В оптике различают дифракционный и дисперсионный световые спектры. В чем их особенности?
Что представляет собой дифракционный спектр?
Данный спектр образуется при прохождении света через множество небольших отверстий или щелей. Так, его можно разглядеть, если прищуриться и посмотреть на солнце или лампу. Если обратить внимание на луну зимой в мороз, то вокруг нее несложно увидеть разноцветные круги: они также являются дифракционными спектрами . В данном случае они образуются вследствие прохождения света через замерзшие частицы воды в атмосфере. В целях проведения научных экспериментов своего рода эталонные дифракционные спектры создаются с помощью специальных дифракционных решеток.
Дифракционный спектр
Рассматриваемый вид спектра характеризуется отклонением лучей, которое является пропорциональным показателю длины волны. Поэтому ультрафиолетовые, а также фиолетовые лучи спектра, которые имеют короткие волны, отклоняются в наименьшей степени. В свою очередь, длинноволновые красные и инфракрасные - наоборот. Можно отметить, что рассматриваемый спектр в наибольшей степени растянут в сторону длинноволновых лучей.
Что представляет собой дисперсионный спектр?
Данный спектр образуется в результате преломления света - например, при его прохождении через призму. Выглядит он, таким образом, как совокупность световых полос разного цвета. Дисперсия света представляет собой разложение его потока, имеющего белый цвет, на монохроматические лучи, которые формируют световой спектр.
Дисперсионный спектр В истории физики известен примечательный факт: до того, как был открыт дисперсионный спектр , была распространена точка зрения, что белый свет окрашивается при прохождении через призму. Оказалось, что это не так.
В дисперсионном спектре наибольшее отклонение при преломлении свойственно фиолетовым лучам. Растягивается рассматриваемый спектр более равномерно, чем дифракционный, - по всем типам лучей, но при этом в наибольшей степени - в сторону коротковолновых.
Сравнение
Главное отличие дифракционного спектра от дисперсионного заключается в том, что первый спектр образуется в результате прохождения света через узкие отверстия (и иные не препятствующие прохождению лучей области между некоторыми близко расположенными объектами), а второй - в результате его преломления (например, вследствие прохождения через призму).
Также между рассматриваемыми спектрами могут наблюдаться различия с точки зрения:
- отклонения красных и фиолетовых лучей;
- степени растяжения спектра;
- степени растяжения спектра относительно красных и фиолетовых лучей.
Более наглядно отобразить то, в чем разница между дифракционным и дисперсионным спектром заключается с точки зрения отмеченных параметров, нам поможет небольшая таблица.
Большинство фактических сведений про окружающие нас явления и природу получены человеком при помощи восприятия по средствам органов зрительного восприятия, которые созданы светом. Явления света, которые изучаются в физике, рассматриваются в разделе Оптика.
По своей природе свет является явлением электромагнитным, а это говорит про одновременное проявление как волновых (интерференция, дифракция, дисперсия), так и квантовых свойств (фотоэффект, люминесценция).
Рассмотрим два важных волновых свойства света: дифракцию и дисперсию.
Понятие светового луча широко используют в геометрической оптике. Таким явлением считается узкий пучок света, который распространяется прямолинейно. Подобное распространение света в однородной среде для нас кажется таким обычным, что принимается как очевидное. Достаточно убедительным подтверждением этого закона может быть образование тени, которое появляется за непрозрачным препятствием, которое стоит на пути света. А свет в свою очередь излучается точечным источником.
Явления, которые возникают при распространении света в среде с резко выраженными неоднородностями, являются дифракцией света.
Итак, дифракцией называют совокупность явлений, которые обусловлены огибанием световыми лучами препятствий, которые встречаются на их пути (в широком смысле: любое отклонение от законов геометрической оптики при распространении волн и попадание их в участки геометрической тени).
Дифракция четко проявляется в случае, когда параметры неоднородности (прорези решетки) соразмерны с длинной волны. Если же размеры слишком большие, то она наблюдается только на значительных расстояниях от неоднородности.
При огибании неоднородностей световой луч раскладывается в спектр. Спектр разложения, который получен при данном явлении называется дифракционным спектром. Дифракционный спектр ещё называют решетчатым.
Разным скоростям распространения волн отвечают различные абсолютные показатели преломления среды. Из исследований Ньютона следует, что абсолютный показатель преломления увеличивается с ростом частоты света. С течением времени ученые установили тот факт, что при рассмотрении света как волны каждый цвет необходимо ставить в соответствие длине волны. Важным является то, что эти длины волн изменяются непрерывно, отвечая различным оттенкам каждого цвета.
