Сколько длин волн монохроматического
Перейти к содержимому

Сколько длин волн монохроматического

  • автор:

 

Сколько длин волн монохроматического

kanagatryshan

Выражаем частоту излучения в герцах, учитывая, что 1ТГц = l∙10ˡ² Гц, ν = 500ТГц = 5∙10ˡ⁴ Гц. Длину выражаем в метрах: l = 30см = 0,3м. Записываем скорость электромагнитных излучений: c = 3∙10⁸м/с.

Находим длину волны: λ= с/ν = 3∙10⁸м/с /5∙10ˡ⁴ Гц = 6∙10⁻⁷ м.

Чтобы узнать, сколько длин волн укладывается на данном отрезке, надо длину отрезка разделить на длину волны: Ν = l / λ = 0,3м / 6∙10⁻⁷ м = 5∙10⁵ длин волн.

Сколько длин волн монохроматического излучения с частотой v = 400 ГГц укладывается на отрезке 1 м?

Сколько длин волн монохроматического излучения с частотой v = 400 ГГц укладывается на отрезке 1 м? (Решение → 70652)

Библиотека Ирины Эланс, основана как общедоступная библиотека в интернете. Онлайн-библиотеке академических ресурсов от Ирины Эланс доверяют студенты со всей России.

Библиотека Ирины Эланс

Полное или частичное копирование материалов разрешается только с указанием активной ссылки на сайт:

Урок 19. Излучение и спектры

Электролюминесценция — это свечение, сопровождающее разряд в газе.

Катодолюминесценция — это свечение твердых тел, вызванное бомбардировкой их электронами.

Хемилюминесценция — это свечение, которое возникает при выделении энергии в некоторых химических реакциях. Фотолюминесценция — это свечение тела непосредственно под воздействием падающего на него излучения.

Спектральная плотность потока излучения I(ν) — интенсивность излучения, приходящаяся на единицу частотного интервала.

Спектры излучения представляют собой набор частот или длин волн, которые содержатся в излучении вещества.

Непрерывный (или сплошной) спектр — это спектр, в котором представлены волны всех длин волн в данном диапазоне.

Линейчатый спектр — это спектр, представляющий собой цветные линии различной яркости, разделённые широкими тёмными полосами.

Полосатый спектр представляет собой спектр, состоящий из отдельных полос, разделенных темными интервалами.

Темными линиями на фоне непрерывного спектра являются линии поглощения, которые вместе образуют спектр поглощения.

Спектральный анализ — это метод определения химического состава вещества по его спектру.

Шкала электромагнитных волн: низкочастотное излучение; радиоизлучение; инфракрасные лучи; видимый свет; ультрафиолетовые лучи; рентгеновские лучи; γ-излучение.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Мякишев Г. Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В. М. Физика. Учебник для образовательных организаций М.: Просвещение, 2014. С. 246 – 258.

Рымкевич А.П. Сборник проблем физики. 10-11 класс. – М.: Дрофа, 2014. С.143.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Электромагнитные волны излучаются ускоренно движущимися заряженными частицами. Излучение возникает также, когда атом переходит из возбужденного состояния в основное и во время распада ядра.

Источники излучений делятся на два класса: горячие и холодные.

Тепловое излучение — это излучение нагретых тел. Тепловыми источниками являются Солнце, лампа накаливания, пламя и т. д.

Энергия атомам для излучения может также поступать и из нетепловых источников; например, переменный ток вызывает появление электромагнитного поля; излучение происходит и при переходе атома из возбуждённого состояния в основное, а также при распаде ядра.

Электролюминесценция — это свечение, сопровождающее разряд в газе (полярные сияния, трубки для рекламных надписей). Катодолюминесценция — это свечение твердых тел, вызванное бомбардировкой их электронами (электронно-лучевых трубок). Хемилюминесценция — это свечение, которое происходит при выделении энергии в некоторых химических реакциях (светлячки, некоторые живые организмы и т. д.). Фотолюминесценция — это свечение тела непосредственно под воздействием падающего на него излучения (флуоресцентная лампа, светящиеся краски и т. д.).

Частотное распределение излучения характеризуется спектральной плотностью потока излучения.

Спектральная плотность потока излучения I(ν) — интенсивность излучения на единицу частотного интервала.

