеть, рассматривая спектр накалённой нити электрической лампы или спектр, испускаемый поверхностью расплавленного металла, плавящегося при высокой температуре, например чугуна.

Если рассматривать через спектроскоп бесцветное пламя газовой горелки, то мы увидим очень слабый спектр, испускаемый незначительным количеством твёрдых раскалённых частиц угля, всегда имеющихся в газовом пламени.

Введём в пламя газовой горелки кусок асбеста, пропитанный раствором поваренной соли. Пары натрия окрашивают пламя в жёлтый цвет, и в спектре появляется яркая жёлтая линия. Помещая в пламя горелки растворы других солей, будем получать иного вида спектры, состоящие из большего или меньшего числа отдельных цветных линий, расположенных в различных областях спeктра.

Точно так же светящиеся при электрических разрядах разрежённые газы дают спектры, состоящие из отдельных цветных линий; такие спектры называются линейчатыми. В некоторых случаях спектры светящихся паров и газов представляются полосами, ярко освещёнными с одного края и постепенно ослабевающими к другому. В хорошем спектроскопе такие спектры распадаются на весьма большое число тончайших линий. Все эти спектры называются спектрами испускания.

На цветной таблице (стр. 272) изображены спектры испускания ряда элементов и химических соединений; приведён также сплошной спектр, который дают раскалённые тела, а также спектр Солнца.

Спектры поглощения

Если на пути белых лучей света поместить какое-либо вещество, поглощающее те или иные лучи спектра, то мы получим на сплошном спектре тёмные линии или полосы. Местоположение этих тёмных линий или полос соответствует местоположению цветных линий или полос в спектре испускания данного вещества.

Рассмотрим спектр раскалённого тела, пропустив лучи его через пары или газы (рис. 321). Поместив на пути лучей пары натрия, мы замечаем на сплошном спектре тёмную полосу в жёлтой части спектра. Эта тёмная полоса появится в том самом месте спектра, где в спектре испускания находится жёлтая линия паров натрия.

Это явление находится в соответствии с законом Кирхгофа, согласно которому атомы данного элемента поглощают те световые волны, которые они сами испускают.

Спектры раскалённых твёрдых или жидких тел, пересечённые тёмными линиями или полосами, которые получаются вследствие поглощения световых волн тех или других длин различными средами, называются спектрами поглощения.

Чтобы объяснить происхождение спектров, необходимо знать строение и свойства атомов. Эти вопросы будут освещены в последней главе книги.

Спектральный анализ

Спектральным анализом называется метод исследования химического состава различных веществ по их спектрам поглощения и испускания.

Свет, испускаемый раскалёнными твёрдыми и жидкими телами, даёт сплошной спектр, спектры линейчатые свойственны раскалённым парам или газам. Но спектральный анализ даёт возможность судить не только об агрегатном состоянии излучающего свет тела: этот анализ позволяет определить химический состав веществ. В самом деле, мы видели (§ 176), что светящиеся газы и пары дают линейчатый спектр, и притом каждый газ или пар даёт характерный для него спектр. Если мы в определённом месте спектра находим жёлтую линию, то можем с уверенностью утверждать, что в источнике света имеются пары натрия; если находим характерную зелёную линию, мы говорим о присутствии таллия, и т. д. Зная длины волн, испускаемых различными газами и парами, мы по спектру можем установить наличие тех или иных веществ. Если в спектре находится одна или несколько линий, которые не соответствуют линиям ни одного из известных нам элементов, мы можем утверждать, что нашли новый элемент. Этим способом удалось открыть такие элементы, как рубидий, цезий, таллий, индий, галлий.

Д. И. Менделеев, руководствуясь открытым им периодическим законом, предсказал существование целого ряда элементов, в частности элемента галлия (Менделеев называл его экаалюминием); этот элемент был открыт при помощи спектрального анализа.

Метод спектрального анализа чрезвычайно чувствителен. Этим методом можно обнаружить наличие интересующего нас элемента даже в том случае, когда количества этого элемента составляют всего

, а в некоторых особо благоприятных случаях обнаруживаются и количества, не превышающие

. Это настолько ничтожные количества, что химическими методами они не могут быть обнаружены.

