Великие эксперименты в физике редко бывают «замкнутыми»; они приводят к новым идеям и новым опытам. Влияние одной ветви физики на другие — это как раз то, чем всегда интересуются физики, поэтому стоит закончить эту главу описанием одного открытия, которое дало сильный толчок развитию физики и в то же время принесло исключительную практическую пользу. Речь пойдет об открытии линейчатых спектров. А открытие спектров тесно связано с явлением преломления лучей света на границе двух прозрачных сред и дисперсией света. Наиболее известные примеры преломления – на границах воздуха и воды, воздуха и стекла. При рассматривания прута, опущенного в воду, или рассматривании сквозь стеклянную пластину, мы замечаем, что изображение прута на границе этих сред получает видимый излом. Наблюдаемый нами излом изображения прута является следствием этого явления. Это связано с тем, что скорость света в различных средах различна, и в зависимости от скорости мы видим более или менее заметный излом. А вот спектр получается благодаря еще одному эффекту – скорость света зависит не только от материала среды, но и от "цвета" света. Поэтому в зависимости от цвета света зависит угол излома. Этот эффект называется дисперсией света. А это позволяет пытливому уму, используя призму, получить цветную радугу.
Дисперсия света (разложение света; светорассеяние) — это совокупность явлений, обусловленных зависимостью абсолютного показателя преломления вещества от частоты (или длины волны) света (частотная дисперсия), или, то же самое, зависимостью фазовой скорости света в веществе от частоты (или длины волны). Экспериментально открыта Исааком Ньютоном около 1672 года, хотя теоретически достаточно хорошо объяснена значительно позднее.
[А это дописал мой внук - я не стал удалять: Свет появился до медуз, а медузы появились раньше динозавров. Он яркий. А нужен для того чтобы мы видели в темноте. Свет есть в маленьком фонарике и в большом фонаре на улице].
Мы в предыдущей моей статье Цвет света. История и современная наука уже видели, как Ньютон исследовал спектр горячего тела — Солнца.
Есть и другое очевидное свойство света — его цвет. Какое физическое свойство позволяет свету создавать столь прекрасные ощущения? Ньютон получил основной ответ на этот вопрос в своих опытах с призмами в 1666 г., но не публиковал никаких сведений о них вплоть до 1672 г. Он никогда не торопился с публикациями.
Ньютон был очарован цветами спектра, создаваемого купленной им призмой, и провел несколько простых опытов с ней в своем доме. Другие люди тоже видели такие спектры, но никто не исследовал систематически их природу; большинство людей того времени верили, что призма так или иначе окрашивает белый свет и что цвет — это что-то такое, что можно добавить к белизне.
Ньютон пропустил луч солнечного света через небольшое отверстие в ставнях окна в темную комнату и наблюдал создаваемый призмой спектр на расположенном напротив экране. Его весьма удивило то, что длина спектра была примерно в пять раз больше его ширины. (Ньютон, по- видимому, ожидал, что он будет круглым или что-нибудь вроде того). Как может исключительно простое наблюдение взволновать величайший из умов! И тем не менее это так; часто бывает, что простейшие вещи, на которые обычный человек считает ниже своего достоинства тратить свое время, дают толчок мысли гения.
Все раскаленные твердые тела дают аналогичные сплошные спектры. Известно, что некоторые вещества, будучи нагретыми в пламени, окрашивают пламя в какой-либо цвет, т. е. демонстрируют только часть спектра. Когда паяльник (сделанный из меди) нагревается на газовой горелке, ее пламя становится зеленым. Такие явления человеку известны давно. Но мало людей могут поставить перед собой цель объяснения этого явления. И сделать это смыслом жизни.
Первое сообщение о наблюдении в 1802 г. дискретного спектра принадлежит Волластону. Глядя на лучи солнечного света, проходящие сквозь жалюзи на окне, он вдруг понял, что, используя щели жалюзи в качестве источника света, можно было бы получить более четкий спектр, чем Ньютон с помощью круглого отверстия. Он заметил черные линии в спектре солнечного света и, таким образом, первым наблюдал то, что мы теперь называем фраунгоферовыми линиями.
Открытие линейчатых спектров излучения было сделано, по-видимому, Гершелем в 1822 г.; он вносил соли некоторых металлов в пламя и наблюдал с помощью призмы возникающие при этом спектры. Позднее Фраунгофер заметил, что положение желтой линии, испускаемой поваренной солью, совпадает с положением одной из наблюденных им темных линий в солнечном спектре.
Распространение телескопов навело Фраунгофера на мысль использовать телескоп для иных целей. Фраунгофер интересовался свойствами стекла, особенно измерением его способности разлагать излучение в спектр. Измерения Ньютона были очень грубыми, поскольку он применял в качестве источника света круглое отверстие. Идея Волла- стона использовать в качестве источника щель была большим шагом вперед. Фраунгофер пошел еще дальше, поняв, что сфокусированное изображение щели позволит достигнуть еще большей точности. Разумеется, для получения такого изображения нужна линза, но тогда свет данного цвета будет расходящимся пучком и пройдет через диспергирующую призму не в одном и том же направлении; поэтому он построил прибор, в котором призма помещается в параллельный пучок света (рис. 26). Это был первый спектрометр.
Этот инструмент — один из наиболее важных приборов в физике. С его изобретением повысилась точность изучения стекол и, таким образом, стало возможным изготавливать лучшие оптические инструменты; в распоряжении ученых появилось средство для исследования в деталях спектров различных элементов, так что этот прибор способствовал развитию спектрального анализа; с применением спектрометра появился метод анализа света звезд, что дало толчок развитию астрофизики.
