Фізіка
Выдавец: Народная асвета
Памер: 286с.
Мінск 1991
Раздзел 7
ВЫПРАМЕНЬВАННІ I СПЕКТРЫ
Да гэтага часу мы разглядалі распаўсюджванне светлавых хваль. Цяпер пазнаёмімся з выпраменьваннем святла целамі.
§ 59. ВІДЫ ВЫПРАМЕНЬВАННЯЎ. КРЫНІЦЫ СВЯТЛА
У VIII класе вас коратка пазнаёмілі з крыніцамі святла. Зараз мы можам не толькі пералічыць крыніцы, але і расказаць, на якіх фізічных прынцыпах грунтуецца іх дзеянне і якія віды выпраменьванняў яны ствараюць.
Крыніца святла павінна спажываць энергію. Святло — гэта электрамагнітныя хвалі з даўжынёй хвалі 410“7— 8IO7 м. Электрамагнітныя хвалі выпраменьваюцца пры паскораным руху зараджаных часціц. Гэтыя зараджаныя часціцы ўваходзяць у склад атамаў, з якіх складаецца рэчыва. Але, не ведаючы, як пабудаваны атам, нічога пэўнага аб механізме выпраменьвання сказаць нельга. Зразумела толькі, што ўнутры атама няма святла, падобна да таго як у струне раяля няма гуку. Падобна да струны, якая пачынае гучаць толькі пасля ўдару малаточка, атамы нараджаюць святло толькі пасля іх узбуджэння.
Для таго каб атам пачаў выпраменьваць, яму неабходна перадаць пэўную энергію. Выпраменьваючы, атам траціць атрыманую энергію, і для бесперапыннага свячэння рэчыва неабходны прыток энергіі да яго атамаў звонку.
Цеплавое выпраменьванне. Найбольш просты і распаўсюджаны від выпраменьвання — гэта цеплавое выпраменьванне, пры якім страты атамамі энергіі на выпраменьванне святла кампенсуюцца за кошт энергіі цеплавога руху атамаў (або малекул) цела, што выпраменьвае. Чым вышэйшая тэмпература цела, тым хутчэй рухаюцца атамы. Пры сутыкненні хуткіх атамаў (або малекул) адзін з адным частка іх кінетычнай энергіі ператвараецца ў энергію ўзбуджэння атамаў, якія потым спрамяняюць святло.
167
Вавілаў Сяргей Іванавіч (1891—1951) — савецкі фізік, дзяржаўны і грамадскі дзеяч, прэзідэнт AH СССР у 1945—1951 гг. Асноўныя навуковыя працы Вавілава прысвечаны фізічнай оптыцы, і ў першую чаргу фоталюмінесцэнцыі. Пад яго кіраўніцтвам была распрацавана тэхналогія вырабу лямп дзённага святла, развіт метад люмінесцэнтнага аналізу хімічнага саставу рэчываў. Пад кіраўніцтвам Вавілава П. А. Чаранкоў адкрыў у 1934 г. выпраменьванне святла электронамі, што рухаюцца ў асяроддзі са скорасцю, якая перавышае скорасць святла ў гэтым асяроддзі.
Цеплавой крыніцай выпраменьвання з’яўляецца Сонца, а таксама звычайная лямпачка напальвання. Лямпа вельмі зручная, але малаэканамічная крыніца. Толькі каля 12%.усёй энергіі, вылучаемай у ніці лямпачкі электрычным токам, пераўтвараецца ў светлавую энергію. Нарэшце, цеплавой крыніцай святла з’яўляецца полымя. Крупінкі сажы (часцінкі паліва, што не паспелі згарэць) напальваюцца за кошт энергіі, якая вылучылася пры згаранні паліва, і выпраменьваюць святло.
Электралюмінесцэнцыя. Энергія, неабходная атамам для выпраменьвання святла, можа запазычвацца і з нецеплавых крыніц. Пры разрадзе ў газах электрычнае поле надае электронам вялікую кінетычную энергію. Хуткія электроны зведваюць няпругкія саўдары з атамамі. Частка кінетычнай энергіі электронаў ідзе на ўзбуджэнне атамаў. Узбуджаныя атамы аддаюць энергію ў выглядзе светлавых хваль. Дзякуючы гэтаму разрад у газе суправаджаецца свячэннем. Гэта электралюмінесцэнцыя'.
Паўночнае ззянне ёсць праяўленне электралюмінесцэнцыі. Патокі зараджаных часціц, якія выпраменьваюцца Сонцам, захопліваюцца магнітным полем Зямлі. Яны ўзбуджаюць у магнітных полюсаў Зямлі атамы верхніх слаёў атмасферы, дзякуючы чаму гэтыя слаі свецяцца. Электралюмінесцэнцыя скарыстоўваецца ў трубках для рэкламных надпісаў.
