Что такое белый цвет в физике

Что такое цвет с точки зрения физики?

Природа подарила человеку радость цветового восприятия: мы видим всё окружающее в многообразии цветов и оттенков и даже не задумываемся о том, что может быть иначе.

Учёные утверждают, что многие животные не различают цветов или видят их не так, как люди. Но что такое цвет с точки зрения физики? Вопрос не такой уж простой, как кажется на первый взгляд.

Что такое цвет в физике?

С точки зрения физики разные цвета предметов не существуют сами по себе. Они ощущаются нами лишь благодаря различным длинам отражаемых и поглощаемых поверхностями волн электромагнитного излучения в диапазоне видимого света. Каждому цвету спектра соответствует свой диапазон частот, но лишь восприятие наших зрительных органов и преобразование зрительных импульсов мозгом создаёт яркую цветную картинку.

При падении на предмет белого светового луча большинство из составляющих его световых волн поглощается поверхностью, и лишь некоторая часть, находящаяся в определённом диапазоне, отражается. Световые волны этого диапазона мы и воспринимаем как цвет, присущий предмету. Фактически цвет у предметов появляется только при попадании на них света.

Вспомним народную поговорку: «Ночью все кошки серы». Когда света недостаточно, глаз не может выделить в отражаемых волнах цветовые диапазоны, и все предметы кажутся серыми либо чёрными.

Нюансы терминологии

Если говорить о цветах с точки зрения физики, то речь идёт об электромагнитных волнах, длина которых лежит в интервале от 0,1 Ангстрем до примерно 105 Ангстрем. Этот диапазон воспринимается нашими органами зрения и является тем, что мы называем видимым светом.

Однако в научно-популярной, а порой и в научной литературе речь нередко идёт именно о цветах и цветовом восприятии монохроматического либо узкополосного электромагнитного излучения в вышеуказанном диапазоне. При этом обсуждается, как правило, не проблема цветовосприятия, а свойства, присущие электромагнитному излучению, независимо от того, как оно воспринимается нашими органами зрения.

Разница между видимой и невидимыми частями полного спектра электромагнитных волн является в основном количественной, а не качественной. Видимое излучение с длиной волн в диапазоне от 400 до 700 нм по своим характеристикам мало отличается от теплового излучения, длины волн которого лежат в диапазоне от 1000 до 2000 нм, однако первое воспринимается нами как свет, а второе – как тепло.

На практике существуют такие области физики, как оптика, изучающая в основном свойства видимого диапазона излучения, и тепловая энергетика, предметом изучения которой является преимущественно тепловой диапазон электромагнитных волн.

Невидимые цвета

Мы способны воспринимать электромагнитные волны, длины которых распределяются между 380 нм (соответствует глубокому фиолетовому цвету) и 730 нм (соответствует красному цвету). Но с обеих сторон этого диапазона существуют излучения, которые глаз человека не воспринимает.

Волны короче 380 нм мы называем ультрафиолетовыми, а длиннее 730 нм – инфракрасными. Ультрафиолетовое излучение могут воспринимать многие насекомые и некоторые животные – например, летучие мыши. Иногда люди тоже могут видеть более широкую спектральную картину благодаря особенностям своих зрительных органов.

Существуют электромагнитные волны, более короткие, чем ультрафиолетовые – это рентгеновское и гамма-излучение. Как известно, даже ультрафиолет в больших дозах вреден для человека. Излучение, длина волны которого меньше 100 нм, в больших дозах является смертельно опасным. В природной среде мы надёжно защищены от этих волн, поступающим к нам из космоса, экранирующим озоновым слоем.

Волны, длина которых превышает 2000 нм, т.е. лежит за пределами теплового инфракрасного диапазона, называют радиоволнами. Их длина может колебаться от нескольких миллиметров до сотен и тысяч километров. Короткие радиоволны используются в мобильной телефонной связи, в бытовых микроволновых печах и других приборах. Благодаря использованию длинных волн функционирует радиосвязь.

Цветовосприятие и дальтонизм

Итак, цвета – это отражённое излучение электромагнитных волн, лежащих в очень узком диапазоне длин. Есть люди, у которых нарушен нормальный механизм цветовосприятия. Их называют дальтониками, и они по каким-то причинам не могут видеть часть обычного видимого спектра.

Восприятие цветов сдвинуто у них либо в сторону красной части спектра (ухудшено восприятие фиолетового и синего), ибо в сторону синей части (ухудшено восприятие красного цвета). Дальтонизм может быть наследственным либо возникает из-за травмы сетчатки глаза, возрастных изменений или болезни.

Белый цвет

Белый цвет — (индоевр. «цвет» – сиять, блестеть) – в русской культуре имеет обобщенный символической смысл. Он выражает философско эстетические и нравственно этические отношения человека. Белый цвет в физике – это синтез семи цветов, при сложении которых… … Основы духовной культуры (энциклопедический словарь педагога)

БЕЛЫЙ ЦВЕТ — многофункциональный символ, обозначающий чистоту, целомудрие, свет, мудрость и др. Поскольку он «не скрывает другого цвета», то подразумевает невинность и правду. Белый цвет также символизирует умеренность. Белая магия, использующая силу света и… … Символы, знаки, эмблемы. Энциклопедия

белый цвет — 3.4.126 белый цвет: Характеристика излучения, близкого дневному свету. Источник: ГОСТ Р 53636 2009: Целлюлоза, бумага, картон. Термины и определения оригинал документа Смотри также родственные термины … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

белый цвет применительно к области восприятия — 3.4.128 белый цвет применительно к области восприятия: Восприятие цвета, сравнимое с действием источника излучения белого основного света. Источник: ГОСТ Р 53636 2009: Целлюлоза, бумага, картон. Термины и определения оригинал документа … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

белый цвет применительно к телу — 3.4.127 белый цвет применительно к телу: Рассеиватель, отражающий одинаковое количество света по всему видимому спектру. Источник: ГОСТ Р 53636 2009: Целлюлоза, бумага, картон. Термины и определения оригинал документа … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

образцовый белый цвет — 3.33 образцовый белый цвет (reference white): Определенный белый ахроматический стимул Yn, u n, v n. Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Цвет белый — Белый Цветовые координаты RGB HEX #FFFFFF (r, g, b) (255, 255, 255) (c, m, y, k) (0, 0, 0, 0) (h, s, v) … Википедия

Белый гриб — Белый гриб … Википедия

Белый дом — официальная резиденция президентов США — Белый дом (White House) постоянная рабочая резиденция президента США находится в самом сердце Вашингтона на Пенсильвания авеню. Участок для строительства Белого дома выбрал первый президент США Джордж Вашингтон, подписавший акт конгресса,… … Энциклопедия ньюсмейкеров

Свет и цвет: основы основ

Мы часто говорим о таком понятии как свет, источниках освещения, цвете изображений и объектов, но не совсем хорошо себе представляем, что такое свет и что такое цвет. Пора разобраться с этими вопросами и перейти от представления к понимаю.

Мы окружены

Осознаем мы этого или нет, но мы находимся в постоянном взаимодействии с окружающим миром и принимаем на себя воздействие различных факторов этого мира. Мы видим окружающее нас пространство, постоянно слышим звуки от различных источников, ощущаем тепло и холод, не замечаем, что пребываем под воздействием естественного радиационного фона, а также постоянно находимся в зоне излучения, которое исходит от огромного количества источников сигналов телеметрии, радио и электросвязи. Почти всё вокруг нас испускает электромагнитное излучение. Электромагнитное излучение — это электромагнитные волны, созданные различными излучающими объектами – заряженными частицами, атомами, молекулами. Волны характеризуются частотой следования, длинной, интенсивностью, а также рядом других характеристик. Вот вам просто ознакомительный пример. Тепло, исходящее от горящего костра – это электромагнитная волна, а точнее инфракрасное излучение, причем очень высокой интенсивности, мы его не видим, но можем почувствовать. Врачи сделали рентгеновский снимок – облучили электромагнитными волнами, обладающими высокой проникающей способностью, но мы этих волн не ощутили и не увидели. То, что электрический ток и все приборы, которые работают под его действием, являются источниками электромагнитного излучения, вы все, конечно же, знаете. Но в этой статье я не стану рассказать вам теорию электромагнитного излучения и его физическую природу, я постараюсь более мене простым языком объяснить, что же такое видимый свет и как образуется цвет объектов, которые мы с вами видим. Я начал говорить про электромагнитные волны, чтобы сказать вам самое главное: Свет – это электромагнитная волна, которая испускается нагретым или находящимся в возбужденном состоянии веществом. В роли такого вещества может выступить солнце, лампа накаливания, светодиодный фонарик, пламя костра, различного рода химические реакции. Примеров может быть достаточно много, вы и сами можете привести их в гораздо большем количестве, чем я написал. Необходимо уточнить, что под понятием свет мы будем подразумевать видимый свет. Всё выше сказанное можно представить в виде вот такой картинки (Рисунок 1).

Рисунок 1 – Место видимого излучения среди других видов электромагнитного излучения.