Итак, по наличию в спектре определённых спектральных линий можно судить о присутствии какого-либо элемента в изучаемом веществе, т. е. делать качественный анализ химического состава вещества. По интенсивности же спектральных линий можно судить и о количестве химического элемента в данном соединении. Однако эта связь между интенсивностью спектральной линии и количеством данного элемента довольно сложна.

Учёные разработали методы спектрального анализа и сконструировали приборы, позволяющие очень быстро выполнять анализы состава сложных сплавов, играющих огромную роль в современной технике. Пользуясь специальными приборами, в заводских лабораториях можно в течение 1—2 минут определить, например, состав различных сортов стали, из которых изготовляются ответственные части машин. Понятно, какое большое практическое значение имеют эти методы для промышленности.

Спектр Солнца

Рассматривая при помощи спектроскопа спектр Солнца, мы можем заметить, что сплошной спектр перерезан многочисленными тёмными линиями, находящимися в различных частях спектра. Первым описал эти тёмные линии немецкий учёный Фраунгофер (1787—1826), почему эти линии и называются фраунгоферовыми линиями.

Судя по характеру спектра, мы должны заключить, что фотосфера Солнца имеет очень высокую температуру. Тёмные фраунгоферовы линии, которыми перерезан спектр, отмечают лучи, поглощённые средой, через которую проходили лучи, идущие от поверхности Солнца к Земле. Часть энергии этих лучей поглощена газовой оболочкой, окружающей Солнце,— хромосферой, часть — земной атмосферой. Объяснение фраунгоферовых линий в спектре Солнца дал Кирхгоф. Если атомы поглощают именно те волны, которые они могут испускать (§ 177), то каждое вещество, которое имеется в солнечной или земной атмосфере, будет поглощать характерные для него лучи. Это и обнаружится в появлении тёмных линий на фоне сплошного солнечного спектра. Устанавливая положение этих тёмных линий в спектре, мы можем определить, через какие вещества проходили солнечные лучи в атмосфере Солнца. Можно также установить, какие тёмные линии получаются от поглощения лучей в земной и какие в солнечной атмосфере. Так можно определить химический состав солнечной атмосферы.

Таким образом было установлено, что в солнечной атмосфере имеются водород, натрий, кальций, железо и другие вещества, встречающиеся и на Земле.

Интересно отметить, что в спектре Солнца, помимо известных элементов, был обнаружен элемент, который на Земле не был ещё известен. На этом основании сперва полагали, что, кроме известных на Земле элементов, имеется ещё какой-то особый элемент, находящийся только на Солнце. Его назвали гелием (от греческого слова гелиос — солнце). Только спустя 26 лет гелий был найден и на Земле.

Инфракрасные и ультрафиолетовые лучи

Исследуем спектр солнечного света с помощью установки, схема которой

изображена на рисунке 322. Будем перемещать спай чувствительного термоэлемента Т вдоль спектра. При этом мы обнаружим наличие излучения как за красной границей спектра

, так и за фиолетовой Ф (спай будет нагреваться и в этих местах, возбуждая термоток, который регистрируется гальванометром G). Этот опыт показывает, что, кроме видимого излучения, в спектре существует излучение невидимое, не воспринимаемое нашим глазом.

Излучение, которое обнаруживается за красной частью спектра, называется инфракрасным излучением, а за фиолетовой — ультрафиолетовым излучением.

Инфракрасные лучи имеют большую длину волны, чем видимые лучи, а ультрафиолетовые лучи соответственно меньшую длину волны.

Мы можем исследовать таким же методом не только солнечный спектр, но и спектры излучения любых раскалённых тел. Опыт показывает, что спектральный состав излучения зависит прежде всего от температуры излучающего тела. Так, видимое излучение появляется лишь при температуре выше 500° С. При более низких температурах почти всё излучение состоит из инфракрасных лучей.

Наоборот, ультрафиолетовое излучение становится интенсивным только при относительно высоких температурах. Так, в спектре излучения обычной электрической лампочки при температурах 2000—2500° С процент ультрафиолетовых лучей ничтожно мал; в излучении же, даваемом, например, электрической дугой, где температуры превышают 3000° С, процент ультрафиолетовых лучей значительно больше.

Инфракрасные и ультрафиолетовые лучи подчиняются тем же законам оптики, что и видимые лучи. Однако по своим действиям на вещества они обнаруживают резкое различие.

