Волновые импульсы конечной длины
Источники света. Типы спектров
Классификация источников света может быть произведена на основе волновой теории света С точки зрения последней наиболее важную классификацию источников света можно провести, исходя из излучаемых ими спектров. Современные приборы, появившиеся в результате усовершенствования простых инструментов, при помощи которых Ньютон впервые открыл дисперсию света, позволяют детально изучить спектры, даваемые различными источниками Эти приборы называются спектроскопами,, если они предназначены для визуального наблюдения спектров, и спектрографами, если они позволяют сфотографировать спектр При помощи такой аппаратуры были открыты три основных типа спектров Они получили название линейчатого, полосатого и непрерывного спектров Каждый тип спектра может наблюдаться и как эмиссионный спектр (спектр испускания), и как абсорбционный (спектр поглощения) На рис. I и II приведены некоторые типичные спектры.
Линейчатые и непрерывные спектры
Эмиссионный линейчатый спектр состоит из ряда довольно узких линий с темными промежутками между ними (см рис I, а, б, в) В спектре может быть всего лишь небольшое число линий, но их может также насчитываться и несколько тысяч Узкие линии наблюдаются в тех случаях, когда атомы, излучающие свет, не подвергаются сильному воздействию из-за столкновений с другими атомами узкие линии обычно появляются при электрическом разряде в газах при низком давлении Каждая линия характерна для того вида атомов, который ее излучают Атомы натрия излучают всего ярче две линии, расположенные очень близко друг к другу в желтой области спектра (см рис I, а); кадмий излучает сильную красную п сильную зеленую линии, а также много более слабых линий (см рис I, б); ртуть излучает несколько сильных линий (см рис I, в) Если электрический разряд происходит в газе при давлении нескольких атмосфер, то линии становятся менее узкими (см рис. I, г), а если давление увеличивается еще больше, то линии сливаются, образуя сплошной спектр Спектры излучения нагретых твердых тел так же непрерывны Спектр этого типа обычно излучается в таких условиях, когда каждый атом находится под сильным воздействием соседних атомов.
Полосатые спектры
Полосатый спектр состоит из очень большого числа линий, которые сосредоточены группами в определенных участках спектра, образуя характерные канты (см рис II, а) Спектры такого типа излучаются молекулами, и данная система полос характерна для молекулы, которая ее испускает. Теоретическое описание этих спектров сложнее соответствующего описания линейчатых спектров, но не содержит в себе каких-либо существенно иных принципов.
Инфракрасное и ультрафиолетовое излучение
Используя соответствующие фотографические пластинки, можно сфотографировать линии, полосы и т. д., лежащие далеко за пределами видимого спектра. Это означает, что есть некоторые типы излучения, к которым пластинка чувствительна, а глаз нечувствителен. Наглядное подтверждение последнего положения можно получить при помощи чувствительного термостолбика, движущегося вдоль спектра. Гальванометр, включенный в цепь термостолбика, дает показания, когда столбик находится в видимой области; эти показания сильно возрастают при перемещении термостолбика в область, в которой видна яркая линия. Показания гальванометра, однако,#не падают до нуля на концах видимого спектра. За красным концом спектра показания нередко возрастают; за фиолетовым концом они обычно малы но достаточны для того, чтобы отметить наличие определенной энергии излучения. Излучение, расположенное за красным концом спектра, называется инфракрасным, за фиолетовым концом спектра — ультрафиолетовым (см. рис. II, б, а также рис. 1.5).
Спектры поглощения
Было найдено, что при прохождении света от источника, обычно дающего непрерывный спектр, через какие-либо пары или газы в спектре появляются темные линии (см. рис. II, в, г). Пары, газы и жидкости могут давать и непрерывный спектр поглощения. Однако линии или полосы поглощения характерны для поглощающего газа или пара, и было установлено, что их положение в спектре совпадает с положением некоторых линий или полос в спектре этого газа или пара, излучаемом под действием электрического разряда (см. рис. II, г, д). Такие линии или полосы поглощения позволяют установить наличие соответствующих атомов или молекул в газе или паре. Спектр подобного типа был впервые открыт Фраунгофером (1784—1826), который показал, что непрерывный спектр излучения Солнца пересечен рядом темных линий. Их положение в спектре совпадает с положением некоторых эмиссионных линий в спектрах, полученных в лабораторных условиях (см. рис. II, в, д). Происхождение этих линий таково. Центр Солнца представляет собой массу очень горячего газа большой плотности, излучающего непрерывный спектр. Этот свет проходит через более холодные и менее плотные внешние слои Солнца, где часть света поглощается, в результате чего в спектре Солнца появляются темные линии. Эти линии указывают на присутствие определенных химических элементов во внешних слоях Солнца*. Центральная область Солнца называется фотосферой, основная поглощающая область — хромосферой. Корона представляет собой менее плотную часть Солнца, которая простирается далеко за пределы хромосферы. Корону можно видеть только во время солнечного затмения, когда основной свет солнечного диска экранирован Луной. В спектре короны наблюдается ряд слабых, но очень узких эмиссионных линий.