На Рисунке 1 видимое излучение представлено в виде шкалы, которая состоит из «смеси» различных цветов. Как вы уже догадались – это спектр. Через весь спектр (слева направо) проходит волнообразная линия (синусоидальная кривая) – это электромагнитная волна, которая отображает сущность света как электромагнитного излучения. Грубо говоря, любое излучение – есть волна. Рентгеновское, ионизирующее, радиоизлучение (радиоприемники, телевизионная связь) – не важно, все они являются электромагнитными волнами, только каждый вид излучения имеет разную длину этих волн. Синусоидальная кривая является всего лишь графическим представлением излучаемой энергии, которая изменяется во времени. Это математическое описание излучаемой энергии. На рисунке 1 вы также можете заметить, что изображенная волна как бы немного сжата в левом углу и расширена в правом. Это говорит о том, что она имеет разную длину на различных участках. Длина волны – это расстояние между двумя её соседними вершинами. Видимое излучение (видимый свет) имеет длину волны, которая изменяется в пределах от 380 до 780nm (нанометров). Видимый свет — всего лишь звено одной очень длинной электромагнитной волны.

От света к цвету и обратно

Ещё со школы вы знаете, что если на пути луча солнечного света поставить стеклянную призму, то большая часть света пройдет через стекло, и вы сможете увидеть разноцветные полосы на другой стороне призмы. То есть изначально был солнечный свет — луч белого цвета, а после прохождения через призму разделился на 7 новых цветов. Это говорит о том, что белый свет состоит из этих семи цветов. Помните, я только что говорил, что видимый свет (видимое излучение) — это электромагнитная волна, так вот, те разноцветные полосы, которые получились после прохождения солнечного луча через призму – есть отдельные электромагнитные волны. То есть получаются 7 новых электромагнитных волн. Смотрим на рисунок 2.

Рисунок 2 – Прохождение луча солнечного света через призму.

Каждая из волн имеет свою длину. Видите, вершины соседних волн не совпадают друг с другом: потому что красный цвет (красная волна) имеет длину примерно 625-740nm, оранжевый цвет (оранжевая волна) – примерно 590-625nm, синий цвет (синяя волна) – 435-500nm., не буду приводить цифры для остальных 4-х волн, суть, я думаю, вы поняли. Каждая волна – это излучаемая световая энергия, то есть красная волна излучает красный свет, оранжевая – оранжевый, зеленая – зеленый и т.д. Когда все семь волн излучаются одновременно, мы видим спектр цветов. Если математически сложить графики этих волн вместе, то мы получим исходный график электромагнитной волны видимого света – получим белый свет. Таким образом, можно сказать, что спектр электромагнитной волны видимого света – это сумма волн различной длины, которые при наложении друг на друга дают исходную электромагнитную волну. Спектр «показывает из чего состоит волна». Ну, если совсем просто сказать, то спектр видимого света – это смесь цветов, из которых состоит белый свет (цвет). Надо сказать, что и у других видов электромагнитного излучения (ионизирующего, рентгеновского, инфракрасного, ультрафиолетового и т.д.) тоже есть свои спектры.

Любое излучение можно представить в виде спектра, правда таких цветных линий в его составе не будет, потому, как человек не способен видеть другие типы излучений. Видимое излучение – это единственный вид излучений, который человек может видеть, потому-то это излучение и назвали – видимое. Однако сама по себе энергия определенной длины волны не имеет никакого цвета. Восприятие человеком электромагнитного излучения видимого диапазона спектра происходит благодаря тому, что в сетчатке глаза человека располагаются рецепторы, способные реагировать на это излучение.

Но только ли путем сложения семи основных цветов мы можем получить белый цвет? Отнюдь. В результате научных исследований и практических экспериментов было установлено, что все цвета, которые способен воспринимать человеческий глаз, можно получить смешиванием всего лишь трех основных цветов. Три основных цвета: красный, зеленый, синий. Если с помощью смешивания этих трех цветов можно получить практически любой цвет, значит можно получить и белый цвет! Посмотрите на спектр, который был приведен на рисунке 2, на спектре четко просматриваются три цвета: красный, зеленый и синий. Именно эти цвета лежат в основе цветовой модели RGB (Red Green Blue).

Проверим как это работает на практике. Возьмем 3 источника света (прожектора) — красный, зеленый и синий. Каждый из этих прожекторов излучает только одну электромагнитную волну определенной длины. Красный – соответствует излучению электромагнитной волны длиной примерно 625-740nm (спектр луча состоит только из красного цвета), синий излучает волну длиной 435-500nm (спектр луча состоит только из синего цвета), зеленый – 500-565nm (в спектре луча только зеленый цвет). Три разных волны и больше ничего, нет никакого разноцветного спектра и дополнительных цветов. Теперь направим прожектора так, чтобы их лучи частично перекрывали друг друга, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3 — Результат наложения красного, зеленого и синего цветов.

Посмотрите, в местах пересечения световых лучей друг с другом образовались новые световые лучи – новые цвета. Зеленый и красный образовали желтый, зеленый и синий – голубой, синий и красный — пурпурный. Таким образом, изменяя яркость световых лучей и комбинируя цвета можно получить большое многообразие цветовых тонов и оттенков цвета. Обратите внимание на центр пересечения зеленого, красного и синего цветов: в центре вы увидите белый цвет. Тот самый, о котором мы недавно говорили. Белый цвет – это сумма всех цветов. Он является «самым сильным цветом» из всех видимых нами цветов. Противоположный белому – черный цвет. Черный цвет – это полное отсутствие света вообще. То есть там, где нет света — там мрак, там всё становится черным. Пример тому — иллюстрация 4.

Рисунок 4 – Отсутствие светового излучения

Я как-то незаметно перехожу от понятия свет к понятию цвет и вам ничего не говорю. Пора внести ясность. Мы с вами выяснили, что свет – это излучение, которое испускается нагретым телом или находящимся в возбужденном состоянии веществом. Основными параметрами источника света являются длина волны и сила света. Цвет – это качественная характеристика этого излучения, которая определяется на основании возникающего зрительного ощущения. Конечно же, восприятие цвета зависит от человека, его физического и психологического состояния. Но будем считать, что вы достаточно хорошо себя чувствуете, читаете эту статью и можете отличить 7 цветов радуги друг от друга. Отмечу, что на данный момент, речь идет именно о цвете светового излучения, а не о цвете предметов. На рисунке 5 показаны зависимые друг от друга параметры цвета и света.

Рисунки 5 и 6– Зависимость параметров цвета от источника излучения

Существуют основные характеристики цвета: цветовой тон (hue), яркость (Brightness), светлость (Lightness), насыщенность (Saturation).

Цветовой тон (hue)

– Это основная характеристика цвета, которая определяет его положение в спектре. Вспомните наши 7 цветов радуги – это, иначе говоря, 7 цветовых тонов. Красный цветовой тон, оранжевый цветовой тон, зелёный цветовой тон, синий и т.д. Цветовых тонов может быть довольно много, 7 цветов радуги я привел просто в качестве примера. Следует отметить, что такие цвета как серый, белый, черный, а также оттенки этих цветов не относятся к понятию цветовой тон, так как являются результатом смешивания различных цветовых тонов.

Яркость (Brightness)

– Характеристика, которая показывает, насколько сильно излучается световая энергия того или иного цветового тона (красного, желтого, фиолетового и т.п.). А если она вообще не излучается? Если не излучается – значит, её нет, а нет энергии — нет света, а там где нет света, там черный цвет. Любой цвет при максимальном снижении яркости становится черным цветом. Например, цепочка снижения яркости красного цвета: красный — алый — бордовый — бурый — черный. Максимальное увеличение яркости, к примеру, того же красного цвета даст «максимально красный цвет».

Светлость (Lightness)

– Степень близости цвета (цветового тона) к белому. Любой цвет при максимальном увеличении светлости становится белым. Например: красный — малиновый — розовый — бледно-розовый — белый.

– Степень близости цвета к серому цвету. Серый цвет является промежуточным цветом между белым и черным. Серый цвет образуется путем смешивания в равных количествах красного, зеленого, синего цвета с понижением яркости источников излучения на 50%. Насыщенность изменяется непропорционально, то есть понижение насыщенности до минимума не означает, что яркость источника будет снижена до 50%. Если цвет уже темнее серого, при понижении насыщенности он станет ещё более темным, а при дальнейшем понижении и вовсе станет черным цветом.

Такие характеристики цвета как цветовой тон (hue), яркость (Brightness), и насыщенность (Saturation) лежат в основе цветовой модели HSB (иначе называемая HCV).

Для того чтобы разобраться в этих характеристиках цвета, рассмотрим на рисунке 7 палитру цветов графического редактора Adobe Photoshop.

