Дифракционная решетка
Дифракция света используется в спектральных приборах. Одним из основных элементов во многих спектральных приборах является дифракционная решетка. Обычно применяются отражательные решетки, но я рассмотрю принцип действия решетки, представляющей собой непрозрачную пластину с нанесенной на неё системой параллельных непрозрачных полос, расположенных на одинаковом расстоянии d друг от друга.
Пусть на решетку падает монохроматическая волна с плоским волновым фронтом ( Поверхность, на которой все точки колеблются в одинаковой фазе, называется волновой поверхностью или волновым фронтом.). В результате дифракции из каждой щели свет распространяется не только в первоначальном направлении, но и по всем другим направлениям.
Если за решеткой поставить собирающую линзу, то на экране в фокальной плоскости параллельные лучи от всех щелей соберутся в одну полоску. Параллельные лучи, идущие от краев соседних щелей, имеют разность хода: ⌂l =d *sin ɸ, где d – расстояние между соответствующими краями соседних щелей, называемое периодом решетки; ɸ - угол отклонения световых лучей от перпендикуляра к плоскости решетки. При равенстве разности хода ⌂l целому числу длин волн d *sin ɸ = κ *λ (λ - длина волны падающего света) наблюдается интерференционный максимум света. Линза не вносит разности хода. Как следует из последнего уравнения, условие интерференционного максимума для каждой световой волны выполняется при своем значении угла дифракции ɸ. В результате при похождении через дифракционную решетку пучок белого света разлагается в спектр.
Угол дифракции имеет наибольшее значение для красного света, так как длина волны красного света больше всех остальных в области видимого света. Наименьшее значение угол дифракции ɸ имеет для фиолетового света.
Вопрос о причине различной окраски тел естественно занимал ум человека уже давно. Очень большое количество наблюдений, и чисто житейских, и научных, было в распоряжении исследователей, но вплоть до работ Ньютона (начавшихся около 1666 г.) в этом вопросе царила полная неопределенность.
Ньютон поставил целый ряд опытов, показывающих, что для узкого цветного пучка, выделенного из спектра, показатель преломления имеет вполне определенное значение, тогда как преломление белого света можно только приблизительно охарактеризовать одним каким-то значением этого показателя. Сопоставляя подобные наблюдения, Ньютон сделал вывод, что существуют простые цвета, не разлагающиеся при прохождении через призму, и сложные, представляющие совокупность простых, имеющих разные показатели преломления. В частности, солнечный свет есть такая совокупность цветов, которая при помощи призмы разлагается, давая спектральное изображение щели.
Таким образом, в основных опытах Ньютона заключались два важных открытия:
1) Свет различного цвета характеризуется разными показателями преломления в данном веществе (дисперсия {Дисперсия – лат. dispersus – рассеянный, разбросанный. Наблюдавшееся Ньютоном явление следует точнее называть дисперсией показателя преломления, ибо и другие оптические величины обнаруживают зависимость от длины волны (дисперсию)}).
2) Белый цвет есть совокупность простых цветов.
Открытие явления разложения белого света на цвета при преломлении позволило объяснить образование радуги и других подобных метеорологических явлений. Преломление света в водяных капельках или ледяных кристалликах, плавающих в атмосфере, сопровождается благодаря дисперсии в воде или льде разложением солнечного света. Рассчитывая направление преломления лучей в случае сферических водяных капель, мы получаем картину распределения цветных дуг, точно соответствующую наблюдаемым а радуге. Аналогично, рассмотрение преломления света в кристалликах льда позволяет объяснить явления кругов вокруг Солнца и Луны в морозное время года, образование так называемых ложных солнц, столбов и т. д.
Явления интерференции и дифракции, послужившие для обоснования волновой природы света, не дают еще полного представления о характере световых волн. Новые черты открываются через кристаллы, в частности через турмалин. Возьмем две одинаковые пластинки турмалина, вырезанные так, что одна из сторон прямоугольника совпадает с определенным направлением внутри кристалла, носящим название оптической оси. Серия опытов показывает, что интенсивность светового пучка, проходящего через пластинки турмалина, зависит от взаимной ориентации двух кристаллов. При одинаковой ориентации кристаллов свет проходит через второй кристалл без ослабления. Если же второй кристалл повернут на 90° от первоначального положения, то свет через него не проходит. Итак, свет, прошедший сквозь турмалин, приобретает особые свойства. Свойства световых волн в плоскости, перпендикулярной направлению распространения света, становится анизотропным, т. е. неодинаковыми относительно плоскости, проходящей через луч и ось турмалина. Поэтому способность такого света проходить через вторую пластинку турмалина зависит от ориентации оптической оси этой пластинки относительно оптической оси первой пластинки. Такой анизотропии не было в пучке, идущем непосредственно от фонаря (или солнца), ибо по отношению к этому пучку ориентация турмалина была безразлична.