Атомные осцилляторы
Основываясь на ряде экспериментов, которые мы опишем позднее, мы можем считать, что каждая линия в спектре соответствует определенной длине волны. Она соответствует также определенной частоте излучения; напомним, что соотношение между длиной волны и частотой задается уравнением (2.25). Длины волн и частоты для различных участков спектра приведены на рис. 1.5. Испускание и поглощение спектров, состоящих из узких линий, позволяет предположить, что атом можно рассматривать как систему гармонических осцилляторов. Каждый осциллятор излучает свет с длиной волны, соответствующей его собственной частоте, и, следовательно, создает линию в спектре. Когда белый свет проходит через газ или пар, осцилляторы в различных атомах резонируют и поглощают свет той длины волны, которая соответствует их собственной частоте колебаний. Таким образом, линии поглощения совпадают с линиями испускания. Когда на атомы сильно воздействуют соседние частицы (например, в газе при высоком давлении, в твердом теле или в жидкости), осцилляторы подвергаются непрерывному возмущению. Они излучают нерегулярные импульсы вместо гармонических волн, и эти импульсы (которые не имеют какой-либо определенной частоты) создают непрерывный спектр. Некоторые собственные частоты атомов или молекул соответствуют длинам волн, большим или меньшим тех, к которым чувствителен глаз; такие собственные частоты принадлежат линиям инфракрасной или ультрафиолетовой областей спектра.
В такую общую картину испускания и поглощения излучения атомами и молекулами укладываются многие наблюдения, но при этом возникает также ряд трудностей. Нелегко понять, почему некоторые атомы испускают так много линий, если считать, что каждая линия соответствует собственной частоте осциллятора. Мы оказываемся в еще большем затруднении, когда вспоминаем, что даже молекула водорода, состоящая всего из четырех частиц, испускает чрезвычайно сложный спектр, насчитывающий десятки тысяч линий. Было также найдено, что, как правило, в спектре поглощения появляются только некоторые эмиссионные линии.
В эмиссионном спектре атомов некоторые линии появляются только в искровом спектре и отсутствуют в луговом. Другие появляются только в спектре тлеющего газового разряда. Яти наблюдения говорят о том. что при определенных условиях некоторые осцилляторы не возбуждаются, и теория не может предложить какого-либо простого объяснения данному явлению. Несмотря на наличие многих трудностей, представление атома рядом гармонических осцилляторов оказывается все же очень плодотворным. Позднее оно будет введено в более детальную теорию излучения и поглощения света. В настоящем виде указанное представление об атоме как излучающей системе следует считать рабочей гипотезой, которую придется усовершенствовать после того, как будут накоплены более подробные экспериментальные данные. Желательно было бы выяснить: все ли свойства света, образующего узкие линии спектра, соответствуют длинным цугам синусоидальных волн, излучаемым гармоническими осцилляторами. Для этой цели необходимо выделить какую-нибудь одну линию спектра, что можно сделать, закрыв спектр экраном со щелью, расположенной так, чтобы через нее проходила узкая область спектра, содержащая эту линию. Такое устройство называется монохроматором. Иногда тот же результат можно получить более простым путем, используя цветные фильтры, которые пропускают только часть спектра. Подобрав нужную комбинацию фильтров, можно добиться того, чтобы при работе с источником, дающим не очень сложный спектр, через фильтры проходила только одна линия. После выделения света, соответствующего одной линии спектра, его свойства могут быть детально изучены при помощи описываемого ниже прибора.