Рисунок 7 – Палитра цветов Adobe Photoshop

Если вы внимательно посмотрите на рисунок, то обнаружите маленький кружочек, который расположен в самом верхнем правом углу палитры. Этот кружочек показывает, какой цвет выбран на цветовой палитре, в нашем случае это красный. Начнем разбираться. Сначала посмотрим на числа и буквы, которые расположены в правой половине рисунка. Это параметры цветовой модели HSB. Самая верхняя буква – H (hue, цветовой тон). Он определяет положение цвета в спектре. Значение 0 градусов означает, что это самая верхняя (или нижняя) точка цветового круга – то есть это красный цвет. Круг разделен на 360 градусов, т.е. получается, в нем 360 цветовых тонов. Следующая буква – S (saturation, насыщенность). У нас указано значение 100% — это значит, что цвет будет «прижат» к правому краю цветовой палитры и имеет максимально возможную насыщенность. Затем идет буква B (brightness, яркость) – она показывает, насколько высоко расположена точка на палитре цветов и характеризует интенсивность цвета. Значение 100% говорит о том, что интенсивность цвета максимальна и точка «прижата» к верхнему краю палитры. Буквы R(red), G(green), B(blue) — это три цветовых канала (красный, зеленый, синий) модели RGB. В каждом в каждом из них указывается число, которое обозначает количество цвета в канале. Вспомните пример с прожекторами на рисунке 3, тогда мы выяснили, что любой цвет может быть получен путем смешивания трех световых лучей. Записывая числовые данные в каждый из каналов, мы однозначно определяем цвет. В нашем случае 8-битный канал и числа лежат в диапазоне от 0 до 255. Числа в каналах R, G, B показывают интенсивность света (яркость цвета). У нас в канале R указано значение 255, а это значит, что это чистый красный цвет и у него максимальная яркость. В каналах G и B стоят нули, что означает полное отсутствие зеленого и синего цветов. В самой нижней графе вы можете увидеть кодовую комбинацию #ff0000 — это код цвета. У любого цвета в палитре есть свой шестнадцатиричный код, который определяет цвет. Есть замечательная статья Теория цвета в цифрах, в которой автор рассказывает как определять цвет по шестнадцатеричному коду.
На рисунке вы также можете заметить перечеркнутые поля числовых значений с буквами «lab» и «CMYK». Это 2 цветовых пространства, по которым тоже можно характеризовать цвета, о них вообще отдельный разговор и на данном этапе незачем вникать в них пока не разберетесь с RGB.
Можете открыть цветовую палитру Adobe Photoshop и поэксперовать со значением цветов в полях RGB и HSB. Вы заметите, что изменение числовых значений в каналах R, G, и B приводит к изменению числовых значений в каналах H, S, B.

Цвет объектов

Пора поговорить о том, как так получается, что окружающие нас предметы принимают свой цвет, и почему он меняется при различном освещении этих предметов.

Объект можно увидеть, только если он отражает или пропускает свет. Если же объект почти полностью поглощает падающий свет, то объект принимает черный цвет. А когда объект отражает почти весь падающий свет, он принимает белый цвет. Таким образом, можно сразу сделать вывод о том, что цвет объекта будет определяться количеством поглощенного и отраженного света, которым этот объект освещается. Способность отражать и поглощать свет определятся молекулярной структурой вещества, иначе говоря — физическими свойствами объекта. Цвет предмета «не заложен в нем от природы»! От природы в нем заложены физические свойства: отражать и поглощать.

Цвет объекта и цвет источника излучения неразрывно связаны между собой, и эта взаимосвязь описывается тремя условиями.

— Первое условие: Цвет объект может принимать только при наличии источника освещения. Если нет света, не будет и цвета! Красная краска в банке будет выглядит черной. В темной комнате мы не видим и не различаем цветов, потому что их нет. Будет черный цвет всего окружающего пространства и находящихся в нем предметов.

— Второе условие: Цвет объекта зависит от цвета источника освещения. Если источник освещения красный светодиод, то все освещаемые этим светом объекты будут иметь только красные, черные и серые цвета.

— И наконец, Третье условие: Цвет объекта зависит от молекулярной структуры вещества, из которого состоит объект.

Зеленая трава выглядит для нас зеленой, потому что при освещении белым светом она поглощает красную и синюю волну спектра и отражает зеленую волну (Рисунок 8).

Рисунок 8 – Отражение зеленой волны спектра

Бананы на рисунке 9 выглядят желтыми, потому что они отражают волны, лежащие в желтой области спектра (желтую волну спектра) и поглощает все остальные волны спектра.

Рисунок 9 – Отражение желтой волны спектра

Собачка, та что изображена на рисунке 10 – белая. Белый цвет – результат отражения всех волн спектра.

Рисунок 10 – Отражение всех волн спектра

Цвет предмета – это цвет отраженной волны спектра. Вот так предметы приобретают видимый нами цвет.

В следующей статье речь пойдет о новой характеристике цвета — цветовой температуре.

Излучение и спектры

Спектр — совокупность частот и амплитуд, из которых состоит сложное колебание. В узком смысле слова спектром называют цветные полосы, получающиеся в результате разложения света приборами (например, призмой) по длинам волн (или частотам). Спектр испускания — совокупность длин волн (или частот), содержащихся в излучении какого-либо вещества.

На странице -> решение задач по физике собраны решения задач и заданий с решёнными примерами по всем темам физики.

Излучение и спектры

Излучение — это в физике, процесс испускания и распространения энергии в виде волн и частиц.

Спектр — это в физике, совокупность всех значений какой либо физической величины, характеризующей систему или процесс.

Понятие о дисперсии света

Возьмем трехгранную стеклянную призму и поместим ее между источником света, имеющим вид щели, и экраном. Если через щель сначала направить на призму красный свет (рис. 34,1 а), а затем синий (рис. 34.1, б), то будет видно, что синий свет, проходя через призму, отклоняется от первоначального направления сильнее, чем красный. Это означает, что абсолютный показатель преломления стекла для красных лучей меньше, чем для синих лучей Поскольку и то имеем т. е.

Итак, красные лучи распространяются в стекле быстрее, чем синие. Скорость распространения световых лучей в стекле тем меньше, чем больше частота колебаний в них, или чем меньше их длина волны.

Зависимость скорости распространения волн вереде от их длины (частоты) называют дисперсией. На практике дисперсию вещества выражают в виде зависимости показателя преломления от частоты или длины волны для этого вещества. Оказывается, что в подавляющем большинстве случаев с увеличением длины волны показатель преломления уменьшается. Дисперсию такого рода называют нормальной.

Разложение белого света призмой. Сплошной спектр

С помощью стеклянной трехгранной призмы в 1666 г. И. Ньютон впервые установил, что белый свет имеет сплошной спектр (§ 32.6). Спектр белого света замечателен тем, что в. нем монохроматические лучи непрерывно следуют друг за другом. Поэтому такой спектр называют сплошным или непрерывным.

Ньютон условно разделил сплошной спектр белого света на семь участков различных цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый *), которые после призмы располагаются в порядке убывания длин волн (рис. 34.2). Вспомним, что спектр белого света можно получить еще и с помощью дифракционной решетки. Последний спектр называют дифракционным или нормальным.

*) Последовательность этих цветов легко запомнить с помощью следующего стишка: «Как Однажды Жак-Звонарь Городской Сломал Фонарь».

На кривой дисперсии для стекла (рис. 34.3) видно, что показатель преломления стекла в области коротких волн при изменении длины волны излучения изменяется быстро, а в области длинных волн — медленно. Поэтому дисперсионный (призматический) спектр белого света сжат в красной части и растянут в фиолетовой. Нормальный спектр белого света (см. цветной форзац) отличается от призматического (дисперсионного) тем, что, во-первых, в нем цвета располагаются в порядке возрастания длин волн и, во-вторых, он равномерно растянут во всех своих областях (§ 32.6).

Дисперсией света объясняется появление радуги. Радуга бывает видна, когда наблюдатель смотрит по направлению от Солнца и в воздухе есть водяные капли. При определенном угле падения лучей происходит полное отражение внутри капли (рис. 34.4). На границе воздух — вода происходит преломление лучей, и, поскольку фиолетовые лучи преломляются сильнее красных, после выхода из капли они расходятся: красные лучи составляют с падающим лучом угол около 43°, а фиолетовые — около 41°. Солнечные лучи можно считать параллельными. Поэтому получается, что от множества капель, находящихся на поверхности конуса с углом при вершине в глаз наблюдателя попадают красные лучи, а от капель с поверхности конуса с углом при вершине — фиолетовые лучи. Остальные цвета радуги располагаются между ними.

Сложение спектральных цветов. Дополнительные цвета

Если цветные лучи, из которых состоит спектр белого света, объединить в один луч, то получается снова белый свет.

Такого рода смешение цветных лучей можно осуществить с помощью круга Ньютона (рис. 34.5), секторы которого покрашены в семь цветов радуги. Когда при вращении диска человек смотрит на него, то в его глаза поочередно попадают лучи всех семи цветов, которые отражаются от окрашенных секторов диска. Так как глаз удерживает зрительное ощущение около 0,1 с, то при быстром вращении диска он кажется человеку серым. Это отличие от белого цвета объясняется отсутствием промежуточных цветов и несовершенством красок.

Цвета, соответствующие монохроматическому излучению, иногда называют спектральными. Смешение двух монохроматических лучей обычно дает окрашенный свет. Например, смесь красного и зеленого света дает желтый свет, а зеленого и фиолетового — синий (см. цветной форзац). Это означает, что каждому монохроматическому лучу соответствует определенный цвет (§ 32.1), но не обязательно каждому цвету соответствует монохроматический луч.