Если тонкий пучок солнечного света направить на стеклянную призму, то в ней после преломления можно наблюдать разложение белого света (белый свет – совокупность электромагнитных волн с разной длинной волны) в разноцветный спектр: семь основных цветов – красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый цвета. Все эти цвета плавно переходят друг в друга. В меньшей степени от начального направления откланяются красные лучи, а в большей – фиолетовые.
Этим можно объяснить возникновение окраски предметов различными цветами, поскольку белый свет представляет собой совокупность различных цветов. Например, цвет листьев растений, в частности, зеленый цвет, обусловлен тем, что на поверхности листьев происходит поглощение всех цветов кроме зеленого цвета. Именно его мы и видим.
Итак, дисперсия – это явление, которое характеризует зависимость преломления вещества от длинны волны. Если говорить о световых волнах, то дисперсия дисперсией называют явление зависимости скорости света (а также и показателя преломления света веществом) от длинны (частоты) светового луча. Благодаря дисперсии белый свет раскладывается в спектр при прохождении через стеклянную призму. Именно поэтому подобным образом полученный спектр называют дисперсионным. На выходе из призмы мы получим расширенную световую полосу с расцветкой, которая непрерывно (плавно) меняется. Дисперсионный спектр ещё называют призматическим.
Дифракционный и дисперсионный спектры
Мы рассмотрели явления дифракции и дисперсии, а также их следствия – получение дифракционного и дисперсионного спектров. Теперь обратим особое внимание на их отличия.
Способы получения спектров:
- Дифракционный спектр: зачастую получен при помощи, так называемой, дифракционной решетки. Она состоит из полос прозрачных и непрозрачных (или же отражающих и неотражающих). Эти полосы чередуются с периодом, значение которого зависит от длинны волны. При попадании на решетку свет разбивается на пучки, для которых наблюдается явление дифракции и разложение света на спектр.
- Дисперсионный спектр: в отличии от дифракционного получен в результате проникновения световой волны сквозь вещество (призму). В результате прохождения монохроматические волны претерпевают преломление, причем угол преломления будет разным.
Распределение и характер цветов в спектрах:
- Дифракционный спектр: от первого до последнего в спектре цвета располагаются равномерно. И проявляются от фиолетового до красного, а именно в порядке возрастания.
- Дисперсионный спектр: в красной части спектра сжат, а в фиолетовой – растянут. Цвета располагаются в порядке от красного до фиолетового, то есть в порядке убывания, в отличии от возрастания в дифракционном спектре.
Заключительные сведения
Итак, рассмотренный характеристики показывают, что дифракционная картина значительным образом зависит от длинны волны света, которое огибает препятствие. Поэтому, если свет немонохроматический (например, рассматриваемый нами белый свет), то дифракционные максимумы интенсивности для разных длин волн просто разойдутся, при этом они образуют дифракционный спектры. Они имеют значительное преимущество перед спектрами, которые возникают вследствие дисперсии лучей проходящих сквозь призму. Взаимное расположение цветов у них не зависит от свойств материалов, из которых изготовлены экраны и щели решетки, а определяется однозначно лишь длинами волн и геометрией прибора (например, призмы) и может быть рассчитано исключительно из геометрических соображений.
Школьный курс физики кажется совсем не сложным, понятным и достаточно интересным. Не так уж трудно объяснить на уроке учителю, чем отличается дифракционный спектр от дисперсионного, и получить хорошую оценку. Но когда речь идет о физике в высших учебных заведениях, все резко усложняется. Некоторые задачки могут заставить провести за их решением не одну бессонную ночь.
Разные способы разложения света на спектр
И дифракция и дисперсия представляют собой разложение светового луча на составляющие , но всегда есть свои нюансы:
Опыт с дисперсией многие видели на уроках физики. Для этого достаточно было направить луч на призму, рядом с которой находился простой альбомный лист. И обычный солнечный свет или направленный луч из фонарика раскладывался на все цвета радуги.
Но при этом, красный цвет занимал на листе совсем немного места , ширина остальных цветов увеличивалась, по направлению к фиолетовому. Именно он занимал значительную часть всего спектра.
Наибольший порядок спектра дифракционной решетки
Оптика это точная наука, которая требует логического мышления и верных расчетов. Некогда физики вывели формулу, которой мы можем пользоваться, по сей день:
В этом сложном, но только на первый взгляд, равенстве, искомой величиной является k - порядок спектра:
- λ - длина волны света, падающего на решетку.
