Чем отличаются дисперсионный и дифракционный спектры. Чем отличается дифракционный спектр от дисперсионного
Обычный дневной свет состоит из семи основных цветов. При определённых условиях свет можно разложить на составляющие , то есть получить цветовой спектр.
В оптике, одном из разделов физики, различают два вида световых спектров – дисперсионный и дифракционный. Оба перечисленных явления основываются на волновой природе светового излучения, но в основе дифракции лежит его способности «обтекать» препятствия , а дисперсия основывается на способности света преломляться , распадаясь на отдельные составляющие.
Под термином «спектр» (латинское – «видение») подразумевается распределение волн по их частоте и длине . В данном случае рассматривается оптический спектр – разложение света на отдельные волны.
Данный термин, применительно к оптике, впервые ввёл английский физик И. Ньютон в 1670-х годах . Именно он выдвинул теорию о сложном составе простого солнечного света.
Дифракция
Слово «дифракция» переводится с латыни как «разлом», «перелом», а также «огибание».
Под данным физическим явлением подразумевается способность световой волны огибать препятствия, что характерно и для всех прочих волн – начиная от водных, и заканчивая электромагнитными и звуковыми.
Дифракционный спектр способен образовываться при прохождении светового потока через некие препятствия. В лабораторных условиях для получения дифракционного спектра обычно используют непрозрачный экран с проделанным в нём небольшим круглым или щелеобразным отверстием .
В первом случае получается сферическая , а во втором – плоская дифракционная волна. Для большей точности проводимых экспериментов, в оптических лабораториях создают особые, эталонные, дифракционные решётки со строго фиксированным размером отверстий.
Дифракционный спектр можно наблюдать не только в лабораторных условиях, но и в природе . В качестве примера можно взять цветные круги, образующиеся вокруг луны в морозную ночь .
Они появляются в результате огибания лучами лунного света мельчайших частичек замёрзшей воды, взвешенной в атмосфере. При дифракции света, он разлагается на составляющие в соответствии с длиной каждой световой волны.
Чем длиннее волна, тем на большую величину происходит её отклонение. Менее всего подвержены дифракционному отклонению ультрафиолетовая волна, а расположенная на противоположном конце спектра инфракрасная волна преломляется больше всего.
Дисперсия
Дисперсия по-латыни означает «разложение», «распадение».
В оптике дисперсией называют разложение белого света на отдельные волны при прохождении через некий прозрачный предмет, обладающий свойством светового преломления .
При этом показатель преломления так же, как и в случае с дифракцией, зависит от длины той или иной волны . Впервые научное исследование явления дисперсии было проведено Ньютоном в XVII веке.
Именно этот великий учёный смог наглядно доказать, что обычный дневной свет не является чем-то простейшим и неделимым объектом, а состоит из отдельных цветных лучей .
В своём опыте Ньютон использовал треугольную стеклянную призму, через которую пропускался свет . Опыты с призмой ставились и ранее, но до этого среди физиков бытовало убеждение, что это стеклянная призма окрашивает белый цвет в оттенки радуги.
Кстати, радуга – природный пример дисперсии солнечного излучения, проходящего сквозь мельчайшие прозрачные капельки воды.
Происходит это явление оттого, что волны с различной длиной имеют и разную скорость распространения в оптической среде – прозрачном пространстве, заполненном некой более или менее плотной субстанцией (жидкостью, газом, либо твёрдым веществом).
Волны с меньшей длиной при прохождении через оптическую среду преломляются больше, поэтому скорость их распространения меньше. Самой большой длиной обладают волны красного спектра .
Соответственно, коэффициент их преломления минимален, а скорость – наоборот, максимальна. Противоположностью является ультрафиолетовая волна, имеющая наименьшую скорость и больший показатель преломления.
Скорость же световых составляющих в абсолютном вакууме одинакова , и, следовательно, дисперсионное разделение света там произойти не может. В отдельных оптических средах наблюдается так называемый аномальный дисперсионный процесс.
Так, в парах йода более короткие лучи синего цвета преломляются меньше, нежели более длинные красные. Остальные же лучи светового спектра вовсе поглощаются газообразной субстанцией, и для наблюдения недоступны.
Различия спектров
Несмотря на то, что в основе и дифракционного, и дисперсионного спектров лежит принцип волнового строения света, они имеют целый ряд различий.