Опыт показывает, что, смешивая в различной пропорции излучение трех основных цветов (красного, зеленого и фиолетового), можно получить любую окраску лучей (см. цветной форзац). Интересно отметить, что смешение лучей двух цветов в некоторых случаях дает белый свет. Такие цвета называют дополнительными. Примером дополнительных цветов являются желтые и синие лучи. Ясно, что при смешении излучения двух цветов, в состав которых вместе входят все цвета радуги, будет получаться белый свет. Следовательно, такие цвета всегда являются дополнительными.

Цвета тел

Цвет тела, являющегося самостоятельным источником света, определяется его составом, строением, внешними условиями и процессами, протекающими в этом теле.

Поскольку цвет такого тела связан с составом распространяющегося от него излучения, то, изучив особенности его спектра, можно получить много важных сведений о нем. Цвет вторичных источников света зависит еще и от состава падающего на них излучения.

Вспомним, что цвет прозрачного тела определяется составом того света, который проходит сквозь это тело. Освещая белым светом различные прозрачные тела, можно заметить, что в проходящем свете одни из них остаются бесцветными, а другие имеют окраску. Если с помощью призмы получить спектр того излучения, которое проходит сквозь тело, то будет видно, что в спектре бесцветного тела имеются лучи всех цветов радуги, а спектры окрашенных тел состоят из более или менее широких окрашенных полос нескольких цветов, а иногда и из узкой полосы почти одного цвета. Последнее получается у некоторых светофильтров — цветных стекол, пропускающих лучи одного цвета. Это означает, что многие прозрачные тела неодинаково поглощают излучение различных цветов. Например, красный светофильтр сильно поглощает излучение всех цветов, кроме красного, а желтый — поглощает только красные и фиолетовые лучи.

Каждое вещество имеет свой спектр поглощения. Если прозрачное вещество равномерно поглощает лучи всех цветов, то в проходящем свете при освещении белым светом оно бесцветно, а при цветном освещении оно имеет цвет тех лучей, которыми оно освещено. При очень сильном поглощении лучей всех цветов тело кажется нам черным. Когда тело обладает избирательным поглощением, то при освещении лучами одного из тех цветов, которые оно пропускает, тело окрашено в тот же цвет. Если же это тело освещают такими лучами, которые оно поглощает, то оно становится черным, т. е. непрозрачным.

Цвет непрозрачного тела в отраженном свете определяется смесью лучей тех цветов, которые оно отражает. Если тело равномерно отражает лучи всех цветов радуги, то при освещении белым светом оно кажется белым, а при цветном освещении кажется окрашенным в цвет падающих на него лучей.

Многие непрозрачные тела преимущественно поглощают определенную часть видимого излучения. Поэтому при освещении белым светом они кажутся окрашенными. Если эти тела освещать теми лучами, которые они поглощают, то в отраженном свете они кажутся черными. Часто цвет телу придает окраска его поверхности. Смешение красок создает цвет, отличный от цвета, получающегося при смешении лучей тех же цветов. Напомним, что смешение желтого и синего лучей дает белый свет, а смешение желтой и синей краски окрашивает поверхность в зеленый цвет (см. цветной форзац). Объясняется это тем, что желтая краска отражает только желтые и зеленые лучи, а синяя краска отражает синие и зеленые лучи. Таким образом, обе эти краски вместе отразят только зеленые лучи.

Оказывается, что с помощью смешения трех красок (желтой, синей и пурпурной) можно окрасить поверхность в любой цвет. Поэтому для цветной печати основными являются желтая, синяя и пурпурная краски.

Из изложенного выше следует, что цвет прозрачного тела в проходящем и в отраженном свете может быть совершенно различным. Поскольку окраска тел сильно зависит от состава падающего на них излучения, приобретать окрашенныеt вещи, например ткани, надо при дневном свете.

Ультрафиолетовая и инфракрасная части спектра

Яркость спектра можно увеличить с помощью линз. На рис. 34.6 левая линза собирает лучи от источника света, спектр которого исследуют, а правая линза собирает все лучи одного цвета в определенную точку экрана.

Чтобы установить, какие лучи приносят на экран больше энергии, а какие меньше, пользуются термопарой Т со спаем, покрытым сажей. Спай поглощает падающее на него излучение и нагревается. Возникающую при этом э. д. с. измеряют гальванометром. Чем больше энергии приносит излучение, тем большая э. д. с. возникает в термопаре.

Исследования спектра белого света показали, что за красной частью спектра спай термопары нагревается. Стекло довольно сильно поглощает крайние красные лучи, поэтому при исследовании длинноволновой части спектра применяют линзы и призмы из каменной соли, прозрачной для красных лучей. В этом случае спай термопары сильно нагревается, даже когда он находится далеко за красной частью видимого спектра, там, где глаз ничего не видит. Это означает, что в спектре белого света за красными лучами находятся невидимые лучи, длина волны которых больше, чем у красных лучей.

Невидимые лучи, которые в спектре располагаются за красными лучами, называют инфракрасными (от лаг. «инфра» — под). Они обладают ярко выраженным тепловым действием, поэтому их часто называют еще тепловыми. Инфракрасные лучи преломляются слабее красных (рис. 34.7) и имеют длины волн от 0,76 до 350 мкм.

Опыты показали, что стекло сильно поглощает и коротковолновую часть спектра. Поэтому при ее исследовании стали применять кварцевые линзы и призмы, прозрачные для такого излучения. При этом было выяснено, что короткие волны обладают ярко выраженным химическим действием, например, вызывают почернение светочувствительной бумаги. Оказалось, что эта бумага чернеет и тогда, когда она расположена за крайними фиолетовыми лучами спектра, там, где глаз ничего не видит. Невидимые лучи, расположенные за крайней фиолетовой частью спектра, называют ультрафиолетовыми(от лат. «ультра» — сверх). Они преломляются сильнее фиолетовых лучей (рис. 34.7), имеют более короткую длину волны и обладают ярко выраженным химическим действием. Ультрафиолетовые лучи имеют длины волн от 0,4 до 0,005 мкм.

Роль ультрафиолетовых и инфракрасных лучей в природе. Их применение в технике

Инфракрасные лучи испускают все тела в природе, так как их возникновение обусловлено хаотическим движением молекул и атомов в любом веществе. При повышении температуры энергия инфракрасного излучения тела быстро возрастает.

Когда какие-либо тела находятся недалеко друг от друга, то каждое из них создает свое излучение и одновременно поглощает излучение других тел. То тело, у которого самая высокая температура, получает меньше энергии, чем уносит его излучение, поэтому температура такого тела понижается. Наоборот, тело о наименьшей температурой, поглощая излучение, получает больше энергии, чем уносит его собственное излучение, поэтому оно нагревается. Таким образом, между всеми телами в природе происходит обмен энергией, способствующий выравниванию их температур.

С помощью излучения Земля получает энергию от Солнца. Опыт показал, что излучение Солнца содержит много инфракрасных и ультрафиолетовых лучей. За счет энергии солнечного излучения между различными точками земной поверхности создаются разности температур.

Инфракрасное излучение Земли уносит энергию в мировое пространство, что способствует охлаждению поверхности Земли. Именно поэтому в пустынях, где атмосфера прозрачна, ночью становится холодно, хотя днем бывает очень жарко. Если есть облака, инфракрасное излучение с поверхности Земли отражается от них и потери энергии в мировое пространство уменьшаются. Поэтому зимой при густой облачности на поверхности Земли становится теплее.

Ультрафиолетовые лучи, которые имеются в солнечном излучении, довольно сильно поглощаются атмосферой, и у поверхности Земли их сравнительно немного. Высоко в горах ультрафиолетовых лучей в солнечном излучении значительно больше. Ультрафиолетовые лучи убивают бактерии, т. е. являются хорошим дезинфектором. В небольших дозах они приносят пользу человеку, вызывают загар.

В технике инфракрасные лучи используют для сушки материалов, например пищевых продуктов, для сигнализации при плохой видимости, для фотографирования в темноте и т. д. В военном деле эти лучи используют для наведения на цель снарядов и ракет, для обнаружения замаскированного противника и т. д. В науке инфракрасные лучи позволяют определить различие температур отдельных участков поверхности планет, например Марса, особенности строения молекул вещества и пр.

Ультрафиолетовые лучи используются в фотографии, для обнаружения скрытых надписей или стертого текста, так как многие вещества при поглощении ультрафиолетовых лучей начинают испускать видимый свет. Это же явление используется в лампах дневного света и во многих других случаях. Ультрафиолетовые лучи используются для изучения строения наружных электронных оболочек атомов. В медицине их применяют при лечении некоторых заболеваний.

Приборы для получения и исследования спектров

Для наблюдения спектров пользуются спектроскопом.

Наиболее распространенный призматический спектроскоп состоит из двух труб, между которыми помещают трехгранную призму (рис. 34.8). В трубе А, называемой коллиматором, имеется узкая щель, ширину которой можно регулировать поворотом винта. Перед щелью помещается источник света, спектр которого необходимо исследовать. Щель располагается в фокальной плоскости линзы коллиматора, и поэтому световые лучи из коллиматора выходят в виде параллельного пучка. Пройдя через призму, световые лучи направляются в трубу В (рис. 34.8, 34.9), через которую наблюдают спектр. Если спектроскоп предназначен для измерений, то на изображение спектра с помощью специального устройства накладывается изображение шкалы с делениями, что позволяет точно установить положение цветных линий в спектре.

