Оптические спектры

Принцип действия УФ-светодиодов

Ультрафиолетовое излучение занимает промежуточное положение между видимым спектром обычного света и рентгеновским излучением. Оно занимает диапазон длин волны от 10 до 400 нм. Принцип действия UV диодов аналогичен обычным LED светодиодам, но для создания излучения на коротких волнах используются другие материалы и присадки:

• нитрид
  галлия; 
• нитрид алюминия;
• нитрид бора;
• нитрид индия;
• арсенид алюминия галлия.

Существующие конструкции способны излучать в диапазоне от 100 до 400 нм, в т.н. «ближней области УФ диапазона». Источником является кристалл с p-n переходом, в котором происходит рекомбинация электронов и образование фотонов. Область излучения зависит от материала, использованного при изготовлении данного типа светодиода. Наибольшее распространение получили устройства с максимальной длиной волны — 365-400 нм, они сравнительно дешевы и просты в изготовлении.

История

Круг цветов Ньютона из книги «Оптика» (), показывающий взаимосвязь между цветами и музыкальными нотами. Цвета спектра от красного до фиолетового разделены нотами, начиная с ре (D). Круг составляет полную октаву. Ньютон расположил красный и фиолетовый концы спектра друг рядом с другом, подчёркивая, что из смешения красного и фиолетового цветов образуется пурпурный.

Первые объяснения причин возникновения спектра видимого излучения дали Исаак Ньютон в книге «Оптика» и Иоганн Гёте в работе «Теория Цветов», однако ещё до них Роджер Бэкон наблюдал оптический спектр в стакане с водой. Лишь спустя четыре века после этого Ньютон открыл дисперсию света в призмах.

Ньютон первый использовал слово спектр (лат. spectrum — видение, появление) в печати в 1671 году, описывая свои оптические опыты. Он обнаружил, что, когда луч света падает на поверхность стеклянной призмы под углом к поверхности, часть света отражается, а часть проходит через стекло, образуя разноцветные полосы. Учёный предположил, что свет состоит из потока частиц (корпускул) разных цветов, и что частицы разного цвета движутся в прозрачной среде с различной скоростью. По его предположению, красный свет двигался быстрее чем фиолетовый, поэтому и красный луч отклонялся на призме не так сильно, как фиолетовый. Из-за этого и возникал видимый спектр цветов.

Ньютон разделил свет на семь цветов: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, индиго и фиолетовый. Число семь он выбрал из убеждения (происходящего от древнегреческих софистов), что существует связь между цветами, музыкальными нотами, объектами Солнечной системы и днями недели. Человеческий глаз относительно слабо восприимчив к частотам цвета индиго, поэтому некоторые люди не могут отличить его от голубого или фиолетового цвета. Поэтому после Ньютона часто предлагалось считать индиго не самостоятельным цветом, а лишь оттенком фиолетового или голубого (однако он до сих пор включён в спектр в западной традиции). В русской традиции индиго соответствует синему цвету.

Гёте, в отличие от Ньютона, считал, что спектр возникает при наложении разных составных частей света. Наблюдая за широкими лучами света, он обнаружил, что при проходе через призму на краях луча проявляются красно-желтые и голубые края, между которыми свет остаётся белым, а спектр появляется, если приблизить эти края достаточно близко друг к другу.

Длины волн, соответствующие различным цветам видимого излучения были впервые представлены 12 ноября 1801 года в Бейкеровской лекции Томасом Юнгом, они получены путём перевода в длины волн параметров колец Ньютона, измеренных самим Исааком Ньютоном. Эти кольца Ньютон получал пропусканием через линзу, лежащую на ровной поверхности, соответствующей нужному цвету части разложенного призмой в спектр света, повторяя эксперимент для каждого из цветов. Юнг представил полученные значения длин волн в виде таблицы, выразив во французских дюймах (1 дюйм=27,07 мм), будучи переведёнными в нанометры, их значения неплохо соответствуют современным, принятым для различных цветов. В 1821 году Йозеф Фраунгофер положил начало измерению длин волн спектральных линий, получив их от видимого излучения Солнца с помощью дифракционной решётки, измерив углы дифракции теодолитом и переведя в длины волн. Как и Юнг, он выразил их во французских дюймах, переведённые в нанометры, они отличаются от современных на единицы. Таким образом, ещё в начале XIX века стало возможным измерять длины волн видимого излучения с точностью до нескольких нанометров.

В XIX веке, после открытия ультрафиолетового и инфракрасного излучений, понимание видимого спектра стало более точным.

