Взаємодія поля і речовини. Колір і спектри

Дві складові матерії – поле і речовина – живуть в тісному взаємозв’язку один з одним. З одного боку, речовина є джерелом поля, з іншого – поле впливає на речовину з деякою силою. У цьому параграфі ми розглянемо такі специфічні особливості взаємодії поля і речовини, як колір і спектри.

КОЛІР РЕЧОВИНИ. Одним з перших наукових дослідів, пов’язаних з дослідженням кольору і спектрів, був досвід Ісаака Ньютона, який пропустив сонячне світло через призму і отримав спектр сонячного випромінювання (рис. 14).

Згодом з’ясувалося, що кожній вузькій смужці цього спектру відповідає хвиля певної довжини хвилі (значення довжин хвиль також зображені на малюнку). Таким чином, зорове відчуття кольору пов’язано з тим, що око по-різному реагує на електромагнітні хвилі різної довжини. Це пояснюється пристроєм рецепторів сітківки ока людини.

Але чому та чи інша речовина має певний колір?

Речовина і поле володіють таким загальним якістю, як енергія. У процесі взаімодеіствія поля хвилі з речовиною (точніше, з зарядженими частинками, складовими речовина) поле може віддати енергію речовині. У цьому випадку відбувається поглинання електромагнітної хвилі. Протилежний процес, коли речовина віддає енергію полю, називають випромінюванням. Нарешті, речовина може взаємодіяти з електромагнітної хвилею, змінюючи її, але не обмінюючись з нею енергією. До таких процесів відносять відбиток і переломлення хвилі.

Колір речовини залежить від того, які процеси взаємодії речовини і поля мають місце. Розглянемо як приклад зелений колір листа рослини. У темряві колір листа не видний. Ми можемо спостерігати світло, відбите від аркуша рослини, або світло, що пройшло через лист (в обох випадках зелений). Колір в цих випадках визначається тим, що речовина листа поглинає світло всіх довжин хвиль, крім хвилі, відповідної зеленому кольору. Біле тіло абсолютно однаково добре відображає всі хвилі, нічого не поглинаючи. Навпаки, абсолютно чорне тіло абсолютно не відображає хвилі, поглинаючи все випромінювання. Деякі речовини, наприклад сажа, близькі за властивостями до абсолютно чорного тіла.

Протилежний випадок має місце, коли речовина випромінює світло без впливу зовнішнього електромагнітної хвилі. Наприклад, газовий пальник випромінює синє світло. Цей колір обумовлений тим, що речовина в момент горіння переважно випромінює світло, відповідний довжині хвилі синього кольору.

Колір відбитого від речовини і пройшло через речовину світла визначається здатністю речовини по-різному поглинати світло різної довжини хвилі.

Колір речовини, що випромінює електромагнітну хвилю без впливу зовнішнього поля, визначається різною здатністю цієї речовини випромінювати електромагнітну хвилю того чи іншого діапазону. Таким чином, колір є характеристикою речовини і процесу взаємодії поля з речовиною

СПЕКТРИ РЕЧОВИНИ. Більш детальну інформацію про взаємодію випромінювання і речовини дають спектри речовин. У найпростішому досвіді спектр речовини можна отримати, пропускаючи світло через призму, як це зробив Ньютон. При цьому випромінюванню одного кольору можуть відповідати різні спектри. Наприклад, спектр жовтого випромінювання парів натрію, наведений малюнку 15, являє собою дві вузькі лінії і зовсім не схожий на спектр випромінювання Сонця (див. Рис. 14). Подібні спектри, що складаються з окремих ліній, називають лінійчатими на відміну від спектрів типу спектру Сонця, які називають суцільними.

Але якщо Сонце випромінює світло хвиль різної довжини, то чому воно жовте? Щоб відповісти на це питання, необхідно зробити певні вимірювання. З того, що було сказано на початку параграфа, випливає, що вимірювати потрібно деяку енергетичну характеристику хвилі. Такий характеристикою є інтенсивність.

На малюнку 16 наведена залежність інтенсивності сонячного випромінювання від довжини хвилі. Саме таку залежність на науковому мовою і називають спектром. Іноді на графіках наводиться залежність інтенсивності від частоти хвилі. Таку залежність також називають спектром.

Згадайте, що довжина хвилі і частота хвилі пов’язані простим співвідношенням.

З наведеного на малюнку 16 спектру Сонця зрозуміло, чому Сонце жовтого кольору. Максимум інтенсивності сонячного випромінювання припадає на хвилю, відповідну жовтому кольору. Ну а що ж являє собою спектр натрію, зображений у вигляді графіка? Це одинокий вузький пік. який при застосуванні хорошого приладу видно як роздвоєний.

Спектри різних речовин різняться між собою і дозволяють настільки ж точно ідентифікувати речовину (суміш речовин), як відбитки пальців дозволяють ідентифікувати особу.

СПЕКТРИ ТЕПЛОВОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ. Щоб самостійно випромінювати електромагнітну хвилю, заряджені частинки повинні володіти певною енергією. Ця енергія може набуватися частинками в результаті різних процесів. У тому випадку, коли речовина знаходиться поблизу стану термодинамічної рівноваги, енергія частинок – це енергія теплового (хаотичного) руху. Випромінювання такої речовини називають тепловим випромінюванням.

Теплове випромінювання характерно для будь-якого нагрітого тіла. Найбільш просто виглядає спектр випромінювання абсолютно чорного тіла (див. Рис. 16).

Його інтенсивність збільшується з температурою. Довжина хвилі в максимумі випромінювання при збільшенні температури зсувається в бік більш коротких довжин хвиль. Спектр випромінювання зірок схожий на спектр випромінювання абсолютно чорного тіла. Звідси, зокрема, випливає, що блакитні зірки мають більш високу температуру, ніж жовті.

Інтенсивністю називають енергію, стерпну електромагнітної хвилею через одиницю площі в одиницю часу.

Спектром називають залежність інтенсивності світла від довжини хвилі або частоти світла.

Теплове випромінювання речовин залежить від їх температур. Спектр випромінювання щільних тел близький до спектру ізлученіяабсолютно чорного тіла. Довжина хвилі, відповідної максиму інтенсивності випромінювання, дозволяє визначити температуру випромінюючого тіла.

Чим визначається колір тіла?
Що таке спектри?
Які види спектрів ви знаєте?
У чому практичне значення дослідження спектрів речовин?

Посилання на основну публікацію