Катодалюмінесцэнцыя. Свячэнне цвёрдых цел, якое выклікана бамбардзіроўкай іх электронамі, называюць катодалюмінесцэнцыяй. Дзякуючы катодалюмінесцэнцыі свецяцца экраны электроннапрамянёвых трубак тэлевізараў.
Хемілюмінесцэнцыя. Пры некаторых хімічных рэакцыях, якія адбываюцца з вылучэннем энергіі, частка гэтай энергіі непасрэдна траціцца на выпраменьванне святла. Крыніца святла застаецца халоднай (яна мае тэмпературу навакольнага асяроддзя). Гэта з’ява называецца хемілюмінесцэнцыяй. Амаль кожны з вас, пэўна, знаёмы з ёй. Летам у лесе можна ноччу знайсці насякомае — светлячка. На целе ў яго «гарыць» маленькі зялёны «ліхтарык». Вы не апечаце пальцаў, злавіўшы светлячка.
1 Лацінскае слова люмінесцэнцыя азначае «свячэнне».
168
Плямачка, якая свеціцца на спінцы светлячка, мае амаль тую ж тэмпературу, што і навакольнае паветра. Уласцівасць свяціцца маюць і іншыя жывыя арганізмы: бактэрыі, насякомыя, многія рыбы, якія жывуць на вялікай глыбіні. Часта свецяцца ў цемнаце кавалачкі гніючага дрэва.
Фоталюмінесцэнцыя. Святло, якое падае на рэчыва, часткова адбіваецца, а часткова паглынаецца. Энергія святла, якое паглынаецца, у большасці выпадкаў выклікае толькі награванне цел. Аднак некаторыя целы самі пачынаюць свяціцца непасрэдна пад дзеяннем выпраменьвання, якое падае на яго. Гэта і ёсць фоталюмінесцэнцыя. Святло ўзбуджае атамы рэчыва (павялічвае іх унутраную энергію), і пасля гэтага яны высвечваюцца самі. Напрыклад, фарбы, што свецяцца, якімі пакрываюць многія ёлачныя цацкі, выпраменьваюць святло пасля іх абпраменьвання.
Святло, якое выпраменьваецца пры фоталюмінесцэнцыі, мае, як правіла, большую даўжыню хвалі, чым святло, якое ўзбуджае свячэнне. Гэта можна назіраць эксперыментальна. Калі накіраваць на сасуд з флюарэсцэінам (арганічны фарбавальнік) светлавы пучок, які прапушчаны праз фіялетавы святлафільтр, то гэта вадкасць пачынае свяціцца зялёнажоўтым святлом, г. зн. святлом большай даўжыні хвалі, чым у фіялетавага святла.
З’ява фоталюмінесцэнцыі шырока выкарыстоўваецца ў лямпах дзённага святла. Савецкі фізік С. I. Вавілаў прапанаваў пакрываць унутраную паверхню разраднай трубкі рэчывамі, якія здольны ярка свяціцца пад дзеяннем караткахвалевага выпраменьвання газавага разраду. Лямпы дзённага святла прыкладна ў трычатыры разы больш эканамічныя, чым звычайныя лямпы напальвання.
Пералічаны асноўныя віды выпраменьванняў і крыніцы, якія іх ствараюць. Самыя распаўсюджаныя крыніцы выпраменьвання — цеплавыя.
1. Якія крыніцы святла вы ведаеце? 2. Якія віды выпраменьванняў дзейнічалі на вас за мінулыя суткі?
§ 60. СПЕКТРЫ I СПЕКТРАЛЬНЫЯ АПАРАТЫ
Раскажам аб тым, як даследуюцца выпраменьванні розных крыніц.
Размеркаванне энергіі ў спектры. Hi адна з крыніц не дае монахраматычнага святла, г. зн. святла строга пэўнай даўжыні хвалі. У гэтым нас пераконваюць доследы па раскладанню святла ў спектр з дапамогай прызмы, а таксама доследы па інтэрферэнцыі і дыфракцыі.
Тая энергія, якую нясе з сабой святло ад крыніцы, пэўным чынам размеркавана па хвалях усіх даўжынь, якія ўваходзяць
169
у састаў светлавога пучка. Можна таксама сказаць, што энергія размеркавана па частотах, паколькі паміж даўжынёй хвалі і частатой існуе простая сувязь:
Xv = с.