В начале XIX века Томас Юнг и Герман фон Гельмгольц также исследовали взаимосвязь между спектром видимого излучения и цветным зрением. Их теория цветного зрения верно предполагала, что для определения цвета глаз используются рецепторы трёх различных типов.

Физика возникновения

Поглощение видимого спектра

Нагретое вещество излучает электромагнитные волны (фотоны).
Спектр этого излучения на фоне спектра излучения абсолютно чёрного тела, при достаточной температуре, на определённых частотах имеет ярко выраженные увеличения интенсивности. Причина повышения интенсивности излучения — в электронах, находящихся в условиях квантования энергии. Такие условия возникают внутри атома, в молекулах и кристаллах. Возбуждённые электроны переходят из состояния бо́льшей энергии в состояние меньшей энергии с испусканием фотона. Разница энергий уровней определяет энергию испущенного фотона, и следовательно его частоту в соответствии с формулой:

EΦ=hν{\displaystyle E_{\Phi }=h\nu }

здесь E_ф — энергия фотона, h — постоянная Планка и ν — частота.

Квантование на энергетические уровни зависит от магнитного поля, поэтому от него также зависит спектр излучения (см. Расщепление спектральных линий). Кроме того, сдвиг частоты благодаря эффекту Доплера также приводит к изменению положений линий в спектре движущихся объектов.

От инфракрасных до гамма-лучей

Частоты инфракрасных излучений немного ниже, чем у видимого света. Длины их волн меняются от 1 миллиметра до 750 нанометров. (Нанометр, или нм, — это одна миллионная доля миллиметра.) Все нагретые объекты испускают тепловое инфракрасное излучение, ощущаемое нами как тепло. Видимый свет — эта та малая часть электромагнитного спектра, которую воспринимает глаз. Видимый спектр простирается от красного цвета (770 нм) до фиолетового (400 нм])

Электроны в атоме находятся на разных энергетических уровня, или орбитах. На нижнем уровне — стационарном — электрон имеет наименьшую энергию. Дополнительная энергия заставляет электрон перейти скачком со стационарного уровня (1) на возбужденный (2). При этом атом поглощает электромагнитное излучение с энергией, соответствующей разности разности энергии между этими уровнями. Атом излучает электромагнитные волны, если электрон переходит с более высокого уровня на более низкий.

Энергия, переносимая электромагнитными волнами, растет с уменьшением длинны волны. Невидимые ультрафиолетовые лучи обладают меньшей длиной волны (100-400 нм), чем видимый свет, но несут большие потери энергии и поэтому могут вызвать ожоги.

У рентгеновских лучей длина волны еще меньше. Обычно они меньше диаметра атома (0,1 нм). Они несут столько энергии, что проникают сквозь мягкие ткани и кости.

Советский фильм о рентгеновских лучах 1966 года

В медицинских рентгеновских аппаратах для получения рентгеновских лучей применяются рентгеновские трубки. Нагретая нить испускает электроны, которые разгоняются электрическими полями и попадают на металлическую мишень. При ударе об нее из атомов металла выбиваются электроны. На освободившиеся места падают другие электроны, которые испускают энергию в виде рентгеновских лучей.

Для человека существуют строгие нормы пребывания в зоне рентгеновских лучей в ходе медицинских исследований. Про допустимые дозы облучения и насколько вреден рентген для человека можно прочитать в нашей отдельной публикации. Гамма-лучи обладают огромной энергией и проникающей способностью. Проходя через клетки живых организмов, они повреждают их. Гамма-лучи можно использовать для получения изображений трещин, находящихся глубоко в толще металла.

Классификация спектров.

Все спектры делятся на два основных класса: спектры испускания (или эмиссионные) и спектры поглощения. Каждый класс, в свою очередь, подразделяется на непрерывные (сплошные), полосатые и линейчатые спектры. Поясним эту классификацию на примере видоизмененной схемы опыта Ньютона (которая, заметим, была применена лишь столетие спустя). Основное нововведение в этой схеме состояло в том, что круглое отверстие в ставне было заменено коллиматором – узкой щелью и линзой перед призмой. Вторая линза помещалась за призмой и предназначалась для проецирования спектра на экран, как это делал сам Ньютон в своих более поздних опытах. Если на щель простого спектроскопа (как теперь называется устройство, состоящее из щели, линз и призмы) направить свет от лампы накаливания, то на экране возникает непрерывный спектр со следующим порядком чередования цветов: фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый и красный. Если же щель осветить пламенем, в которое внесена крупинка поваренной соли (хлорида натрия NaCl), то спектр будет фактически состоять из двух близко расположенных ярких желтых линий. Аналогично, если щель осветить красным светом неоновой рекламной трубки, то на экране появится ряд ярких красных линий. Здесь каждая линия – это изображение щели спектроскопа, образованное светом определенной длины волны, а полученный спектр называется линейчатым спектром испускания. Существуют спектры, состоящие из групп линий, расположенных настолько тесно, что каждая группа выглядит как узкий участок непрерывного спектра. Такие спектры называются полосатыми.