Материалом для призмы должно служить вещество с большой дисперсией, т. е. вещество, дающее широкий спектр. На рис. 34.10 показаны спектры, полученные с помощью воды (3), обыкновенного стекла (легкий крон) (2) и стекла, содержащего свинец (тяжелый флинт) (1). Происхождение темных линий объяснено в § 34.12. Из рисунка видно, что для получения видимого спектра наиболее подходящий материал — тяжелый флинт.

При исследовании спектра часто бывает целесообразнее сфотографировать его, а затем изучать с помощью микроскопа. Прибор для фотографирования спектров называется спектрографом. Схема спектрографа показана на рис. 34.11. Спектр излучения с помощью линзы Л₂ фокусируется на матовое стекло АВ, которое при фотографировании заменяют фотопластинкой.

Виды спектров

Спектры, полученные от самосветящихся тел, называются спектрами испускания. Непосредственные наблюдения и фотографии спектров показывают, что спектры испускания бывают трех типов: сплошные, линейчатые и полосатые.

Сплошные спектры (см. цветной форзац, г) получаются от светящихся твердых и жидких тел в результате их нагревания.

Линейчатые спектры (см. цветной форзац, д) состоят из узких линий различных цветов, разделенных темными промежутками. Такие спектры часто получаются от светящихся газов или паров. Свечение газа можно вызвать, пропуская через него электрический ток. Помещая стеклянную трубку с исследуемым газом перед щелью спектроскопа и пропуская через газ электрический ток, исследуют спектр испускания газа.

Линейчатые спектры паров и газов можно получить и при их нагревании, например, в пламени горелки. Таким же путем можно получить линейчатые спектры веществ, которые в обычных условиях находятся в твердом или жидком состоянии. Для этого крупинки твердых веществ или смоченный жидкостью асбест вводят в пламя газовой горелки. Испаряющиеся в пламени горелки вещества дают линейчатый спектр. Иногда такие вещества помещают в электрическую дугу и, закрывая раскаленные угольные электроды диафрагмой, наблюдают в спектроскопе яркие линии на фоне более слабого сплошного спектра самой дуги. Заметим, что светящиеся спектральные линии часто называют эмиссионными линиями.

Изучение линейчатых спектров различных веществ показало, что каждый химический элемент дает свой линейчатый спектр, не совпадающий со спектрами других элементов. Линейчатые спектры химических элементов отличаются цветом, положением и числом отдельных светящихся линий. Характерные для каждого химического элемента линии получаются не только в видимой, но также в инфракрасной и в ультрафиолетовой частях спектра. Исследование линейчатых спектров впервые было выполнено в 1854—1859 гг. немецкими учеными Г. Кирхгофом и Р. Бунзеном.

Линейчатые спектры создаются излучением отдельных атомов химических элементов, не связанных в молекулы. Это излучение связано с процессами, происходящими внутри атомов. Исследование линейчатых спектров позволило установить строение электронных оболочек атомов различных химических элементов.

Полосатые спектры состоят из ряда светлых полос, разделенных темными промежутками (см. рис. 34.12, где изображен спектр паров йода, и цветной форзац, ж). Полосатые спектры создаются излучением молекул. При рассмотрении в спектроскоп с большой разрешающей способностью полосы разделяются на ряд линий.

Спектры поглощения газов. Опыты Кирхгофа

Выше говорилось, что прозрачные вещества поглощают часть падающего на них излучения и в спектре, полученном после прохождения белого света через такие вещества, часть цветов исчезает, т. е. появляются темные линии или полосы поглощения. Такой спектр называется спектром поглощения.

Большой интерес представляет изучение спектров поглощения одноатомных газов, имеющих линейчатые спектры испускания. Какие лучи будет поглощать такой газ, если через него пропускать белый свет?

Впервые исследования такого рода в 1854 г. выполнил Г. Кирхгоф. Он вводил в пламя газовой горелки источник паров натрия (металлический натрий в маленьком тигле) или асбест, смоченный раствором поваренной соли. Пламя горелки при этом приобретало характерную желтую окраску, соответствующую излучению паров натрия, а в спектре этого излучения были видны две близко расположенные светлые желтые линии (рис. 34.13, а). Затем перед горелкой помещали дуговую лампу таким образом, чтобы свет от дуги мог попасть в щель спектроскопа только пройдя сквозь пламя горелки. В спектре белого света от электрической дуги при этом получались две темные линии (рис. 34.13, б) как раз в том месте, где находились желтые линии спектра испускания паров натрия.

Возникновение этих линий объясняется тем, что атомы натрия из всех проходящих лучей поглощают те, которые сами способны излучать. Причина такого избирательного поглощения излучения атомами газа будет рассмотрена в § 35.16. Поглощая желтые лучи из света дуги, пары натрия продолжают, конечно, сами испускать желтый свет. Однако температура дуги значительно выше, чем температура пламени горелки, и дуга дает более яркий спектр, на фоне которого желтые линии паров натрия кажутся темными. Таким образом, желтый свет по-прежнему есть в таком спектре: если погасить электрическую дугу, на экране будет ясно виден спектр паров натрия в том месте, где были видны темные линии.

Такое явление обращения спектральных линий наблюдается в спектрах испускания и поглощения газов и паров многих других элементов и выражается законом Кирхгофа (§ 34.10): всякое вещество поглощает преимущественно те лучи, которые само может испускать.

Закон теплового излучения Кирхгофа

Все нагретые тела — твердые, жидкие, газообразные — создают излучение. Оно возникает за счет возбуждения атомов и молекул при хаотическом тепловом движении частиц тела, т. е. энергия этого излучения получается за счет внутренней энергии тела. Излучение, обусловленное только температурой тела, называется тепловым излучением.

Свойства теплового излучения различных тел определяются их температурой и зависят от природы тел. Различные тела при одной и той же температуре излучают неодинаково. Так, например, металлический стержень в пламени газовой горелки светится ярче, чем кварцевый стержень, а само пламя горелки светится очень слабо. Тепловое излучение тела при данной температуре определяется его излучательной способностью (ее обозначают буквой е). Излучательная способность тела измеряется энергией излучения, испускаемого единицей площади поверхности тела за единицу времени.

Все тела обладают способностью поглощать падающее на них излучение. Энергия излучения при поглощении превращается во внутреннюю энергию тела. Из опыта известно, что одни тела сильно поглощают излучение, другие — слабо. Поэтому любое тело характеризуется поглощательной способностью (обозначают буквой а). Поглощательная способность показывает, какую долю падающего на тело излучения оно поглощает. Поглощательная способность зависит от природы тела, состояния его поверхности, а также от длины волны излучения. Заметим, что тело называется абсолютно черным, если оно полностью поглощает все падающее на него излучение. У абсолютно черного тела поглощательная способность у остальных тел у идеального зеркала Для видимой части спектра к абсолютно черному телу близка сажа.

Найдем связь между поглощательной и излучательной способностью тела. Предположим, что внутрь какой-то замкнутой полости, хорошо теплоизолированной снаружи, помещены различные нагретые тела (рис. 34.14, а), которые могут обмениваться энергией посредством излучения.

Если исходная температура тел этой системы была различной, то более нагретые тела будут излучать энергии больше, чем поглощать, и в результате будут остывать, а менее нагретые тела будут нагреваться. Через некоторое время температура всех тел и стенок полости станет одинаковой и в системе между телами и излучением
наступит термодинамическое равновесие, при котором каждое тело, в том числе и стенки полости, будут излучать столько же энергии, сколько и поглощать. Пространство внутри полости будет равномерно заполнено электромагнитными волнами разной длины и интенсивности, хаотически движущимися во всех направлениях подобно молекулам газа в замкнутом объеме. Никакого направленного переноса энергии в системе не будет наблюдаться, все направления станут равноценными и внутри полости на произвольную площадку в 1 м 2 (рис. 34.14, а) будет падать за 1 с одна и та же энергия излучения причем такая же энергия излучения будет падать и на обратную сторону этой площадки.

Эта энергия будет падать за 1 с и на 1 м? поверхности любого тела системы. Каждое тело будет поглощать часть этой энергии, определяемую его поглощательной способностью: и т. д. При равновесии каждое тело с 1 м 2 своей поверхности излучает такую же энергию, как и поглощает. Если обозначить излучательную способность тел и т. д., то и т. д. Отсюда

Предположим, что одно из этих тел абсолютно черное. Тогда для него и так как Поэтому

(34.1)

Это важное соотношение выражает закон теплового излучения Кирхгофа, выведенный им теоретически в 1860 г.: отношение излучательной и поглощательной способностей любого тела при данной температуре не зависит от природы тела и равно излучательной способности абсолютно черного тела.

Таким образом, чем больше поглощательная способность тела, тем больше и его излучательная способность. Наибольшей излучательной способностью при данной температуре обладает абсолютно черное тело. Поэтому при одинаково высокой температуре черное тело светится ярче других тел.