Дальнейшее развитие спектрометров прежде всего связано с изобретением дифракционной решетки. Это изобретение было, по-видимому, сделано случайно, хотя только великий ум способен полностью понять и оценить счастливый случай, выпавший на его долю.
Фраунгофер понял, как он мог бы усовершенствовать исследование дифракции с помощью своего спектрометра. Дифракционная картина предмета в параллельном пучке — мы теперь называем ее фраунгоферовой дифракционной картиной — гораздо легче поддается теоретическому анализу, чем френелева картина, поэтому увереннее можно проверить детальные предсказания теории. Дифракционную картину от щели сегодня легко наблюдать в любом обычном спектрометре, но во времена Фраунгофера при тогдашних относительно слабых источниках света это было довольно трудным делом. Фраунгофер решил увеличить яркость источника, сделав несколько параллельных щелей и поместив их в параллельный пучок света в спектрометре. Для удобства он сделал эти щели на равных расстояниях одну от другой. К своему удивлению, он обнаружил несколько дополнительных дифракционных картин. Таким образом, он первым сделал дифракционную решетку.
Дифракционная решётка — оптический прибор, действие которого основано на использовании явления дифракции света. Представляет собой совокупность большого числа регулярно расположенных штрихов (щелей, выступов), нанесённых на некоторую поверхность. Действие дифракционной решетки происходит на основе явлений интерференции и дифракции волн на регулярной решетке.
Фраунгофер сразу оценил важность открытия и пошел еще дальше. Он сделал решетки, натянув проволоку между двумя параллельными канавками винтовой резьбы, причем такой способ изготовления дифракционной решетки и по сей день остается одним из лучших. Но для точной работы нужны решетки с большим числом щелей (линий) на единицу длины. Это было нужно для большого углового разделения спектров (большой диспергирующей способности); разрешение же определяется только общей длиной решетки. Некоторые ученые, например Роуланд, посвятили почти всю свою жизнь усовершенствованию инструментов для изготовления дифракционных решеток и добились получения решеток сверхвысокой точности. Можно смело сказать, что в измерениях с помощью дифракционных решеток достигнута самая высокая в физике степень точности, причем воспроизводимость результатов достигает 10⁻⁹.
Дифракционная решетка почти во всех отношениях превосходит призму в разложении света в спектр. Во-первых, с помощью решетки с известным расстоянием d между щелями можно определить длину волны λлюбой спектральной линии по формуле
п λ = d sin θ,
где n— порядок спектра и θ — угол отклонения света при нормальном падении на решетку. Что касается призмы, то для нее существуют только эмпирические соотношения между длиной волны и отклонением, причем для разных стекол соотношения различны. Во-вторых, изменение θ в зависимости от λ в случае решетки значительно сильнее, чем в случае призмы. И, в-третьих, если используется отражательная решетка, скажем металлическое зеркало с нанесенными на него тонкими штрихами, то можно проводить измерения в случае даже таких длин волн, которые были бы полностью поглощены в призме, если только она не сделана из специально подобранного материала. Единственное преимущество призмы состоит в большей интенсивности света, поскольку в этом случае весь свет идет на экран; но даже это преимущество теперь отчасти ликвидируется применением решеток со специальной формой прорезей, которые концентрируют большую часть дифрагированного света в каком- то одном порядке спектра.
Вследствие того, что, как мы позже увидим, изучение спектров оказало громадное влияние на наше понимание строения материи, я бы сказал, что дифракционную решетку нужно рассматривать как наиболее важное изобретение, когда-либо сделанное физиком. Микроскоп по своему значению близок к ней, но дифракционная решетка позволяет нам заглянуть гораздо «глубже».
Опыт Юнга (интерференция+дифракция на двух щелях) имел исключительное значение для проверки волновой теории света, но очевидно, что он был слишком грубым, чтобы давать хорошие количественные результаты. Тем не менее способность его иметь дело с расстояниями порядка 10⁻⁶ см указывала на новые потенциальные возможности. Если бы можно было добиться большей отчетливости полос, то точность измерений была бы повышена. И кто знает, какие новые явления при этом можно было бы наблюдать? Путь к увеличению резкости полос состоит в более строгом выполнении условий взаимного усиления световых волн, а это можно осуществить, используя более чем две щели. Именно в этом, разумеется, и состоит принцип действия дифракционной решетки, о которой мы только что говорили.
Эти открытия привели к рождению новой области физики — спектроскопии. Точность ее измерений все время повышалась, и в конце концов были созданы атласы спектров излучения многих химических элементов. Эти данные оказались неоценимыми для идентификации различных элементов в материалах неизвестного состава и легли таким образом в основу нового метода химического анализа.
Вместе с тем само явление линейчатых спектров было исключительно загадочным. Почему атомы должны испускать излучение с определенной длиной волны? Очевидно, это излучение должно нести информацию о структуре атомов. Однако должно было пройти почти столетие, прежде чем удалось понять происхождение линейчатых спектров.
(По источнику: Г.Липтон. Великие эксперименты в физике. М., Мир, 1972,
а также другим открытым источникам из интернета)
Мои странички на Дзен: ВАЛЕРИЙ ТИМИН.
Ссылка на мою статью Как написать формулы в статье на Дзен?
Если вам понравилась статья, то поставьте "лайк", комментируйте и подпишитесь на канал! Если не понравилась – комментируйте и подписывайтесь. Этим вы поможете каналу. И делитесь ссылками в ваших соцсетях!