Можно объяснить все наблюдавшиеся явления, если сделать следующие выводы.
1) Световые колебания в пучке направлены перпендикулярно к линии распространения света (световые волны поперечны).
2) Турмалин способен пропускать световые колебания только в том случае, когда они направлены определенным образом относительно оси (например, параллельно оси).
3) В свете фонаря (солнца) представлены поперечные колебания любого направления и притом в одинаковой доле, так что одно направление не является преимущественным.
Я буду в дальнейшем называть свет, в котором в одинаковой доле представлены все направления поперечных колебаний, естественным светом.
Вывод 3 объясняет, почему естественный свет в одинаковой степени проходит через турмалин при любой его ориентации, хотя турмалин, согласно выводу 2, способен пропускать световые колебания только определенного направления. Действительно, как бы ни был ориентирован турмалин, в естественном свете всегда кажется одна и та же доля колебаний, направление которых совпадает с направлением, пропускаемых турмалином. Прохождение естественного света через турмалин приводит к тому, что из поперечных колебаний отбираются только те, которые могут пропускаться турмалином. Поэтому свет, прошедший через турмалин, будет представлять собой совокупность поперечных колебаний одного направления, определяемого ориентацией оси турмалина. Такой свет называется линейно поляризованным, а плоскость, содержащую направление колебаний и ось светового пучка, - плоскость поляризации.
Теперь становится понятным опыт с прохождением света через две последовательно поставленные пластинки турмалина. Первая пластинка поляризует проходящий через нее пучок света, оставляя в нем колебания только одного направления. Эти колебания могут пройти через второй турмалин полностью только в том случае, когда направление их совпадает с направлением колебаний, пропускаемых вторым турмалином, т. е. когда его ось параллельна оси первого. Если же направление колебаний в поляризованном свете перпендикулярно к направлению колебаний, пропускаемых вторым турмалином, то свет будет полностью задержан. Это имеет место, когда пластинки турмалина, как говорят, скрещены, т. е. их оси составляют угол 90°. Наконец, если направление колебаний в поляризованном свете составляет острый угол с направлением, пропускаемым турмалином, то колебания будут попущены лишь частично.
Существуют кристаллы, еще сильнее задерживающие один из поляризованных лучей, чем это происходит в турмалине (например, кристалл йодистого хинина), так что кристаллическая пленка толщиной в десятую долю миллиметра и даже тоньше практически полностью отделяет один из поляризованных лучей.
Световая волна, падающая на тело, частично отражается от него, частично походит насквозь, частично поглощается. В большинстве случаев энергия поглощенной световой волны целиком переходит во внутреннюю энергию вещества, что приводит к нагреванию тела. Нередко, однако, известная часть этой энергии поглощенной энергии вызывает и другие явления. Очень важными действиями света, получившими больше практические применения, являются фотоэлектрический эффект, фотолюминесценция и фотохимические превращения.
Фотоэффект – явление вырывание электронов с поверхности тел под действием света. Первоначально явление фотоэффекта пытались объяснить с волновых представлений о природе света:
1) Электромагнитная волна попадает на металл.
2) Электромагнитное поле “раскачивает” электрон.
3) Когда скорость электрона становится большой, электрон вылетает.
4) Кинетическая энергия электрона прямо пропорциональна интенсивности светового потока.
При подобном объяснении явления сразу обнаружились некоторые противоречия, полученные в результате экспериментов:
1) Максимальная скорость вылетевшего электрона определяется частотой падающего света на зависит от его интенсивности.
2) Величина тока насыщения (число электронов вылетевших за единицу времени) определяется интенсивности света.
3) Существует минимальная частота падающего света при которой еще наблюдается фотоэффект (так называемая “красная граница фотоэффекта”).
4) Величина тока зависит от типа материала. Фотоэффект без инерционен.
Объяснить подобные явления учёные смогли лишь после предположения Планка, которое заключалось в том, что свет не только излучается порциями, но и распространяется порциями.