Из изложенного выше следует еще один важный вывод: при равновесном излучении с единицы площади поверхности любого тела за единицу времени исходит излучение с такой же энергией, как и от абсолютно черного тела. Действительно, из энергии падающего на тело излучения часть, равная поглощается, остальная часть отражается и к ней добавляется излучаемая телом энергия равная поглощенной энергии :

Итак, внутри полости отовсюду исходит такое же излучение, как и от абсолютно черного тела. Поэтому, если в полости проделать отверстие, достаточно малое, чтобы не нарушить заметно теплового равновесия, то это отверстие (рис. 34.14, б) будет излучать так же, как и абсолютно черное тело. Таким образом, отверстие в равномерно нагретой полости служит хорошей моделью абсолютно черного тела. Нетрудно, понять, что такое отверстие и полностью поглощает падающее на него снаружи излучение: луч света, попадая через отверстие, многократно отражается внутри полости и в конце концов полностью поглощается (действительно, маленькое отверстие в какой-нибудь закрытой коробке даже по сравнению с сажей кажется еще более черным).

Близко к равновесному излучение тел в закрытой печи. Поэтому, если заглянуть в печь через маленькое отверстие, то можно увидеть, что различные тела, сделанные, например, из графита, металла, кварца, светятся там одинаково ярко и почти неразличимы. Однако, если извлечь эти тела из печи, их излучение станет неравновесным и свечение тел будет определяться их излучательной способностью. Хотя температура тел в первый момент одинакова, ярче других светится деталь из графита.

Очевидно, что тела с более высокой поглощательной способностью быстрее нагреваются излучением, но и быстрее остывают, поскольку создают большее излучение, чем тела, слабо поглощающие излучение. (Объясните, почему поверхность колбы термоса делают зеркальной.)

Закон Кирхгофа выполняется не только для суммарной энергии излучения всех длин волн, но и для любого диапазона длин волн. Действительно, можно повторить все рассуждения при выводе закона Кирхгофа, предположив, что замкнутая полость (рис. 34.14, а) перегорожена множеством светофильтров, пропускающих излучение только в определенном диапазоне длин волн. В результате мы получим для излучательной и поглощательной способности тел в этом диапазоне длин волн и такое же соотношение, как (34.1):

(34.1 а)

Таким образом, если какое-либо тело сильно поглощает излучение в некоторой части спектра, то оно должно и сильно излучать в этой же части спектра. Поэтому закон Кирхгофа выражают еще и так: всякое тело поглощает преимущественно те лучи, которые само может испускать (§ 34.9), и в спектрах поглощения и испускания положения соответствующих линий совпадают.

Законы теплового излучения Стефана — Больцмана, Вина, Планка

Абсолютно черное тело удобно использовать в качестве стандартного излучателя (на практике используется черненая платина или отверстие в равномерно нагретой полости), поскольку его излучательная способность определяется только его температурой. Эту связь устанавливает закон Стефана — Больцмана: излучательная способность абсолютно черного тела прямо пропорциональна четвертой степени его температуры:

(34.2)

где — постоянная Стефана — Больцмана.

Как распределяется энергия излучения по длинам волн, не удалось установить ни с помощью термодинамических методов, ни с помощью волновой теории излучения. Согласно волновой теории энергия излучения нагретого тела, соответствующая различным частотам, должна возрастать с увеличением частоты. Это означает, например, что в излучении лампы накаливания должно быть много ультрафиолетовых лучей.

Однако опыты показывали, что энергия излучения вначале действительно растет с увеличением частоты, но, пройдя через максимум, начинает уменьшаться, стремясь к нулю при высоких частотах. Устранить такое резкое противоречие теории с опытом удалось в 1900 г. М. Планку, который ввел представление о квантовой природе излучения. Он предположил, что излучение энергии веществом происходит не непрерывно, а в виде определенных порций (квантов) энергии, пропорциональных частоте излучения. Величина квантов энергии определяется формулой Планка: (§ 28.3), где — частота колебаний, а — постоянная Планка. Чем больше частота колебаний, тем больше квант излучаемой энергии.

При низких температурах энергия теплового движения частиц тела недостаточна для создания квантов большой энергии. Чем выше температура тела, тем больше вероятность возникновения квантов большой энергии в излучении этого тела, тем интенсивнее и разнообразнее излучение и тем дальше распространяется спектр излучения в сторону высоких частот (коротких волн).

Распределение энергии излучения абсолютно черного тела по длинам волн, полученное Плавком (планковские кривые), показано на рис. 34.15 для нескольких температур (жирная кривая показывает распределение энергии в спектре Солнца). Из рисунка видно, что длина волны, на которую приходится наибольшая энергия излучения, тем меньше, чем выше температура излучающего тела. Эта связь была установлена В. Вином в 1893 г. и носит название закона Вина: произведение длины волны, соответствующей максимуму излучения в спектре абсолютно черного тела, на его абсолютную температуру есть величина постоянная:

(34.3)

где — постоянная Вина.

«Спектральное распределение энергии теплового излучения какого-либо реального тела может заметно отличаться от показанного на рис. 34.15 для излучения черного тела при той же температуре, но обычно имеет такой же характер. Установив с помощью опыта, на какую длину волны приходится наибольшая энергия в спектре излучения тела, можно определить его температуру. Таким путем можно определить, например, температуру расплавленного металла, волоска лампы накаливания и т. д. Такой способ определения температуры источника излучения называется оптической пирометрией.

Можно использовать законы теплового излучения для оценки температуры Солнца и других звезд. Их температуру можно определить с помощью закона Стефана — Больцмана, если известны размеры излучающей поверхности и полная энергия излучения. Можно также подобрать планковскую кривую, наиболее близкую к распределению энергии в спектре звезды, или оценить температуру с помощью закона Вина по длине волны, соответствующей максимуму излучения.

Теория теплового излучения Планка хорошо согласуется с опытными данными, в частности, законы Стефана — Больцмана и Вина получаются как следствия закона Планка. Это послужило первым доказательством квантовой природы излучения.

Спектры Солнца и звезд. Их связь с температурой

Закон Кирхгофа позволил объяснить возникновение темных линий в спектре солнечного излучения (см. цветной форзац, е). Они были обнаружены и описаны в 1817 г. И. Фраунгофером, впервые применившим для получения спектра дифракционную решетку.

Темные линии, которые стали называть фраунгоферовыми, занимают строго определенное положение в спектре солнечного излучения. Наиболее заметные из них были обозначены латинским буквами А, В, С, D и т. д. (рис. 34.10). Оказалось, что фраунгоферовы линии представляют собой линии поглощения паров и газов внешних слоев фотосферы, более холодных, чем ее внутренние слои (сравните с опытом Кирхгофа). Так, например, линия D представляет собой линию поглощения паров натрия, линии С и F — линии поглощения водорода и т. д. Аналогичные линии поглощения обнаружены и в спектрах звезд.

Как говорилось выше, практически все видимое излучение Солнца испускает фотосфера. Излучение более глубоких слоев поглощается и наружу не выходит. Внешние же слои атмосферы (хромосфера и корона), хотя и более горячие, чем фотосфера, слишком разрежены и поэтому не вносят заметного вклада в видимое излучение Солнца (яркость хромосферы в сотни раз, в короны — в миллион раз меньше, чем яркость фотосферы).

Основную часть излучения фотосферы испускают ее внутренние, более горячие слои. Они хорошо теплоизолированы от окружающего пространства внешними слоями, поэтому их излучение близко к равновесному. Следовательно, Солнце должно излучать приблизительно как абсолютно черное тело.

На рис. 34.15 показано распределение энергии излучения абсолютно черного тела по длинам волн для нескольких температур и реальное распределение энергии в спектре Солнца; как видно, оно соответствует излучению абсолютно черного тела с температурой 6000—6500 К. Наибольшей интенсивности солнечное излучение достигает в сине-зеленой части спектра, в интервале длин волн 430 — 500 нм. Определенная различными способами (§ 34.11) температура фотосферы Солнца близка к 6000 К.

Звезды имеют различные температуры. Это можно заметить даже по их цвету, взглянув на ночное небо, усеянное голубоватыми, белыми, желтыми, красными звездами. Ясно, что среди них самые горячие — голубые (их температура выше 30 000 К), а самые холодные — красные (около 3000 К). Наше Солнце относится к желтым звездам. Заметим, что невооруженным глазом можно различать цвета только самых ярких звезд.

При изучении спектров звезд различие их температур проявляется также в интенсивности и числе линий различных химических элементов и соединений. Так, в спектрах очень горячих звезд выделяются яркие линии излучения гелия, азота, а в спектрах наиболее холодных — сильные полосы поглощения различных молекулярных соединений.

Солнечный спектр далеко простирается в длинноволновую и коротковолновую области. В коротковолновой области интенсивность непрерывного спектра быстро падает и темные фраунгоферовы линии сменяются яркими эмиссионными, которых насчитывается несколько тысяч.

Интенсивность солнечного спектра в длинноволновой области падает медленнее, чем у абсолютного черного тела с температурой около 6000 К, и в области радиоволн Солнце излучает уже как черное тело, нагретое до 10 6 К. Радиоизлучение Солнца, в отличие от видимого излучения, сильно меняет свою интенсивность. Например, во время вспышки наблюдается всплеск радиоизлучения — сильное (иногда в миллионы раз) увеличение мощности радиоизлучения на некоторой частоте.