Спектральные аппараты — оптические устройства, в которых электромагнитное излучение оптического диапазона разлагается на монохроматические составляющие. Спектры излучения представляют собой набор частот или длин волн, которые содержатся в излучении какого-либо вещества. Они бывают трёх видов.

1) Непрерывный (или сплошной) — это спектр, в котором представлены волны всех длин волн в заданном диапазоне. При нагревании до высокой температуры твердые и жидкие тела дают такой спектр, а также высокотемпературная плазма.

2) Линейчатый спектр — это цветные линии различной яркости, разделенные широкими темными полосами. Такие спектры дают все вещества в газообразном атомарном состоянии. Изолированные атомы излучают свет строго определенных длин волн.

3) Полосатый спектр представляет собой спектр, состоящий из отдельных полос, разделенных темными интервалами. В отличие от линейчатых спектров полосатые спектры образуются не атомами, а молекулами, которые не связаны или слабо связаны друг с другом. Темными линиями на фоне непрерывного спектра являются линии поглощения, которые вместе образуют спектр поглощения.

Длины волн (или частоты) линейчатого спектра вещества зависят только от свойств его атомов, но не зависят от метода возбуждения свечения атомов — это основное свойство линейчатых спектров.

Атомы любого химического элемента дают спектр, непохожий на спектры всех других элементов: они способны излучать строго индивидуальный набор длин волн. Метод определения химического состава вещества по его спектру называется спектральным анализом. В астрономии с его помощью определяют химический состав звёзд, планет, температуру и индукцию их полей и многие другие характеристики. Он также успешно используется в геологии, археологии, криминалистике, металлургии, атомной индустрии и многих других сферах деятельности.

В настоящее время определены спектры всех атомов и составлены таблицы спектров.

Механизмы образования всех электромагнитных излучений одинаковы, отличаются друг от друга методами получения и регистрации. Огромным достижением электромагнитной теории Максвелла было создание шкалы электромагнитных волн. Различают следующие области шкалы: низкочастотное излучение; радиоизлучение; инфракрасные лучи; видимый свет; ультрафиолетовые лучи; рентгеновские лучи; гамма-излучение.

1) Низкочастотные волны — электромагнитные волны с частотой до 100 кГц. Источник: генераторы тока, вибратор Герца. Применение: кино, радиовещание (микрофоны, громкоговорители).

2) Радиоволны — электромагнитные волны с длиной волны более 1 мм и менее 3 км. Источник: колебательный контур. Применение: радиосвязь, радиолокация, телевидение.

 

3) Инфракрасное излучение представляет собой излучение с частотами в диапазоне от 3 ∙ 10ˡˡ до 3,75 ∙ 10ˡ⁴ Гц. Оно было обнаружено в 1800 году английским астрономом У. Гершелем при изучении красного конца спектра. Источником является любое нагретое тело. Применение: получают изображения предметов по излучаемому теплу; в приборах ночного видения (ночной бинокль); используют в криминалистике, медицине, промышленности для сушки цветных изделий, стен зданий, дерева, фруктов и т. д. Свойства: проходит через непрозрачные тела, а также через дождь, туман, снег; производит химическое действие на фотопластинки; нагревает вещество при поглощении.

4) Видимое излучение — часть электромагнитного излучения, воспринимаемая глазом (от красного до фиолетового) с частотой от 4 ∙ 10ˡ⁴ до 8 ∙ 10ˡ⁴ Гц. Свойства: воздействует на глаза.

5) Ультрафиолетовое излучение — электромагнитное излучение с частотой от 8 ∙ 10ˡ⁴ до 3 ∙ 10ˡ⁶ Гц. Источники: кварцевые лампы, нагретые твердые тела с температурой более 1000 º, светящиеся пары ртути. Свойства: высокая химическая активность, высокая проникающая способность, убивает микроорганизмы, в небольших дозах оказывает благотворное влияние на организм человека (загар), но в больших дозах оказывает отрицательное биологическое воздействие на глаза. Применение: в медицине, промышленности.