В первом случае белый свет распадается на составляющие в результате прохождения его через мелкие отверстия в непрозрачном общем фоне, либо между множеством близко находящихся непрозрачных частичек.
В случае с дисперсионным спектром разложение происходит вследствие преломления световых лучей при прохождении их через некую прозрачную среду: стекло, газ, жидкость и так далее.
С точки зрения оптики, между дифракционным и дисперсионным спектрами имеются различия :
- В степени отклонения крайних лучей – ультрафиолетового и инфракрасного.
- В размерах растяжения длины спектра.
Для наглядности все различия между дисперсионным и дифракционным спектрами можно отобразить в виде сводной таблицы :
| Дифракционный | Дисперсионный |
| Луч распадается из-за прохождения через мелкое отверстие в непрозрачной среде, либо через множество отверстий между непрозрачными предметами. | Разложение светового потока происходит как результат преломления при прохождении сквозь прозрачную оптическую среду. |
| Наибольшему отклонению подвержены длинноволновые красные лучи. | Более всего отклоняются лучи фиолетового цвета. |
| Растяжение спектра неравномерное. | Спектральное растяжение относительно равномерно. |
| Растяжение происходит в сторону длинноволнового «края». | Растяжение происходит в сторону фиолетовых лучей. |
На вопрос Чем отличается дифракционный спектр от дисперсионного? заданный автором Европейский
лучший ответ это Дисперсионный спектр получается при преломлении света призмой (радуга) .
Дифракционный спектр получается при дифракции на решётке.
Отличаются порядком цветов. В дисперсионном они идут (считая, от первоначального луча) - красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый; в дифракционном (считая от главного максимума) - фиолетовый, синий, голубой, зелёный, жёлтый, оранжевый, красный.
Ответ от 22 ответа
[гуру]
Привет! Вот подборка тем с ответами на Ваш вопрос: Чем отличается дифракционный спектр от дисперсионного?
Ответ от Ёаша Бодченко
[новичек]
дифракция - это волновое явление - рассеяние света (ну, электромагнитной волны в общем случае) на препятствии. В частности на щели.
Дифракционная решётка - это спектральный прибор, состоящий из большого количества щелей (параллельных). На каждой щели происходит дифракция света. При изменении угла наблюдения (относительно решётки) , между светом, прошедшим в определённом направлении от щелей возникает разность хода (между лучами из разных щелей). Для излучения с определённой длиной волны возникают максимумы при некоторых углах. Углы зависят от длины волны и от шага решётки.
Таким образом можно наблюдать спектр света, который падает на решётку (поскольку есть зависимость направления на спектральный максимум от длины волны) .
Длинноволновые сигналы отклоняются сильнее.
Главные максимумы есть нескольких порядков. Количество эффективно наблюдаемых (неперекрывающихся) зависит от ширины спектра наблюдаемого излучения и качества решётки (количества штрихов на мм) .
Дисперсия - это зависимость показателя преломления среды от длины волны электромагнитного излучения.
Поскольку от показателя преломления зависит отношения углов падения и преломления, призмой можно разложить свет на спектральные составляющие.
Здесь каждая составляющая идёт только в одном направлении.
Какой свет сильнее отклоняется - зависит от отношения показателей преломления среды и материала из которого сделана призма.
Отличия.
После призмы каждая спектральная составляющая отклоняется только в одном направлении. После дифракционной решётки - каждая составляющая идёт во всех направлениях, но неравномерно - имеет свои главные и побочные максимумы.
Визуально это проявляется так:
После призмы видна сплошная полоса или линейчатый спектр - от синего до красного.
После дифракционной решётки виден ахроматический максимум (посередине) и несколько максимумов справа и слева - уже расслаивающиеся на составляющие. Если рассматривается предмет - в максимумах первого порядка - его составляющие разных цветов могут перекрываться. Дальше они лучше разведены, но могут начать перекрываться соседние максимумы.
Природа явлений разная.
Частоты отклоняются по-разному.
Короче, дифракция - это "проникновение", дисперсия - огибание
Ответ от Ёебастьян Рачовски
[гуру]
Хм, странно, нам сегодня задали такой же вопрос. Кароч вроде все ответы перебрали, которые тут есть, а ей всё равно не нравится.