Примечания

1. (Принцип максимальности скорости света теории относительности при этом не нарушается, так как скорость переноса энергии и информации — связанная с групповой, а не фазовой скоростью — в любом случае не превышает световой скорости)
2. Также вопросы, связанные с жесткими и сверхжесткими излучениями могут возникать в астрофизике; там иногда они имеют особую специфику, например, генерация излучения может происходить в областях огромного размера.
3. Наиболее фундаментальной, не считая упомянутых выше теорий Стандартной модели, отличия которой от чистой квантовой электродинамики проявляются, впрочем, лишь при очень высоких энергиях.
4. ↑
5. . StudFiles. Дата обращения 24 октября 2017.
6. Структура луча показана условно. Синусоидальность лучей показана условно. Разная скорость света в призме для разных длин волн не показана.
7. Догадки о наличии излучения за пределами видимого спектра высказывались и ранее Гершеля и Риттера, однако они показали это экспериментально.
8. . Всемирная организация здравоохранения (Июнь 2007 г.).
9. . Всемирная организация здравоохранения (Октябрь 2014 г.).

Применение и хозяйственная роль

Сверхдлинные радиоволны пока имеют ограниченное применение, прежде всего из-за сложностей с сооружением огромных антенн, пригодных для работы с СДВ.

Дальняя радионавигация

Панель приёмника А-723 РСДН-20, стоящего на Ту-154Б-2

Для радионавигации самолётов и кораблей, в том числе подводных, находящихся в отдалённых районах, где нет приёма сигналов радиомаяков ближней навигации (приводных радиостанций, VOR и других), в СССР и США созданы радиосистемы дальней навигации (РСДН) — РСДН-20 «Альфа» и CMA-740 «Omega». Обе системы работают на сверхдлинных волнах (частотой 11-15 кГц), излучаемых несколькими передатчиками, стоящими на больших (тысячи километров) расстояниях друг от друга. Приёмник определяет местоположение по разности фаз принятых сигналов — на больших расстояниях проявляется задержка сигнала, несмотря на его скорость ~0,3 млн км/с (скорость света).

Связь с подводными лодками

Самолёт СДВ-связи Ту-142МР в полёте

Основная статья: Связь с подводными лодками

Способность сверхдлинных волн проникать в толщу морской воды находит своё применение при организации дальней связи с подводными лодками. В СССР для этих целей на базе противолодочного самолёта Ту-142МК даже был создан специальный самолёт «Орёл», оборудованный СДВ-радиостанцией Р-826ПЛ «Фрегат» с выпускной тросовой антенной длиной 8,6 км.

Геофизические исследования

Сверхдлинные волны способны обогнуть земной шар, что ценно для исследования состояния разных слоёв атмосферы. Их способность частично проникать в морскую воду и в грунт позволяет использовать их для зондирования.

Паразитное излучение линий электропередачи

Длинные и особенно сверхдлинные воздушные линии электропередачи переменного тока имеют протяжённость, сравнимую с длиной волны для излучения частотой 50 Гц (6000 км, длина четвертьволнового излучателя 1500 км), что делает их своеобразной антенной, в результате чего потерями на излучение уже нельзя пренебречь. Этого недостатка лишены кабельные ЛЭП благодаря внешней заземлённой оплётке, а также ЛЭП постоянного тока. В трёхфазной линии, тем не менее, суммарный по фазам ток, в целом, и во всякий момент времени, близок к нулю: поэтому в первом приближении, типовая трёхфазная ЛЭП тоже не излучает; см. витая пара.

Общие характеристики аквариумного освещения

К основным характеристикам освещения относят мощность, цветовую температуру, коэффициент цветопередачи и световой спектр.

Мощность – это энергия, которая переносится излучением через поверхность в единицу времени. Мощность источников освещения для аквариумов составляет 8-56 Вт.

Цветовая температура ламп для аквариума.

Цветовая температура – параметр, измеряющий восприятие цвета светового потока человеком. По значению этой величины освещение считают теплым, холодным или нейтральным. Синий цвет означает высокую цветовую температуру, красный – низкую.

Цветовая температура оттенков белого света выглядит следующим образом: теплый белый – 3000 К, холодный белый – 5000 К, нейтральный белый – 4000 К. Природную окраску подводных растений способны передавать осветительные приборы с цветовой температурой 6500-8000 К.