Наиболее характерным свойством инфракрасных лучей является их тепловое действие, поэтому и обнаруживаются они легче всего по нагреванию тел, поглощающих эти лучи. Но вместе с тем они могут оказывать и химические действия. Так, например, оказалось возможным фотографировать ночью при помощи специальных фотопластинок, чувствительных к инфракрасным лучам.

Для ультрафиолетовых же лучей наиболее характерна их большая химическая и биологическая активность. Поэтому ультрафиолетовое излучение обнаруживается легче всего по его действию на фотопластинки. Примером биологического действия ультрафиолетовых лучей является загар. Подробнее о действиях света будет рассказано в главе X.

Рентгеновские лучи

В 1895 г. немецкий учёный Рентген заметил, что при встрече потока быстрых электронов с каким-нибудь металлом большого атомного веса, например платиной, вольфрамом, возникает особый вид излучения. Это излучение было названо рентгеновским излучением или рентгеновскими лучами. Рентгеновские лучи, так же как и ультрафиолетовые лучи, зрительного ощущения не вызывают, но они вызывают свечение некоторых веществ и действуют на фотографическую пластинку. Благодаря этим двум свойствам они и были обнаружены. Получают их в специальных приборах, называемых рентгеновскими трубками. На рисунке 323 изображены: схема устройства (сверху) и общий вид (снизу) электронной рентгеновской трубки. Источником электронов в этой трубке служит раскалённая вольфрамовая спираль К, накаливаемая особой батареей или особым трансформатором накала. Поток электронов, вылетающих из раскалённой спирали, ускоряется в сильном электрическом поле, созданном источником высокого напряжения между анодом и катодом. Ускоренный поток электронов падает на скошенный конец металлического стержня А, на так называемый антикатод.

При торможении ударяющихся об антикатод электронов возникает рентгеновское излучение, которое распространяется от поверхности антикатода. Кинетическая энергия электронов при их торможении частично превращается в энергию рентгеновского излучения.

Антикатод делается из тугоплавких металлов (например, из вольфрама), так как при интенсивной бомбардировке электронами он сильно нагревается. Часто антикатод приходится даже охлаждать водой при помощи особого приспособления (рис. 323, нижний).

Рентгеновские лучи свободно проходят сквозь стенки стеклянной трубки и могут быть исследованы уже вне трубки.

Если поместить фотографическую пластинку, завёрнутую в чёрную бумагу, вблизи трубки, то после облучения рентгеновскими лучами пластинка при проявлении чернеет так, как если бы на неё действовали световые лучи. Если в темноте заставить действовать трубку и поместить вблизи неё картонный экран, покрытый сернистым цинком или платино-синеродистым барием, то экран светится зелёно-голубым цветом.
Действуя на газы, рентгеновские лучи способны вызвать их ионизацию. При облучении, например, рентгеновскими лучами воздуха, окружающего заряженный электроскоп, последний разряжается, какого бы знака заряд на нём ни был.

Рентгеновские лучи не отклоняются ни в электрическом, ни в магнитном поле. Это указывает на то, что рентгеновские лучи не являются движущимися электронами, как катодные лучи.
Рентгеновские лучи, как было установлено, представляют собой электромагнитные волны с очень малой длиной волны.

В настоящее время при помощи рентгеновских трубок получены лучи длиной волны в несколько сот ангстрем. Удалось также получить очень короткие волны, в сотые доли ангстрема.

Рентгеновские лучи обладают большой проникающей способностью. Они легко проходят сквозь многие тела, непрозрачные в обычном смысле этого слова. Так, например, эти лучи без заметного ослабления проходят сквозь бумагу, картон, дерево, значительно хуже они проходят через металлы. Чем плотность вещества больше, тем оно менее проницаемо для рентгеновских лучей. Так, например, если рентгеновские лучи сравнительно легко проходят слой алюминия толщиной 5—10 см, то эти же лучи почти полностью задерживаются слоем свинца толщиной 1 см.

Свойство рентгеновских лучей проходить через вещество используется на практике уже со времени их открытия. В медицине многие болезни определяются просвечиванием человеческого тела рентгеновскими лучами. Эта область медицины получила название рентгенодиагностики. Просвечивание рентгеновскими лучами облегчает работу хирургов (исследование переломов, обнаружение пуль и осколков снарядов в теле раненого).
На рисунке 324 показана фотография ступни человека, полученная при помощи рентгеновских лучей. Широкое распространение получила также и другая область медицины — рентгенотерапия, т. е. лечение болезней рентгеновскими лучами.