Ответ от разбросать
[гуру]
Мой мозг плавится!! ААА!
Ответ от сложносокращенный
[гуру]
Один сек.
Спектр есть набор значений. Например, длин волн. Белый свет представляет собой совокупность лучей света различных длин волн (различных цветов) ; если направить на поверхность трехгранной призмы пучок параллельных лучей света, то по выходе из призмы пучок уже не будет параллельным, а каждый луч пойдет по своему направлению, и на экране получится спектр волн разной длинны. Т. е. "радуга", полоски к-ой (они разного цвета) разнесены на разное расстояние. Набор этих полосок и есть дисперсионный спектр. Т. е. дисперсионный спектр - это спектр волн (имеется в виду их длин) , полученный в результате разной степени преломления волн разной длины (разного цвета). Если короче: дисп. спектр - это спектр, полученный в результате дисперсии. С чем же связано понятие дифракционного спектра? Конечно же с дифракцией - огибанием волн различных препятствий, размеры к-ых соизмеримы с размерами рассматриваемых волн. Например, во время дождя образуются мелкие капельки воды в атмосфере, что приводит к дифракции. Однако разные длины волн дифрагируют по разному - они ведь разной длины. Дифрагируют по разному, значит отклоняются на разные расстояния. Поэтому мы можем наблюдать радугу во время дождя. Итак, дифракционный спектр - это спектр волн, полученный в результате различий огибания препятсвий волн разной длинны. Если короче: дифр. спектр - это спектр, полученный в результате дифракции. Обобщение: слова "дисперсионный" или "дифракционный" спектр дополняют о чем идет речь - о процессе дисперсии, или процессе дифракции. Вообще можно говорить и о волне одной длинны. Тогда спектр будет состоять из одной полоски. Хотя в случае дифракции тогда возможно еще и перераспределение интенсивности волны на экране - это называют дифракционной картиной.
Дисперсия света представляет собой разложение его потока, имеющего белый цвет, на монохроматические лучи, которые формируют световой спектр.
Отличаются порядком цветов. В дисперсионном они идут (считая, от первоначального луча) - красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый; в дифракционном (считая от главного максимума) - фиолетовый, синий, голубой, зелёный, жёлтый, оранжевый, красный.
45. Внешний фотоэффект. Законы Столетова.
Позже сокращу.
Внешний фотоэффект – это явление вырывания электронов из твердых и жидких тел под действием света.
Затем в 1888-1890 -х годах фотоэффект исследовалАлександр Григорьевич Столетов (1839 – 1896).
Он установил, что:
наибольшее действие оказывают ультрафиолетовые лучи;
с ростом светового потока растет фототок;
заряд частиц, вылетающих из твердых и жидких тел под действием света отрицателен.
Прежде
чем сформулировать эти законы, рассмотрим
современную схему для наблюдения и
исследования фотоэффекта. Она проста.
В стеклянных баллон впаяны два электрода
(катод и анод), на которые подается
напряжениеU. В отсутствии света амперметр
показывает, что тока в цепи нет.
Когда катод
освещается светом даже при отсутствии
напряжения между катодом и анодом
амперметр показывает наличие небольшого
тока в цепи – фототока. То есть электроны,
вылетевшие из катода, обладают некоторой
кинетической энергией
и
достигают анода «самостоятельно».
При увеличении напряжения фототок растет.
Зависимость величины фототока от величины напряжения между катодом и анодом называется вольтамперной характеристикой.
Она
имеет следующий вид. При одной и той же
интенсивности монохроматического света
с ростом напряжения ток сначала растет,
но затем его рост прекращается. Начиная
с некоторого значения ускоряющего
напряжения, фототок перестает изменяться,
достигая своего максимального (при
данной интенсивности света) значения.
Этот фототок называется током насыщения.
Чтобы
«запереть» фотоэлемент, то есть фототок
уменьшить до нуля, необходимо подать
«запирающее напряжение»
.
В этом случае электростатическое поле
совершает работу и тормозит вылетевшие
фотоэлектроны
. (1)
Это означает, что ни один из вылетающих из металла электронов не достигает анода, если потенциал анода ниже потенциала катода на величину.