6) Рентгеновское излучение — это излучение с частотой от 3 ∙ 10ˡ⁶ до 3 ∙ 10²⁰ Гц. Это излучение было открыто в 1895 году немецким физиком В. Рентгеном. Источник: рентгеновская трубка. Свойства: высокая проникающая способность; облучение в больших дозах вызывает лучевую болезнь. Применение: в медицине (диагностика заболеваний внутренних органов), промышленности (дефектоскопия), научных исследованиях.

7) Гамма-лучи — излучение с очень малой длиной волны — от 10⁻⁸ до 10⁻ˡˡ см. Они были открыты французским физиком П. Вильяром в 1900 году. Источники — ядерные реакции. Свойства: огромная проникающая способность, обладает сильным биологическим эффектом. Применение: в медицине, промышленности (γ-дефектоскопия).

Все излучения имеют как квантовые, так и волновые свойства. Волновые свойства более ярко выражены на низких частотах и менее ярко – при больших, а квантовые свойства более ярко проявляются на высоких частотах и менее ярко — на малых частотах.

Уильям Гершель, английский астроном, прославившийся открытием планеты Уран, обнаружив в спектре Солнца невидимые — инфракрасные — лучи, был так поражен, что двадцать лет хранил об этом опыте молчание. А вот в том, что Марс обитаем и населен людьми, он не сомневался.

Оказывается, так называемые черные дыры, которые имеют такое сильное притяжение, что даже легкие частицы света не могут их покинуть, также способны излучать. Под влиянием огромной гравитации в окрестностях черной дыры рождаются реальные частицы (и фотоны) из вакуума. Английский физик Стивен Хокинг установил, что спектр этого излучения такой же, как и у абсолютно черного тела.

Примеры и разбор решения заданий:

1. Ответьте на вопрос и выберите правильный ответ: «Сколько длин волн монохроматического излучения с частотой 500 ТГц укладывается на отрезке 30 см?»

  1. 2∙10⁶;
  2. 5∙10⁵;
  3. 7∙10⁵;
  4. 150.

Выражаем частоту излучения в герцах, учитывая, что 1ТГц = l∙10ˡ² Гц, ν = 500ТГц = 5∙10ˡ⁴ Гц. Длину выражаем в метрах: l = 30см = 0,3м. Записываем скорость электромагнитных излучений: c = 3∙10⁸м/с.

Находим длину волны: λ= с/ν = 3∙10⁸м/с /5∙10ˡ⁴ Гц = 6∙10⁻⁷ м.

Чтобы узнать, сколько длин волн укладывается на данном отрезке, надо длину отрезка разделить на длину волны: Ν = l / λ = 0,3м / 6∙10⁻⁷ м = 5∙10⁵ длин волн.

2. Вставьте пропущенные слова в предложения:

«Чем _____ температура тела, тем быстрее движутся в нём атомы. При их столкновении друг с другом часть _____ энергии идёт на возбуждение, затем атомы излучают и переходят в _______ состояние»

Варианты ответов: ниже, потенциальной, выше, основное, кинетической, возбуждённое.

Правильный вариант: Чем выше температура тела, тем быстрее движутся в нём атомы. При их столкновении друг с другом часть кинетической энергии идёт на возбуждение, затем атомы излучают и переходят в основное состояние.

МОНОХРОМАТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1983 .

(от греч. monos — один и chroma, род. падеж chrOmatos — цвет) — эл.-магн. излучение одной определённой и строго постоянной частоты. Происхождение термина «М. и.» связано с тем, что различие в частоте световых волн воспринимается человеком как различие в цвете. Однако по своей природе электромагнитные волны видимого диапазона, лежащие в интервале 0,4 — 0,7 мкм, не отличаются от эл.-магн. волн др. диапазонов (ИК-, УФ-, рентгеновского и т. д.), по отношению к к-рым также используют термин «монохроматический» (одноцветный), хотя никакого ощущения цвета эти волны не дают.