Спектральный анализ

Каждый химический элемент имеет свой характерный спектр излучения, поэтому по линейчатому спектру паров какого-либо вещества можно установить, какие химические элементы входят в его состав. Такой метод определения химического состава вещества называется качественным спектральным анализом.

Спектральный анализ широко используется в науке и технике. Это один из самых быстрых и простых способов определения состава различных химических соединений. Он обладает крайне высокой чувствительностью и позволяет обнаружить присутствие очень малых количеств химических элементов, причем само количество исследуемого вещества, необходимое для проведения спектрального анализа, также очень невелико (часто достаточно 10 -8 —10 -9 г).

Спектральный анализ позволяет определить состав паров и газов, находящихся на произвольно большом расстоянии, лишь бы лучи от них попадали в спектральный прибор. Поэтому этот метод широко используют в астрономии для определения химического состава Солнца и звезд, их температуры, движения в пространстве и т. д.

Первым замечательным достижением спектрального анализа было открытие новых химических элементов. Основатели спектрального анализа Р. Бунзен и Г. Кирхгоф открыли с помощью его новые щелочные металлы — рубидий и цезий. В дальнейшем были открыты и некоторые другие элементы, например индий и таллий. Особенно интересна история открытия гелия. Первоначально гелий был обнаружен при анализе спектра солнечного протуберанца в 1868 г., откуда и произошло название этого элемента (от греч. «гелиос» — Солнце). Линии гелия были обнаружены в 1881 г. в спектре газов Везувия, затем в некоторых минералах и в очень малых количествах — в земной атмосфере. Только в 1905 г. удалось получить небольшое количество гелия.

В соответствии с законом Кирхгофа спектральный анализ газов и паров можно проводить и по спектрам поглощения. Так, в результате исследования положения фраунгоферовых линий в спектре Солнца было установлено, что Солнце состоит из тех же элементов, что и Земля. При проведении спектрального анализа пользуются специальными таблицами или атласами спектральных линий, в которых приводится точное расположение линий спектра каждого химического элемента или соответствующие им длины волн. В некоторых случаях спектральный анализ проводится путем сравнения спектров исследуемого материала и эталонного спектра образца с известным содержанием химических элементов.

В настоящее время разработаны методы количественного спектрального анализа, позволяющие по интенсивности свечения спектральных линий химического элемента определить его процентное содержание в исследуемом образце.

Основные достоинства спектрального анализа — очень высокая чувствительность, простота и быстрота проведения анализа — делают его весьма удобным для использования в металлургии и в машиностроении, химии и геологии, медицине и биологии и многих других областях науки и техники.

Понятие о принципе Доплера

Австрийский физик X. Доплер в 1842 г. установил, что движение источника колебаний навстречу наблюдателю ведет к увеличению частоты колебаний, воспринимаемых наблюдателем, а удаление — к уменьшению частоты. Это явление, которое называют эффектом Доплера, можно, например, наблюдать, когда мимо нас проезжает подающий сигнал поезд или автомобиль. Пока поезд приближается к нам, мы слышим более высокий тон гудка, а когда удаляется — более низкий, чем при неподвижном источнике звука.

Изменение частоты колебаний в волне (длины волны), воспринимаемое наблюдателем во время сближения или удаления друг от друга источника волн и наблюдателя, называется эффектом Доплера. Эффект Доплера характерен для любых волн, в том числе и для электромагнитных.

Пусть источник S излучает электромагнитные волны (в вакууме) с частотой где — скорость света, — длина волны. За одну секунду волны, распространяющиеся от источника S, проходят расстояние, равное , и через какую-то точку А (рис. 34.16, а) проходит за одну секунду волн. Поэтому неподвижный наблюдатель, находящийся в этой точке, воспринимает волны с частотой

Предположим теперь, что наблюдатель движется по направлению к источнику со скоростью Тогда за одну секунду он приблизится к источнику на расстояние численно равное (рис. 34.16, б), и мимо него за 1 с пройдет на волн больше, чем когда он был неподвижен. Поэтому частота волн воспринимаемая наблюдателем, будет больше, чем на

(34.4)

Нетрудно понять, что если наблюдатель удаляется от источника со скоростью , то воспринимаемая им частота на меньше, чем

(34.5)

Поскольку то или

(34.6)

Определенной частоте колебаний соответствует определенная длина волны в окружающей среде, поэтому эффект Доплера можно рассматривать как изменение длины волны, регистрируемое наблюдателем. Подставив и (34.4) или (34.5), получим Если то и тогда

(34.7)

При этом длина волны получается на меньше, чем если наблюдатель приближается к источнику (двигаясь навстречу волнам, он воспринимает их как бы несколько сжатыми), и получается на больше, чем если наблюдатель удаляется от источника (тогда он воспринимает волны несколько растянутыми). По изменению длины волны (или частоты ), воспринимаемой наблюдателем, можно определить, с какой скоростью сближаются или удаляются друг от друга источник волн и наблюдатель.

Следует заметить, что формулы (34.4) — (34.7) справедливы только для скоростей движения много меньших скорости света Более строгий вывод формулы для доплеровского смещения требует применения теории относительности (гл. 36).

При исследовании спектров звезд было обнаружено, что звезды движутся относительно Солнечной системы, так как в их спектрах спектральные линии известных элементов оказываются смещенными по сравнению с положением линий в спектре лабораторного (неподвижного) источника излучения. По доплеровскому смещению спектральных линий определяют скорости приближения или удаления звезд.

Когда были получены спектры далеких звездных систем — галактик, было обнаружено смещение линий в сторону длинных волн (к красной части спектра), получившее название «красного смещения», причем оказалось, что чем дальше находится галактика, тем больше «красное смещение» и соответствующая ему скорость удаления галактики. Это позволило предположить, что галактики удаляются друг от друга.

Рентгеновские лучи и их практическое применение

В 1895 г. немецкий физик В. Рентген обнаружил, что из трубки, в которой создаются катодные-лучи, испускаются еще и неизвестные лучи, проникающие через стекло, воздух, а также многие тела, непрозрачные для обычного света. Эти лучи в дальнейшем были названы рентгеновскими.

Сами рентгеновские лучи невидимы, но вызывают свечение многих веществ и сильно действуют на фоточувствительные материалы. Поэтому для их исследования применяют специальные экраны, светящиеся под действием рентгеновских лучей. Благодаря этому свойству они и были обнаружены Рентгеном.

Рентгеновские лучи получаются при торможении быстро летящих электронов. Вокруг летящих электронов существует магнитное поле, поскольку движение электрона представляет собой электрический ток. При резком торможении электрона в момент удара о препятствие магнитное поле электрона быстро изменяется и в пространство излучается электромагнитная волна, длина которой тем меньше, чем больше скорость электрона до удара о препятствие. Рентгеновские лучи получают с помощью специальных двухэлектродных ламп (рис. 34.17), на которые подается высокое напряжение, порядка 50—200 кВ. Электроны, испускаемые накаленным катодом рентгеновской трубки, ускоряются сильным электрическим полем в пространстве между анодом и катодом и с большой скоростью ударяются об анод. При этом с поверхности анода испускаются рентгеновские лучи, выходящие сквозь стекло трубки наружу. Тормозное излучение рентгеновской трубки имеет сплошной спектр.

Рентгеновские трубки с накаленным катодом сами являются выпрямителями, и их можно питать переменным током.

Если электроны в ускоряющем поле приобретают достаточно высокую скорость, чтобы проникнуть внутрь атома анода и выбить один из электронов его внутреннего слоя, то на его место переходит электрон из более удаленного, слоя с излучением кванта большой энергии. Такое рентгеновское излучение имеет строго определенные длины волн, характерные только для данного химического элемента, поэтому оно называется характеристическим.

Характеристическое излучение имеет линейчатый спектр, накладывающийся на сплошной спектр тормозного излучения. При увеличении порядкового номера элемента в таблице Менделеева рентгеновский спектр излучения его атомов сдвигается в сторону коротких длин волн. Легкие элементы (например, алюминий) вообще не дают характеристического рентгеновского излучения.

Рентгеновские лучи принято различать по их жесткости: чем короче длина волны рентгеновских лучей, тем они считаются более жесткими. Наиболее жёсткие рентгеновские лучи испускаются тяжелыми атомами.

Важной особенностью рентгеновских лучей является их высокая проникающая способность по отношению ко многим веществам, непрозрачным для видимого света. Чем жестче рентгеновские лучи, тем слабее они поглощаются и тем выше их проникающая способность. Поглощение рентгеновских лучей в веществе зависит еще от его атомного состава: сильно поглощают рентгеновские лучи атомы тяжелых элементов, в состав каких бы химических веществ они ни входили.

Как и любые электромагнитные волны, рентгеновские лучи не отклоняются в электрическом и магнитном полях. Показатель преломления рентгеновских лучей очень мало отличается от единицы, и они почти не испытывают преломления при переходе из одной среды в другую. Это свойство рентгеновских лучей в сочетании с их высокой проникающей способностью используется в ряде практических применений.

Если- поместить между источником рентгеновских лучей и экраном, светящимся под их действием, какое-либо тело, то на экране появится его темное изображение. Если внутри однородного тела имеется полость, то на экране соответствующее место будет более светлым. Это явление используется для выявления внутренних дефектов изделий (дефектоскопия). При просвечивании неоднородного по молекулярному составу тела различные его части будут неодинаково поглощать рентгеновские лучи, и на экране мы увидим очертания этих частей. Так, просвечивая руку, мы ясно видим на светящемся экране темное изображение костей (рис. 34.18).