Эксперимент
показал, что при изменении частоты
падающего света начальная точка графика
сдвигается по оси напряжений. Из этого
следует, что величина запирающего
напряжения, а, следовательно, кинетическая
энергия и максимальная скорость
вылетающих электронов, зависят от
частоты падающего света.
Первый закон фотоэффекта . Величина максимальной скорости вылетающих электронов зависит от частоты падающего излучения (растет с ростом частоты) и не зависит от его интенсивности.
Если
сравнить вольтамперные характеристики,
полученные при разных значениях
интенсивности (на рисунке I 1 и I 2)
падающего монохроматического
(одночастотного) света, то можно заметить
следующее.
Во-первых, все вольтамперные характеристики берут начало в одной и той же точке, то есть, при любой интенсивности света фототок обращается в ноль при конкретном (для каждого значения частоты) задерживающем напряжении. Это является еще одним подтверждением верности первого закона фотоэффекта.
Во-вторых. При увеличении интенсивности падающего света характер зависимости тока от напряжения не изменяется, лишь увеличивается величина тока насыщения.
Второй закон фотоэффекта . Величина тока насыщения пропорциональна величине светового потока.
При изучении фотоэффекта было установлено, что не всякое излучение вызывает фотоэффект.
Третий закон фотоэффекта . Для каждого вещества существует минимальная частота (максимальная длина волны) при которой еще возможен фотоэффект.
Эту длину волны называют «красной границей фотоэффекта» (а частоту – соответствующей красной границе фотоэффекта).
Через 5 лет после появления работы Макса Планка Альберт Эйнштейн использовал идею дискретности излучения света для объяснения закономерностей фотоэффекта. эйнштейн предположил, что свет не только излучается порциями, но и распространяется и поглощается порциями. Это означает, что дискретность электромагнитных волн – это свойство самого излучения, а не результат взаимодействия излучения с веществом. По Эйнштейну, квант излучения во многом напоминает частицу. Квант либо поглощается целиком, либо не поглощается вовсе. Эйнштейн представил вылет фотоэлектрона как результат столкновения фотона с электроном металла, при котором вся энергия фотона передается электрону. Так Эйнштейн создал квантовую теорию света и, исходя из нее, написал уравнение для фотоэффекта:
.
Здесь
–
постоянная Планка,
–
частота,
–
работа выхода электрона из металла,
–
масса покоя электрона,v– скорость
электрона.
Это уравнение объясняло все экспериментально установленные законы фотоэффекта.
Так как работа выхода электрона из вещества постоянна, то, с ростом частоты, растет и скорость электронов.
Каждый фотон выбивает один электрон. Следовательно, количество выбитых электронов не может быть больше числа фотонов. Когда все выбитые электроны достигнут анода, фототок расти прекращает. С ростом интенсивности света растет и число фотонов, падающих на поверхность вещества. Следовательно, увеличивается число электронов, которые эти фотоны выбивают. При этом растет фототок насыщения.
Если энергии фотоны хватает лишь на совершение работы выхода, то скорость вылетающий электронов будет равна нулю. Это и есть «красная граница» фотоэффекта.
Внутренний фотоэффект наблюдается в кристаллических полупроводниках и диэлектриках. Он состоит в том, что под действием облучения увеличивается электропроводность этих веществ за счет возрастания в них числа свободных носителей тока (электронов и дырок).
Большинство фактических сведений про окружающие нас явления и природу получены человеком при помощи восприятия по средствам органов зрительного восприятия, которые созданы светом. Явления света, которые изучаются в физике, рассматриваются в разделе Оптика.
По своей природе свет является явлением электромагнитным, а это говорит про одновременное проявление как волновых (интерференция, дифракция, дисперсия), так и квантовых свойств (фотоэффект, люминесценция).
Рассмотрим два важных волновых свойства света: дифракцию и дисперсию.
Понятие светового луча широко используют в геометрической оптике. Таким явлением считается узкий пучок света, который распространяется прямолинейно. Подобное распространение света в однородной среде для нас кажется таким обычным, что принимается как очевидное. Достаточно убедительным подтверждением этого закона может быть образование тени, которое появляется за непрозрачным препятствием, которое стоит на пути света. А свет в свою очередь излучается точечным источником.
Явления, которые возникают при распространении света в среде с резко выраженными неоднородностями, являются дифракцией света.
