Естествознание
10 класс

§ 20. Взаимодействие поля и вещества. Цвет и спектры

У этой, по крайней мере, лицо
не вовсе бессмысленное...
Правда, умом оно не блещет,
но что поделаешь!
Зато цвет у нее правильный,
а это уже кое-что!
Л. Кэрролл

Как взаимодействуют поле и вещество? Чем определяется цвет веществ? Какой величиной характеризуется энергия волны? Что такое спектры веществ? Какие бывают спектры? Что дает исследование спектров веществ? Что такое тепловое излучение? Что такое абсолютно черное тело? Какими особенностями обладают спектры теплового излучения?

Урок-лекция

Две составляющие материи — поле и вещество — живут в тесной взаимосвязи друг с другом. С одной стороны, вещество является источником поля, с другой — поле воздействует на вещество с некоторой силой. В этом параграфе мы рассмотрим такие специфические особенности взаимодействия поля и вещества, как цвет и спектры.

ЦВЕТ ВЕЩЕСТВА. Одним из первых научных опытов, связанных с исследованием цвета и спектров, был опыт Исаака Ньютона, который пропустил солнечный свет через призму и получил спектр солнечного излучения (рис. 14).

Рис. 14. Разложение солнечного излучения в спектр при помощи призмы

Впоследствии выяснилось, что каждой узкой полоске этого спектра соответствует волна определенной длины волны (значения длин волн также изображены на рисунке). Таким образом, зрительное ощущение цвета связано с тем, что глаз по-разному реагирует на электромагнитные волны разной длины. Это объясняется устройством рецепторов сетчатки глаза человека.

Но почему то или иное вещество имеет определенный цвет?

Вещество и поле обладают таким общим качеством, как энергия. В процессе взаимодеиствия поля волны с веществом (точнее, с заряженными частицами, составляющими вещество) поле может отдать энергию веществу. В этом случае происходит поглощение электромагнитной волны. Противоположный процесс, когда вещество отдает энергию полю, называют излучением. Наконец, вещество может взаимодействовать с электромагнитной волной, изменяя ее, но не обмениваясь с ней энергией. К таким процессам относят отражение и преломление волны.

Цвет вещества зависит от того, какие процессы взаимодействия вещества и поля имеют место. Рассмотрим в качестве примера зеленый цвет листа растения. В темноте цвет листа не виден. Мы можем наблюдать свет, отраженный от листа растения, или свет, прошедший через лист (в обоих случаях зеленый). Цвет в этих случаях определяется тем, что вещество листа поглощает свет всех длин волн, кроме волны, соответствующей зеленому цвету. Белое тело абсолютно одинаково хорошо отражает все волны, ничего не поглощая. Напротив, абсолютно черное тело совершенно не отражает волны, поглощая все излучение. Некоторые вещества, например сажа, близки по свойствам к абсолютно черному телу.

Игорь Грабарь. Зимний день

      Быть может, вся Природа — мозаика цветов?
      Быть может, вся Природа — различье голосов?
      Быть может, вся Природа — лишь числа и черты?
      Быть может, вся Природа — желанье красоты?

К. Бальмонт

Противоположный случай имеет место, когда вещество излучает свет без воздействия внешней электромагнитной волны. Например, газовая горелка излучает синий свет. Этот цвет обусловлен тем, что вещество в момент горения преимущественно излучает свет, соответствующий длине волны синего цвета.

Цвет отраженного от вещества и прошедшего через вещество света определяется способностью вещества по-разному поглощать свет различной длины волны.

Цвет вещества, излучающего электромагнитную волну без воздействия внешнего поля, определяется различной способностью этого вещества излучать электромагнитную волну того или иного диапазона. Таким образом, цвет является характеристикой вещества и процесса взаимодействия поля с веществом

СПЕКТРЫ ВЕЩЕСТВА. Более детальную информацию о взаимодействии излучения и вещества дают спектры веществ. В простейшем опыте спектр вещества можно получить, пропуская свет через призму, как это сделал Ньютон. При этом излучению одного цвета могут соответствовать различные спектры. Например, спектр желтого излучения паров натрия, приведенный на рисунке 15, представляет собой две узкие линии и совсем не похож на спектр излучения Солнца (см. рис. 14). Подобные спектры, состоящие из отдельных линий, называют линейчатыми в отличие от спектров типа спектра Солнца, которые называют сплошными.

Рис. 15. Спектр натрия

Но если Солнце излучает свет волн разной длины, то почему оно желтое? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо сделать определенные измерения. Из того, что было сказано в начале параграфа, следует, что измерять нужно некоторую энергетическую характеристику волны. Такой характеристикой является интенсивность.

На рисунке 16 приведена зависимость интенсивности солнечного излучения от длины волны. Именно такую зависимость на научном языке и называют спектром. Иногда на графиках приводится зависимость интенсивности от частоты волны. Такую зависимость также называют спектром.

Вспомните, что длина волны и частота волны связаны простым соотношением.

Из приведенного на рисунке 16 спектра Солнца понятно, почему Солнце желтого цвета. Максимум интенсивности солнечного излучения приходится на волну, соответствующую желтому цвету. Ну а что же представляет собой спектр натрия, изображенный в виде графика? Это одинокий узкий пик. который при применении хорошего прибора виден как раздвоенный.

Рис. 16. Спектры излучения абсолютно черного тела и Солнца

Спектры различных веществ различаются между собой и позволяют настолько же точно идентифицировать вещество (смесь веществ), как отпечатки пальцев позволяют идентифицировать человека.

СПЕКТРЫ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ. Чтобы самостоятельно излучать электромагнитную волну, заряженные частицы должны обладать определенной энергией. Эта энергия может приобретаться частицами в результате различных процессов. В том случае, когда вещество находится вблизи состояния термодинамического равновесия, энергия частиц — это энергия теплового (хаотического) движения. Излучение такого вещества называют тепловым излучением.

Тепловое излучение характерно для любого нагретого тела. Наиболее просто выглядит спектр излучения абсолютно черного тела (см. рис. 16).

Его интенсивность увеличивается с температурой. Длина волны в максимуме излучения при увеличении температуры сдвигается в сторону более коротких длин волн. Спектр излучения звезд похож на спектр излучения абсолютно черного тела. Отсюда, в частности, следует, что голубые звезды имеют более высокую температуру, чем желтые.

Интенсивностью называют энергию, переносимую электромагнитной волной через единицу площади в единицу времени.

Спектром называют зависимость интенсивности света от длины волны или частоты света.

Тепловое излучение веществ зависит от их температур. Спектр излучения плотных тел близок к спектру излученияабсолютно черного тела. Длина волны, соответствующей максиму интенсивности излучения, позволяет определить температуру излучающего тела.

  • Чем определяется цвет тела?
  • Что такое спектры?
  • Какие виды спектров вы знаете?
  • В чем практическое значение исследования спектров веществ?

Рейтинг@Mail.ru