Часто оказывается удобнее вместо того, чтобы использовать светящийся экран, делать рентгеновские снимки. Для этого исследуемое тело помещается между рентгеновской трубкой и закрытой кассетой с фотопленкой, и через него в течение короткого промежутка времени пропускаются рентгеновские лучи. После съемки фотопленка проявляется обычным способом. Рентгеновские лучи широко применяются в медицине: в диагностике различных заболеваний (туберкулез и др.), при определении характера перелома костей, для обнаружения в теле инородных предметов (например, застрявшей пули) и т. д. Рентгеновские лучи вредно действуют на развитие клеток. Это используется при лечении злокачественных опухолей. Однако по этой же причине продолжительное или слишком интенсивное воздействие на организм рентгеновских лучей, особенно жестких, вызывает тяжелые заболевания.

Долгое время после открытия рентгеновских лучей не удавалось обнаружить проявления их волновых свойств — наблюдать их дифракцию И измерить длину волны. Все попытки использовать дифракционные решетки, предназначенные для измерения длин световых волн, не давали никаких результатов. В 1912 г. немецкий физик М. Лауэ предложил использовать для получения дифракции рентгеновских лучей естественные кристаллические решетки. Опыты
показали, что узкий пучок рентгеновских лучей, пройдя через кристалл, дает на экране или фотопленке сложную дифракционную картину в виде группы пятен (рис. 34.19; Р — рентгеновская трубка, Д — диафрагмы, К — кристалл, Э — экран).

Изучение дифракционной картины, полученной при использовании кристалла каменной соли, позволило определить длину волны рентгеновских лучей, так как расстояние между узлами этой кристаллической решетки было известно. Оказалось, что длина волны рентгеновских лучей, использованных в этом опыте, составляет несколько десятых долей нанометра. Дальнейшие исследования показали, что рентгеновские лучи имеют длину волны от 10 до 0,01 нм. Таким образом, даже мягкие рентгеновские лучи имеют длины волн в десятки и сотни раз более короткие, чем у видимого света. Отсюда ясно, почему нельзя было использовать дифракционные решетки: длины волн рентгеновских лучей слишком малы для них, и дифракция не возникает. Расстояние же между узлами решетки в естественных кристаллах соизмеримо с длинами волн рентгеновских лучей, т. е. кристаллы могут служить для них «готовыми» дифракционными решетками.

Опыты Лауэ показали, что рентгеновские лучи представляют собой электромагнитные волны. Дифракция рентгеновских лучей используется для определения их длин волн (рентгеновский спектральный анализ) и, наоборот, пропуская рентгеновские лучи известной длины волны через исследуемый кристалл, по дифракционной картине можно установить взаимное расположение атомов и расстояние между ними в кристаллической решетке (рентгеноструктурный анализ).

Шкала электромагнитных волн

Д. Максвелл разработал теорию электромагнитных явлений и показал, что в природе должны существовать электромагнитные волны, а Г. Герц получил и исследовал их экспериментально.

Работы Герца, Попова, Лебедева и других ученых подтвердили теорию Максвелла и показали, что с помощью колебательного контура можно получать электромагнитное излучение с длиной волны от нескольких километров до 6 мм. Из теории Максвелла следовало, что световое излучение представляет собой очень короткие электромагнитные волны, создаваемые естественными вибраторами — атомами и молекулами.

Таким образом, к концу прошлого столетия было известно электромагнитное излучение с длинами волн от нескольких километров до 6 мм и от 0,3 мм (инфракрасное излучение) до 0,01 мкм (ультрафиолетовое излучение). Затем были открыты рентгеновские лучи, оказавшиеся (что было установлено позднее) очень короткими электромагнитными волнами.

Изучение радиоактивных явлений позволило обнаружить электромагнитное излучение, длины волн которого еще короче, чем рентгеновских лучей. Это излучение было названо гамма-излучением.

Позднее были экспериментально получены электромагнитные волны, заполнившие имевшиеся вначале пробелы в спектре электромагнитных волн.

Шкала известных электромагнитных волн изображена на рис. 34.20. Распределение электромагнитных волн по типам сделано в соответствии со способами их возбуждения. Те участки шкалы, где диапазоны волн разных типов перекрывают друг друга, показывают, что волны таких длин можно получить двумя способами. Так, например, волны длиной около 1 мм можно получить с помощью искусственного вибратора и при тепловом излучении. Разумеется, физические свойства этих волн совершенно одинаковы, так как они определяются длиной волны, а не методом их возбуждения.

Из рис. 34.20 видно, что диапазон видимого света составляет очень малую часть спектра электромагнитных волн.

Исследования электромагнитного излучения имеют огромное значение для уточнения наших представлений о строении вещества. Так, исследования инфракрасного, видимого и ультрафиолетового излучения помогли выяснить строение молекул и внешних электронных оболочек атомов; изучение рентгеновского излучения позволило установить строение внутренних электронных оболочек атомов и структуру кристаллов, а изучение гамма-лучей дает много ценных сведений о строении атомных ядер.

Виды космического излучения

До 40-х годов нашего столетия почти все сведения о небесных телах были получены с помощью оптического метода исследования. Дело в том, что атмосфера Земли пропускает только электромагнитные волны длиной от 0,3 мкм до нескольких микрометров и еще радиоволны от нескольких сантиметров до десятков метров. Для остальной части шкалы электромагнитных волн атмосфера непрозрачна. Между тем во Вселенной излучаются электромагнитные волны всех диапазонов — от радиоволн до гамма-излучения.

Космическое радиоизлучение впервые было обнаружено в 30-х годах при изучении грозовых помех. В 40-х—50-х годах начались поиски и изучение источников космического радиоизлучения. Для этой цели использовали радиолокаторы, затем начали строить радиотелескопы с огромными чашеобразными антеннами и чувствительными приемниками излучения. Быстрое развитие радиоастрономии привело к целому ряду важнейших открытий.

Было обнаружено, что нейтральный холодный водород, который составляет основную массу межзвездного газа, но в оптическом диапазоне невидим, испускает монохроматическое радиоизлучение с длиной волны 21 см. Это помогло изучить распределение водорода в нашей звездной системе — Галактике, включая даже далекие области, закрытые пылевыми облаками, которые, однако, для радиоволн прозрачны.

Далее были открыты галактики, мощность радиоизлучения которых в миллионы раз больше, чем у нашей Галактики (их назвали радиогалактиками). Оказалось, что такое мощное радиоизлучение имеет нетепловую природу. Оно вызвано гигантскими взрывами, при которых выбрасываются огромные массы вещества, в миллионы раз больше, чем масса Солнца. Выброшенные при взрыве быстро летящие заряженные частицы в межзвездном магнитном поле движутся по криволинейным траекториям, т. е. с ускорением. Ускоренное же движение заряда сопровождается излучением электромагнитных волн. Это нетепловое излучение называют магнитотормозным или синхротронным (оно наблюдается в синхротронах — ускорителях заряженных частиц). Изучение синхротронного излучения дает ценные сведения о движении потоков космических частиц и о межзвездных магнитных полях. Обычно излучаются радиоволны, но если частицы движутся с очень большими скоростями или в достаточно сильном магнитном поле, то они испускают видимое, ультрафиолетовое и даже рентгеновское излучение.

Для регистрации космического излучения, от инфракрасного до рентгеновского, очень широко используется фотографический метод. Кроме того, в качестве приемников излучения применяются термопары, термосопротивления, а также фотоэлектрические устройства, принцип действия которых рассматривается в следующей главе.

Как отмечалось выше, атмосфера сильно поглощает коротковолновое излучение. До поверхности Земли доходит только ближнее ультрафиолетовое излучение, да и то сильно ослабленное. Поэтому коротковолновое космическое излучение можно изучать только с помощью ракет и спутников. Такие исследования позволили изучить ультрафиолетовую часть спектра Солнца, а также исследовать очень горячие звезды с температурой до 30 000 К, сильно излучающие в ультрафиолетовой области.

Поскольку температура солнечной короны составляет около 10 6 К (§ 6.13), то в соответствии с законами теплового излучения корона должна быть источником рентгеновского излучения. Первые же опыты с помощью ракет подтвердили это. Оказалось, что рентгеновское излучение Солнца непостоянно. При хромосферных вспышках наблюдаются всплески рентгеновского излучения. Это объясняется тем, что выброшенные при вспышке быстро летящие электроны испускают рентгеновское излучение при столкновении с другими частицами солнечной атмосферы, а также при торможении в сильном магнитном поле активных областей (синхротронное излучение). Заметим, что рентгеновское излучение Солнца — важнейший источник ионизации верхнего слоя атмосферы Земли — ионосферы.

С помощью космических аппаратов было обнаружено рентгеновское излучение различных далеких объектов (ядер галактик, нейтронных звезд и др.).

Услуги по физике:

Лекции по физике:

Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Сайт предназначен для облегчения образовательного путешествия студентам очникам и заочникам по вопросам обучения . Наталья Брильёнова не предлагает и не оказывает товары и услуги.