Итак, дифракцией называют совокупность явлений, которые обусловлены огибанием световыми лучами препятствий, которые встречаются на их пути (в широком смысле: любое отклонение от законов геометрической оптики при распространении волн и попадание их в участки геометрической тени).
Дифракция четко проявляется в случае, когда параметры неоднородности (прорези решетки) соразмерны с длинной волны. Если же размеры слишком большие, то она наблюдается только на значительных расстояниях от неоднородности.
При огибании неоднородностей световой луч раскладывается в спектр. Спектр разложения, который получен при данном явлении называется дифракционным спектром. Дифракционный спектр ещё называют решетчатым.
Разным скоростям распространения волн отвечают различные абсолютные показатели преломления среды. Из исследований Ньютона следует, что абсолютный показатель преломления увеличивается с ростом частоты света. С течением времени ученые установили тот факт, что при рассмотрении света как волны каждый цвет необходимо ставить в соответствие длине волны. Важным является то, что эти длины волн изменяются непрерывно, отвечая различным оттенкам каждого цвета.
Если тонкий пучок солнечного света направить на стеклянную призму, то в ней после преломления можно наблюдать разложение белого света (белый свет – совокупность электромагнитных волн с разной длинной волны) в разноцветный спектр: семь основных цветов – красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый цвета. Все эти цвета плавно переходят друг в друга. В меньшей степени от начального направления откланяются красные лучи, а в большей – фиолетовые.
Этим можно объяснить возникновение окраски предметов различными цветами, поскольку белый свет представляет собой совокупность различных цветов. Например, цвет листьев растений, в частности, зеленый цвет, обусловлен тем, что на поверхности листьев происходит поглощение всех цветов кроме зеленого цвета. Именно его мы и видим.
Итак, дисперсия – это явление, которое характеризует зависимость преломления вещества от длинны волны. Если говорить о световых волнах, то дисперсия дисперсией называют явление зависимости скорости света (а также и показателя преломления света веществом) от длинны (частоты) светового луча. Благодаря дисперсии белый свет раскладывается в спектр при прохождении через стеклянную призму. Именно поэтому подобным образом полученный спектр называют дисперсионным. На выходе из призмы мы получим расширенную световую полосу с расцветкой, которая непрерывно (плавно) меняется. Дисперсионный спектр ещё называют призматическим.
Дифракционный и дисперсионный спектры
Мы рассмотрели явления дифракции и дисперсии, а также их следствия – получение дифракционного и дисперсионного спектров. Теперь обратим особое внимание на их отличия.
Способы получения спектров:
- Дифракционный спектр: зачастую получен при помощи, так называемой, дифракционной решетки. Она состоит из полос прозрачных и непрозрачных (или же отражающих и неотражающих). Эти полосы чередуются с периодом, значение которого зависит от длинны волны. При попадании на решетку свет разбивается на пучки, для которых наблюдается явление дифракции и разложение света на спектр.
- Дисперсионный спектр: в отличии от дифракционного получен в результате проникновения световой волны сквозь вещество (призму). В результате прохождения монохроматические волны претерпевают преломление, причем угол преломления будет разным.
Распределение и характер цветов в спектрах:
- Дифракционный спектр: от первого до последнего в спектре цвета располагаются равномерно. И проявляются от фиолетового до красного, а именно в порядке возрастания.
- Дисперсионный спектр: в красной части спектра сжат, а в фиолетовой – растянут. Цвета располагаются в порядке от красного до фиолетового, то есть в порядке убывания, в отличии от возрастания в дифракционном спектре.
Заключительные сведения
Итак, рассмотренный характеристики показывают, что дифракционная картина значительным образом зависит от длинны волны света, которое огибает препятствие. Поэтому, если свет немонохроматический (например, рассматриваемый нами белый свет), то дифракционные максимумы интенсивности для разных длин волн просто разойдутся, при этом они образуют дифракционный спектры. Они имеют значительное преимущество перед спектрами, которые возникают вследствие дисперсии лучей проходящих сквозь призму. Взаимное расположение цветов у них не зависит от свойств материалов, из которых изготовлены экраны и щели решетки, а определяется однозначно лишь длинами волн и геометрией прибора (например, призмы) и может быть рассчитано исключительно из геометрических соображений.