- φ - угол дифракции.
- ά - угол падения на решетку световой волны.
- đ - период решетки.
Из этого равенства можно вывести интересующую нас формулу , для определения максимального порядка спектра. Для этого достаточно правую часть равенства поделить на длину световой волны, при этом синус угла дифракции можно заменить единицей, для простоты вычисления.
Часть из необходимых для вычисления величин - постоянная, так что никаких проблем возникнуть не должно. Главное, не запутаться в подсчетах.
К сожалению, порой наука слишком далеко отходит от практики и смысл большинства таких вычислений для студентов и школьников остается загадкой, они решают это как абстрактную задачку, никоим образом не связанную с реальной жизнью.
Простой способ вычисления максимального порядка спектра
А еще у физиков есть более простой способ определения максимального порядка . Для формулы можно использовать значения из предыдущего равенства. Только в этот раз исходных данных будет гораздо меньше, а сами расчеты можно представить в виде:
Как несложно понять, искомое значение напрямую зависит от периода решетки и длины волны . Синусы мы благополучно откинули, а максимальный порядок выразили в виде m.
На деление двух чисел сложно потратить больше минуты, так что любая задача на оптику, в которой требуется лишь определить значение порядка, не займет так уж много времени. Но чаще всего это вычисление - только первый шаг на пути к поиску ответа на более сложный вопрос.
Если разобраться в вопросе и вникнуть в суть понятия, формула кажется предельно логичной. Проще всего решать задачу с белым светом, ведь в таком случае длина волны одинакова для всего светового потока.
А теперь представьте, что в потоке несколько оттенков, которые, конечно же, имеют разную длину . Задача несколько усложняется, на вычисления уйдет больше времени. А так уж вышло, в реальной жизни, что волны исключительно белого света встречаются крайне редко.
Ширина дифракционного спектра
На опыте с призмой вы могли понаблюдать за неоднородностью и шириной спектра. Этот параметр имеет огромное значение в оптике , особенно когда речь идет о дифракционном спектре. Дело в том, что в отличие от дисперсионного он не сжат ни в одном направлении, все оттенки представлены равномерно и ширина зависит только от показателей самой решетки, с помощью которой и проводится разложение луча на спектр. В то время как значения ширины дисперсионного спектра зависит от длины волны. В дифракционной решетке:
- Есть прозрачные штрихи.
- Есть непрозрачные промежутки.
- Сумма их длин является периодом решетки.
- Получить это значение можно поделив единицу на количество штрихов на единицу длины решетки.
Интересующая нас ширина спектра находится в обратной зависимости от периода решетки, который уже фигурировал в предыдущих формулах. Только теперь чем меньше этот период, тем больше ширина .
Если вернуться к определению максимального порядка, можно заметить, что с увеличением значения периода решетки возрастал и порядок. Из этого, чисто логически, несложно сделать еще один вывод - ширина дифракционного спектра и его максимальный порядок находятся в обратной взаимосвязи.
Чем меньше одно значение, тем больше другое, и наоборот. Конечно же, это знание не поможет получить точные значения. Но проверить свои вычисления, таким нехитрым способом, вполне реально.
Разница между спектрами
Чтобы выделить различия дисперсионного и дифракционного спектра, необходимо понять, что каждый из них собой представляет.
Дисперсионный:
- Появляется в результате разложения луча света на составляющие, после прохождения через призму.
- Распространяется от красного цвета к фиолетовому.
- Спектр сжат в том же направлении, наименьшей шириной обладает красный диапазон, наибольшей - фиолетовый.
- Может существовать только одна цветная картинка.
Дифракционный:
- Получается в результате попадания света на дифракционную решетку.
- Идет в обратном порядке, от фиолетового к красному цвету.
- Спектр равномерен на всем своем протяжении.
- Может быть несколько цветных картинок.
Вот и основные четыре различая, позволяющие понять, что представляют собой оба спектра. Хоть названия и немного созвучны, но в их основе лежат абсолютно разные принципы, так что не стоит путать эти понятия.
Со знания, чем отличается дифракционный спектр от дисперсионного спектра, можно начать изучение оптики. Перспективы этой дисциплины недооценены, так что исследователей ждет гарантированная занятость в будущем, а может быть и серьезные открытия.
Видео: различия дифракционного и дисперсионного спектра
В этом видео ученый-физик Денис Логачев проведет урок, в котором расскажет об отличии дифракционного спектра от дисперсионного, мы узнаем, что такое дифракционная решетка: