Kvant. Спектры

А так ли хорошо знакомы вам спектры? // Квант. — 1990. — № 2. — C.40-41.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Я не колеблясь утверждаю, что один только взгляд на призматический спектр
дает возможность указывать на присутствие... мельчайших количеств веществ...
Ф. Тальбот

С открытия Ньютона, разложившего белый свет на составляющие цвета и собравшего их вновь воедино, началась наука о цвете. Он же ввел и название — спектр. Вопрос о происхождении и природе спектров многие десятилетия не привлекал к себе должного внимания исследователей. Случайно наблюдая спектральные линии в самых разнообразных условиях, они не делали никаких выводов. Так было до тех пор, пока в середине XIX века Г. Кирхгоф не связал прочно спектральные линии с химическим составом излучающего или поглощающего вещества и не разработал совместно с Р. Бунзеном метод спектрального анализа.

Последующие годы принесли массу открытий, поток которых не иссякает и по сей день. Многие клеточки периодической таблицы элементов заполнены благодаря спектральному анализу. Без спектроскопов не обходится астрономия, накопившая с их помощью многие знания о Вселенной, о физических свойствах звезд, их химическом составе и движении.

Изучение спектров проложило дорогу в миры атомов и галактик, и задачи нынешнего выпуска «Калейдоскопа» — лишь несколько шагов по этому увлекательнейшему пути.

Вопросы и задачи

1. Почему белый свет, пройдя через оконное стекло, не разлагается на составные цвета?
2. Какие изменения в спектре лампы наблюдаются при ее постепенном накаливании?
3. Рядом с горящей электрической лампой помещены два стекла — красное и синее — с прикрепленными к ним кусочками воска. От какого из стекол скорее отпадет воск?
4. Какую окраску принимают предметы при освещении их монохроматическим светом натриевой лампы?
5. Если изделие из керамики, на светлом фоне которого сделан темный рисунок, поместить в печь с высокой температурой, то виден светлый рисунок на темном фоне. Почему?
6. Каков спектр поглощения черного вещества?
7. Чем меньше длины волн, тем быстрее меняется показатель преломления. Как это отражается на спектре, полученном с помощью стеклянной призмы?
8. Белый свет падает на абсолютно зеркальную поверхность, смещающуюся вдоль лучей. Как меняется при этом спектральный состав отраженного света?
9. Какие источники света — синие, зеленые или красные — должны быть менее заметны с большой высоты, например, из кабины самолета?
10. Видимая днем Луна имеет чистый белый цвет, а после захода Солнца она принимает желтоватый оттенок. Почему?
11. Могут ли красные лучи вызвать люминесценцию?
12. Каким образом в театрах незаметно для зрителей вызывают свечение декораций?
13. Можно ли методами спектроскопии обнаружить антимиры — предполагаемые скопления материи, в которых ядра атомов состоят из антипротонов и антинейтронов, а их оболочки — из позитронов?

Микроопыт

Накапайте несколько капель молока в стакан с водой и посмотрите сквозь него на горящую лампочку. Какого цвета покажется она вам? Теперь посмотрите на свет, отраженный от стакана, сбоку — каков его цвет? Почему?

Любопытно, что…

...после того, как спектральный анализ показал наличие в атмосфере Солнца многих химических элементов, в том числе и золота, один из приятелей Кирхгофа заметил ему: «Ну и что толку от вашего солнечного золота? Ведь его все равно не доставить на Землю!» Прошло несколько лет, и Кирхгоф получил золотую медаль за свои замечательные исследования.

...только 9 % энергии солнечного излучения несут с собой ультрафиолетовые лучи и 44 % энергии приходится на видимую часть спектра. Остальные 47 % своей энергии Солнце посылает нам в виде инфракрасных лучей.

...спектральный состав света, излучаемого звездой, зависит от температуры ее поверхности. Чем выше температура звезды, тем меньше длина волны, на которую приходится максимум в спектре ее излучения. Поэтому звезды кажутся красными, белыми, голубыми.

...на могиле Фраунгофера, открывшего темные линии в спектре Солнца и изучавшего спектры планет и звезд, признательные соотечественники воздвигли памятник с надписью «Приблизил звезды».

...в 1910 году молодой австрийский физик А. Гааз предпринял первую попытку построения квантовой теории водородного атома. Однако видные ученые признали «наивной» попытку Гааза сочетать столь «несовместимые» вещи, как спектроскопия и квантовая теория. Его диссертация была провалена.

Что читать о спектрах в «Кванте»

1. «Абсолютно черное тело» — 1985, № 2, с. 26;
2. «Как увидеть невидимое?» — 1985, № 3, с. 20;
3. «Формула Бальмера» — 1985, № 12, с. 16.
4. «Зеленый луч» — 1986, № 6, с. 16;
5. «Как однажды Жак-звонарь головой сломал фонарь...» — 1987, № 12, с. 32;
6. «Что и как мы видим» — 1988, № 3, с. 34;
7. «Кто творит радугу» — 1988, № 6, с. 46;
8. «Градусник для Солнца» — 1988, № 10, с. 40;
9. «Калейдоскоп «Кванта» — 1989, № 2.

Ответы

1. Оконное стекло можно представить как плоскопараллельную пластинку, состоящую из двух одинаковых призм (рис.), одна из которых разлагает, а другая — восстанавливает белый свет.

   

2. Сперва появится красная часть спектра, а за ней по мере нагревания — все остальные.
3. От синего, так как оно полнее, чем красное стекло, поглощает длинноволновое излучение и, следовательно, быстрее нагреется.
4. Желтую или черную.
5. Чем больше поглощательная способность тела, тем больше его излучательная способность.
6. Поглощаются практически все лучи видимого света.
7. Спектр сжат в красной части и растянут в фиолетовой.
8. Спектр смещается в сторону красного цвета.
9. Синие: их излучение в большей степени рассеивается воздухом.
10. Днем рассеянный небом голубой свет добавляется к желтоватому свету самой Луны, и это смешение воспринимается глазом как белый свет.
11. Нет, для этого нужны излучения с более короткой длиной волны.
12. На декорации, покрытые люминофором, направляют ультрафиолетовые лучи.
13. Нельзя. Изменение знака зарядов не приведет к изменению частот излучения, соответствующих спектральным линиям.

Микроопыт

Свет в молоке рассеивается на очень малых частицах. Синяя компонента рассеивается сильнее красной, поэтому жидкость со стороны источника света или сбоку кажется синей. Если же смотреть на просвет, она становится желтой или красной.