Коэффициент цветопередачи – параметр определяет степень соответствия цветов, видимых человеку, с природными цветами. Значения этого коэффициента располагаются в интервале от 0 до 100.

Если он равен 0, то осветительный прибор не передает цветов. Если коэффициент находится в интервале от 91-100, то цвет максимально приближен к исходному.

Световой спектр – видимый человеческим глазом диапазон волн длиной от 380 до 789 нм, которые воспринимаются как различные цвета. Короткие волны в нашем восприятии фиолетового цвета, длинные – красного.

Подбор по объему

Уровень освещения рассчитывается по правилу «ватт на литр». Общую мощность всех световых источников в аквариуме нужно разделить на его объем. Величина 0,1 Вт/л и больше означает, что освещение сильное, 0,25 Вт/л – слабое.

Пример правильно подобранного освещения для большого аквариума.

С активным использованием энергосберегающих технологий указанное правило перестало быть универсальным. Разные осветительные приборы, имея одну и ту же мощность, излучают разное количество света.

Интенсивность освещения

Уровень освещения рассчитывается по правилу «ватт на литр». Общую мощность всех световых источников в аквариуме нужно разделить на его объем. Величина 0,1 Вт/л и больше означает, что освещение сильное, 0,25 Вт/л – слабое.

С активным использованием энергосберегающих технологий указанное правило перестало быть универсальным. Разные осветительные приборы, имея одну и ту же мощность, излучают разное количество света. Поэтому при подборе уровня освещенности вместо ватт стали использовать люмены. Общее число люменов нужно разделить на объем резервуара. Высоким уровнем освещения считается значение более 50 Лм/л, низким – 15-25 Лм/л, средним – 25-50 Лм/л.

Применение

Особенности спектра эмиссии некоторых элементов видимы невооружённым глазом, когда эти вещества, содержащие данные элементы, нагреты. Например, платиновый провод, опущенный в раствор нитрата стронция и затем поднесённый к открытому огню, испускает красный цвет благодаря атомам стронция. Точно так же, благодаря меди пламя становится светло-голубым.

Спектр излучения используется:

• для определения состава материала, так как спектр излучения различен для каждого элемента периодической таблицы Менделеева. Например, идентификация состава звёзд по свету от них.
• для определения химического вещества, совместно с другими методами.
• при изучении астрономических объектов (звёзды, галактики, квазары, туманности):
  • для определения движения объектов и их частей
  • для получения информации о происходящих в них физических процессах
  • для получения информации о структуре объекта и расположении его частей.

Спектральные закономерности в спектре атома водорода.

Каждая частота излучений атома водо­рода составляет ряд серий, каждая из которых образуется в процессе перехода атома в одно из энерге­тических состояний из всех верхних энергетических состояний, то есть состояний с большей энер­гией, используя терминологию спектроскопии — переходов электрона с верхних возбужденных уровней энергии на нижние уровни.

.

На рисунке а) вы можете увидеть переходы на 2-ой возбужденный энергетический уровень, которые составляют серию Бальмера, частоты излучения которой находятся в ви­димой области спектра. Серия имеет название по имени швейцарского учителя И. Бальмера, который еще в 1885 году основываясь на результатах экспериментов вывел формулу для определения частот видимой части спектра водорода:

где n — 3, 4, 5, …;

R — постоянная Ридберга, которая определена из спектральных данных и позже вычисленная основываясь на теории атома Бора.

В этой формуле v — не частота, которая измеряется в с-1, а вол­новое число, которое равно обратному значению длины волны 1/λ и которое измеряется в м-1.

Что бы определить частоты излучения других серий атома водорода вместо двойки в знаменате­ле первой дроби в формуле необходимо подставить числа 1, 3, 4, 5.

Номера нижних энергетических уровней, при переходе на которые с верхних уровней излучаются соответствующие серии:

Полосатые спектры состоят из отдельных полос, которые разделены темными промежутками. При по­мощи весьма хорошего спектрального аппарата можно увидеть, что все полосы состоят из большого числа близко лежащих линий. Полосатые спектры излучают молекулы, которые не связаны либо слабо связаны друг с другом.

Для наблюдения молекулярных спектров, как и для наблюдения линейчатых спектров, применяют свечение паров в пламени либо свечение газового разряда.

Спектры поглощения тоже делятся на 3 типа (сплошные, линейчатые и полосатые), что и спектры испускания. Поглощение света тоже зависит от длины волны. Так, красное стекло пропускает волны, которые соответствуют красному свету (λ ≈ 8 · 10-5 см), и поглощает остальные.

Газ интенсивнее всех поглощает свет тех длин волн, которые он испускает в сильно нагретом состоянии.