Теория эл.-магн. излучения, основанная на Максвелла уравнениях, описывает любое M. и. как гармония, колебание, происходящее с неизменной амплитудой и частотой в течение бесконечно долгого времени. Плоская монохроматич. волна эл.-магн. излучения служит примером полностью когерентного поля (см. Когерентность), параметры к-рого неизменны в любой точке пространства и известен закон их изменения во времени. Однако процессы излучения всегда ограничены во времени, а потому понятие M. и. является идеализацией. Реальное естеств. излучение обычно представляет собой сумму нек-рого числа монохроматич. волн со случайными амплитудами, частотами, фазами, поляризацией и направлением распространения. Чем уже интервал, к-рому принадлежат частоты наблюдаемого излучения, тем оно монохроматичнее. Так, излучение, соответствующее отд. линиям спектров испускания свободных атомов (напр., атомов разреженного газа), очень близко к M. и. (см. Атомные спектры); каждая из таких линий соответствует переходу атома из состояния т с большей энергией в состояние n с меньшей энергией. Если бы энергии этих состояний имели строго фиксиров. значения 3042-21.jpgи 3042-22.jpg, атом излучал бы M. и. частоты v тп =( 3042-23.jpg)/h. Однако в состояниях с большей энергией атом может находиться лишь малое время Dt (обычно 10 -8 с — т. н.

время жизни на энергетич. уровне), и, согласно неопределённостей соотношению для энергии и времени жизни квантового состояния (D3042-24.jpg·Dt >= h), энергия, напр., состояния т может иметь любое значение между 3042-25.jpg+ + D 3042-26.jpgи 3042-27.jpg. Поэтому излучение каждой линии спектра соответствует интервалу частот Dv mn = D3042-28.jpg/h= =1/Dt (подробнее см. в ст. Ширина спектральной линии).

T. к. идеальным M. и. не может быть по самой своей природе, то обычно монохроматическим считается излучение с узким спектральным интервалом, к-рый можно приближённо характеризовать одной частотой (или длиной волны).

Приборы, с помощью к-рых из реального излучения выделяют узкие спектральные интервалы, наз. монохроматорами. Чрезвычайно высокая монохроматичность характерна для излучения нек-рых типов лазеров (ширина спектрального интервала излучения достигает величины 10 -7 нм, что значительно уже, чем ширина линий атомных спектров).

Лит.: Боpн M., Вольф Э., Основы оптики, пер. с англ., 2 изд., M., 1973; Калитеевский H. И., Волновая оптика, 2 изд., M., 1978. Л. H. Канарский.

MOHOXPOMATOP — спектральный оптич. прибор для выделения узких участков спектра оптич. излучения. M. состоит (рис. 1) из входной щели 1, освещаемой источником излучения, коллиматора 2, диспергирующего элемента 3, фокусирующего объектива 4 и выходной щели 5. Диспергирующий элемент пространственно разделяет лучи разных длин волн l, направляя их под разными углами f, и в фокальной плоскости объектива 4 образуется спектр — совокупность изображений входной щели в лучах всех длин волн, испускаемых источником. Нужный участок спектра совмещают с выходной щелью поворотом диспергирующего элемента; изменяя ширину щели 5, изменяют спектральную ширину dl выделенного участка.

Рис. 1. Общая схема монохроматора: 1— входная щель, освещаемая источником излучения; 2 — входной коллиматор; 3 — испергирующий элемент; 4 — фокусирующий объектив выходного коллиматора; 5 — выходная щель.

3042-29.jpg

Диспергирующими элементами M. служат дисперсионные призмы и дифракц. решётки. Их угл. дисперсия D =Df/Dl вместе с фокусным расстоянием f объектива 4 определяют линейную дисперсию Dl/Df = Df(Df — угл. разность направлений лучей, длины волн к-рых отличаются на Dl; Dl — расстояние в плоскости выходной щели, разделяющее эти лучи). Призмы дешевле решёток в изготовлении и обладают большой дисперсией в УФ-области. Однако их дисперсия существенно уменьшается с ростом l и для разных областей спектра нужны призмы из разных материалов. Решётки свободны от этих недостатков, имеют постоянную высокую дисперсию во всём оптич. диапазоне и при заданном пределе разрешения позволяют построить M. с существенно большим выходящим световым потоком, чем призменный M.

Осн. характеристиками M., определяющими выбор параметров его оптич. системы, являются: лучистый поток Ф’l, проходящий через выходную щель; предел разрешения dl*, т. е. наим. разность длин волн, ещё различимая в выходном излучении M., либо его разрешающая способность r, определяемая, как и для любого др. спектрального прибора, отношением l/dl*, а также относительное отверстие объектива коллиматора А0. Разрешающая способность r, ширина выделяемого спектрального интервала dl и спектральное распределение энергии излучения, прошедшего через выходную щель, определяются аппаратной функциейM., к-рую можно представить как распределение потока лучистой энергии по ширине изображения входной щели (в плоскости выходной щели), если та освещается монохроматическим излучением.