В металлургии часто применяются рентгеновские лучи для анализа однородности литья. При помощи их удаётся обнаруживать раковины и трещины внутри металлических изделий.

Электромагнитная природа света

По мере развития физики было установлено, что существует связь между оптическими и электромагнитными явлениями. Английский учёный Максвелл в 1865 г. теоретически доказал, что свет имеет электромагнитную природу.

Согласно теории Максвелла, свет от источника распространяется в виде электромагнитных волн.

Многочисленные эксперименты подтвердили это замечательное научное предвидение. Особенно важное значение в утверждении электромагнитной природы света имели экспериментальные работы немецкого учёного Герца и русского учёного Лебедева, которые, на опытах доказали тождественность световых и электромагнитных волн.

С точки зрения электромагнитной теории видимый свет является лишь частным случаем электромагнитных волн. Различные виды этих волн отличаются друг от друга только частотой или длиной волны. В технике применяются радиоволны длиной от нескольких километров до нескольких миллиметров. Длины же волн видимого света находятся в пределах 0,8—0,4 мк.

Радиоволны, как известно, возникают при электромагнитных колебаниях в колебательных контурах. Уменьшая ёмкость и индуктивность контура, можно получать всё более и более короткие электромагнитные волны.

Естественно предположить, что и наиболее короткие волны, входящие в состав видимого света, возникают в результате электрических колебаний, происходящих в отдельных атомах тела. Опыт и теория полностью подтвердили эту гипотезу. Оказалось, что атомы излучают не только видимый сеет; они являются источниками инфракрасного, ультрафиолетового, рентгеновского и других видов электромагнитного излучения. О том, как излучают атомы, будет рассказано дальше, в § 196.

В настоящее время весь широкий диапазон электромагнитных волн, начиная от длинных радиоволн и кончая наиболее короткими волнами, испускаемыми радиоактивными веществами, исследован на опыте.

Таким образом, в природе существуют электромагнитные волны самых различных длин. В зависимости от длины они обладают различными свойствами (видимость, цветность, проникающая способность и т. д.). Это является одним из ярких примеров того, как от изменения количества (длины волны) изменяется и качество (их свойства).

Существующие в природе электромагнитные волны могут быть распределены по длинам в ряд, начиная от самых длинных до самых коротких, составляя так называемую шкалу электромагнитных волн.

В следующей таблице сведены все виды электромагнитных волн и дана их условная классификация.

Оптические свойства света

Изучение света и взаимодействия света и материи называют оптикой. Наблюдение и изучение оптических явлений, таких как радуга и северное сияние, позволяют пролить свет на природу света.

Пример преломления света. Трубочка для коктейля кажется изогнутой из-за преломления света на границе между жидкостью и воздухом

Преломлением света называется изменение направления распространения света (световых лучей) при прохождении через границу раздела двух различных прозрачных сред. Оно описывается законом Снеллиуса:

где  — угол между лучом и нормалью к поверхности в первой среде,  — угол между лучом и нормалью к поверхности во второй среде, а и  — показатели преломления первой и второй среды соответственно. При этом для вакуума и в случае прозрачных сред.

Когда луч света пересекает границу между вакуумом и другой средой, или между двумя различными средами, длина волны света изменяется, но частота остается неизменной. Если свет падает на границу не перпендикулярно ей, то изменение длины волны приводит к изменению направления его распространения. Такое изменение направления и является преломлением света.

Преломление света линзами часто используется для такого управления светом, при котором изменяется видимый размер изображения, как, например, в лупах, очках, контактных линзах, микроскопах и телескопах.

Свет создаётся во многих физических процессах, в которых участвуют заряженные частицы. Наиболее важным является тепловое излучение, имеющее непрерывный спектр с максимумом, положение которого определяется температурой источника. В частности, излучение Солнца близко к тепловому излучению абсолютно чёрного тела, нагретого до примерно , причём около 40 % солнечного излучения лежит в видимом диапазоне, а максимум распределения мощности по спектру находится вблизи 550 нм (зелёный цвет). Другие процессы, являющиеся источниками света:

В прикладных науках важна точная характеристика спектра источника света. Особенно важны следующие типы источников:

Указанные источники имеют разную цветовую температуру.