Шчыльнасць патоку электрамагнітнага выпраменьвання, або інтэнсіўнасць I = ^, аб якой гаварылася ў § 31, вызначаецца энергіяй \W, якая прыходзіцца на ўсе частоты. Для характарыстыкі размеркавання выпраменьвання па частотах трэба ўвесці новую велічыню: інтэнсіўнасць, якая прыпадае на адзінкавы інтэрвал частот. Гэту велічыню называюць спектральнай шчыльнасцю інтэнсіўнасці выпраменьвання. Абазначым яе праз І(у). Тады інтэнсіўнасць выпраменьвання, якое прыпадае на невялікі спектральны інтэрвал Av, роўна /(v)Av. Падсумаваўшы падобныя выразы па ўсіх частотах спектра, мы атрымаем шчыльнасць патоку выпраменьвання 1.
Спектральную шчыльнасць патоку выпраменьвання можна знайсці эксперыментальна. Для гэтага трэба з дапамогай прызмы атрымаць спектр выпраменьвання, напрыклад электрычнай дугі, і вымераць шчыльнасць патоку выпраменьвання, які прыходзіцца на невялікія спектральныя інтэрвалы шырынёй Av.
Давярацца вачам пры ацэнцы (нават прыблізнай) размеркавання энергіі нельга. Вока ўладае выбіральнай адчувальнасцю да святла: максімум яго адчувальнасці ляжыць у жоўтазялёнай вобласці спектра. Лепш за ўсё выкарыстаць уласцівасць вельмі чорнага цела, якое амаль поўнасцю паглынае святло ўсіх даўжынь хваль. Пры гэтым энергія выпраменьвання (г. зн. святла) выклікае награванне цела. Таму дастаткова вымераць тэмпературу цела і па ёй меркаваць аб колькасці паглынутай за адзінку часу энергіі.
Звычайны тэрмометр мае вельмі малую адчувальнасць для таго, каб яго можна было з поспехам выкарыстоўваць у такіх доследах. Патрэбны больш адчувальныя прыборы для вымярэння тэмпературы. Можна ўзяць электрычны тэрмометр супраціўлення, у якім адчувальны элемент зроблены ў выглядзе тонкай металічнай пласціны (гл. падручнік фізікі для X класа). Гэту пласціну трэба пакрыць тонкім слоем сажы, якая амаль поўнасцю паглынае святло любой даўжыні хвалі.
Адчувальную да награвання пласціну прыбора трэба змясціць у тое ці іншае месца спектра (рыс. 148). Усяму бачнаму спектру даўжынёй / ад чырвоных праменяў да фіялетавых адпавядае інтэрвал частот ад v4 да Vф. Шырыні ж А/ чорнай пласціны адпавядае малы інтэрвал Av. Па награванню чорнай пласціны прыбора можна меркаваць аб шчыльнасці патоку выпраменьвання, які прыходзіцца на інтэрвал частот Av. Перамяшчаючы пласціну ўздоўж спектра, мы заўважым, што большая частка энергіі прыпадае на чырвоную частку спектра, а не на жоўтазялёную, як гэта здаецца на вока.
170
Чырошы Фія/гетаЯы
Рыс. 148
/(V)
Рыс. 149
Па выніках гэтых доследаў можна пабудаваць крывую залежнасці спектральнай шчыльнасці выпраменьвання ад частаты. Спектральная шчыльнасць інтэнсіўнасці выпраменьвання вызначаецца па тэмпературы пласціны, а частату няцяжка знайсці, калі прыбор, які выкарыстоўваецца для раскладання святла, праградуіраваны, г. зн. калі вядома, якой частаце адпавядае дадзены ўчастак спектра.
Адкладваючы па восі абсцыс значэнні частот, адпавядаючых сярэдзінам інтэрвалаў Av, а па восі ардынат спектральную шчыльнасць інтэнсіўнасці выпраменьвання, мы атрымаем рад пунктаў, праз якія можна правесці плаўную крывую (рыс. 149). Гэта крывая дае нагляднае ўяўленне аб размеркаванні энергіі ў бачнай частцы электрычнай дугі.
Спектральныя апараты. Для дакладнага даследавання спектраў такія простыя прыстасаванні, як вузкая шчыліна, якая абмяжоўвае светлавы пучок, і прызма, ужо недастатковыя. Неабходны прыборы, што даюць выразны спектр, г. зн. прыборы, якія добра падзяляюць хвалі рознай даўжыні і не дапускаюць (або амаль не дапускаюць) перакрыцця асобных участкаў спектра. Такія прыборы носяць назву спектральных апаратаў. Часцей за ўсё асноўнай часткай спектральнага апарата з’яўляецца прызма або дыфракцыйная рашотка.
КНІГІ ОНЛАЙН