3043-1.jpg

Световой поток, выходящий из M., F’ l = т l F l = т l В l SWdl, где т l — коэф. пропускания M.; F l — световой поток, попадающий в M.; В l — спектральная яркость входной щели; S — площадь выходной щели; W — телесный угол лучей фокусирующего объектива, сходящихся на выходной щели. Произведение SW.= S 0 W 0 . (индексы 0 относятся к входной щели) при прохождении светового потока через прибор остаётся постоянным (если световые пучки не срезаются к.-л. диафрагмами) и наз. геом. фактором прибора. T. к. W = pd 2 /4f 2 = pA 2 /4, где f, d и А — фокусное расстояние, диаметр и действующее относительное отверстие фокусирующего объектива, a S= hb (h — высота, b — ширина выходной щели), то При определении оптим. условий работы M. существен характер спектра источника света — линейчатый или сплошной, — к-рым освещается входная щель. В первом случае выходящий поток пропорционален ширине выходной щели, во втором случае — квадрату ширины щели b 2 , а также квадрату пропускаемого спектрального диапазона (dl) 2 ; при заданном dl выходящий поток пропорционален линейной дисперсии M.

Объективы M. (коллиматорный и фокусирующий) могут быть линзовыми или зеркальными. Зеркальные объективы пригодны в более широком спектральном диапазоне, чем линзовые, и, в отличие от последних, не требуют перефокусировки при переходе от одного выделяемого участка спектра к другому, что особенно удобно для ИК- и УФ-областей спектра.

3043-2.jpg

Рис. 2. Автоколлимационная схема: 1— зеркало, вра щением которого осуществляется сканирование спектра.

3043-3.jpg

Рис. 3. z-образная симметричная схема: 1 дифракционная решётка; 2 — сферическое зеркало.

Из большого кол-ва существующих оптич. схем M. можно выделить, помимо традиционных (рис. 1), автоколлимационные (рис. 2), z -образные (рис. 3), схемы с расположением щелей одна над другой либо просто с одной щелью, у к-рой верх. часть служит входной, а нижняя — выходной щелью, и пр. В тех случаях, когда особенно важно избежать попадания в выходную щель M. рассеянного света с длинами волн, далёкими от выделяемого участка спектра (напр., в спектрофото-метрии), применяют т. н. двойные M., представляющие собой два M., расположенных так, что свет, выходящий из первого M., попадает во второй и выходная щель первого служит входной щелью второго (рис. 4). В зависимости от взаимного расположения диспергирующих элементов в каждом из этих M. различают двойные M. со сложением и с вычитанием дисперсий. Приборы со сложением дисперсий позволяют не только во много раз снизить уровень рассеянного света на выходе, но и увеличить разрешающую способность M., а при заданном разрешении — повысить выходящий световой поток (т. е. расширить щели). Двойные M. с вычитанием дисперсий позволяют снизить уровень рассеянного света без увеличения разрешающей способности. В них на выходную щель приходит свет такого же спектрального состава, с каким он вышел из ср. щели. Такие M. менее светосильны, чем M. со сложением дисперсий, однако они позволяют проводить сканирование спектра перемещением ср. щели в плоскости дисперсии прибора, что очень удобно конструктивно для спектрофотометров, особенно скоростных. В ряде случаев, когда необходимо одновременное выделение неск. недалёких узких спектральных интервалов, применяют простые M. с несколькими выходными щелями, т. н. полихроматоры.

3043-4.jpg

Рис. 4. Двойной монохроматор: 1 — средняя щель; 2 и 3 — дифракционные решётки, вращающиеся на общем основании; 49 — зеркала.

Лит.: Лабораторные оптические приборы, под ред. Л. А. Новицкого, 2 изд., M., 1979; Тарасов К. И., Спектральные приборы, 2 изд., Л., 1977; Пейсахсон И. В., Оптика спектральных приборов, 2 изд., Л., 1975. А. П. Гагарин.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

 

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *