КАБАРДИН О.Ф. "ФИЗИКА (справочные материалы)", 1991

ГЛАВНАЯ СТРАНИЦА / МЕНЮ САЙТА / СОДЕРЖАНИЕ ДАННОЙ СТАТЬИ

Спектроскоп. Прибор для разложения сложного света и наблюдения спектров называется спектроскопом. Спектроскоп (рис. 285) состоит из двух труб - коллиматорной 1 и зрительной 4, укрепленных на подставке 2, и стеклянной призмы 3 под крышкой. На одном конце коллиматорной трубы имеется щель для выделения узкого пучка света, на другом ее конце - линза для превращения расходящегося пучка света в параллельный пучок. Параллельный пучок света, выходящий из коллиматора, попадает на грань стеклянной призмы. Показатель преломления света зависит от его длины волны; поэтому пучок света, состоящий из волн с разной длиной волны, разлагается на параллельные пучки света разного цвета, идущие по разным направлениям. Линза зрительной трубы фокусирует каждый из параллельных пучков и дает, таким образом, изображение щели (рис. 286). Разноцветные изображения щели образуют разноцветную полосу - спектр.

Рис. 285

Рис. 286

Спектр можно наблюдать через окуляр, используемый в качестве лупы. Если нужно получить фотографию спектра, то фотопленку или фотопластинку помещают в том месте, где получается действительное изображение спектра. Прибор для фотографирования спектров называется спектрографом.

Линейчатые спектры излучения. Наблюдения спектров света, испускаемого нагретыми разреженными атомарными газами, показали, что спектр нагретого вещества в газообразном состоянии состоит из узких линий разного цвета. Такой спектр называется линейчатым спектром излучения. Для получения линейчатого спектра излучения исследуемое вещество нужно нагреть до высокой температуры, достаточной для перевода вещества в газообразное состояние и возбуждения атомов. Обычно для этой цели используют дуговой или искровой разряд.

Линейчатый спектр излучения у каждого химического элемента свой, не совпадающий со спектром ни одного другого химического элемента.

Линейчатые спектры поглощения. Если пучок белого света проходит через вещество в газообразном состоянии, то при разложении пучка света в спектроскопе на сплошном спектре излучения обнаруживаются темные линии. Эти линии называются линейчатым спектром поглощения.

Линии спектра поглощения расположены в тех местах спектра, в которых находятся линии спектра излучения данного химического элемента, когда вещество излучает свет.

Спектральный анализ. Исследование линейчатого спектра вещества позволяет определить, из каких химических элементов оно состоит и в каком количестве содержится каждый элемент в данном веществе.

Количественное содержание элемента в исследуемом образце определяется путем сравнения интенсивности отдельных линий спектра этого элемента с интенсивностью линий другого химического элемента, количественное содержание которого в образце известно.

Метод определения качественного и количественного состава вещества по его спектру называется спектральным анализом.

Спектральный анализ широко применяется при поисках полезных ископаемых для определения химического состава образцов руды. В промышленности спектральный анализ позволяет контролировать составы сплавов и примесей, вводимых в металлы для получения материалов с заданными свойствами.

Достоинствами спектрального анализа являются высокая чувствительность и быстрота получения результатов. С помощью спектрального анализа можно обнаружить в пробе массой 6·10-7 г присутствие золота при его массе всего 10-8 г. Определение марки стали методом спектрального анализа может быть выполнено за несколько десятков секунд.

Спектральный анализ позволяет определять химический состав небесных тел, удаленных от Земли на расстояния в миллиарды световых лет. Химический состав атмосфер планет и звезд, холодного газа в межзвездном пространстве определяется по спектрам поглощения.

Изучая спектры, ученые смогли определить не только химический состав небесных тел, но и их температуру. По. смещению спектральных линий можно определять скорость движения небесного тела.

80. СПЕКТР ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Свойства электромагнитных излучений. Электромагнитные излучения с различными длинами волн имеют довольно много различий, но все они, от радиоволн и до гамма-излучения, одной физической природы. Все виды электромагнитного излучения в большей или меньшей степени проявляют свойства интерференции, дифракции и поляризации, характерные для волн. Вместе с тем все виды электромагнитного излучения в большей или меньшей мере обнаруживают квантовые свойства.

Общим для всех электромагнитных излучений являются механизмы их возникновения: электромагнитные волны с любой длиной волны могут возникать при ускоренном движении электрических зарядов или при переходах молекул, атомов или атомных ядер из одного квантового состояния в другое. Гармонические колебания электрических зарядов сопровождаются электромагнитным излучением, имеющим частоту, равную частоте колебаний зарядов.

Радиоволны. При колебаниях, происходящих с частотами от 105 до 1012 Гц, возникают электромагнитные излучения, длины волн которых лежат в интервале от нескольких километров до нескольких миллиметров. Этот участок шкалы электромагнитных излучений относится к диапазону радиоволн. Радиоволны применяются для радиосвязи, телевидения, радиолокации.

Инфракрасное излучение. Электромагнитные излучения с длиной волны, меньшей 1-2 мм, но большей 8·-7 м, т.е. лежащие между диапазоном радиоволн и диапазоном видимого света, называются инфракрасным излучением.

Область спектра за красным его краем впервые экспериментально была исследована в 1800 г. английским астрономом Вильямом Гершелем (1738-1822). Гершель поместил термометр с зачерненным шариком за красный край спектра и обнаружил повышение температуры. Шарик термометра нагревался излучением, невидимым глазом. Это излучение назвали инфракрасными лучами.

Инфракрасное излучение испускают любые нагретые тела. Источниками инфракрасного излучения служат печи, батареи водяного отопления, электрические лампы накаливания.

С помощью специальных приборов инфракрасное излучение можно преобразовать в видимый свет и получать изображения нагретых предметов в полной темноте. Инфракрасное излучение применяется для сушки окрашенных изделий, стен зданий, древесины.

Видимый свет. К видимому свету (или просто свету) относятся излучения с длиной волны примерно от 8·10-7 до 4·10-7 м, от красного до фиолетового света.

Значение этого участка спектра электромагнитных излучений в жизни человека исключительно велико, так как почти все сведения об окружающем мире человек получает с помощью зрения.

Свет является обязательным условием для развития зеленых растений и, следовательно, необходимым условием для существования жизни на Земле.

Ультрафиолетовое излучение. В 1801 г. немецкий физик Иоганн Риттер (1776-1810), исследуя спектр, открыл, что за его фиолетовым краем имеется область, создаваемая невидимыми глазом лучами. Эти лучи воздействуют на некоторые химические соединения. Под действием этих невидимых лучей происходит разложение хлорида серебра, свечение кристаллов сульфида цинка и некоторых других кристаллов.

Невидимое глазом электромагнитное излучение с длиной волны меньше, чем у фиолетового света, называют ультрафиолетовым излучением. К ультрафиолетовому излучению относят электромагнитные излучения в диапазоне длин волн от 4·10-7 до 1·10-8 м.

Ультрафиолетовое излучение способно убивать болезнетворных бактерий, поэтому его широко применяют в медицине. Ультрафиолетовое излучение в составе солнечного света вызывает биологические процессы, приводящие к потемнению кожи человека - загару.

В качестве источников ультрафиолетового излучения в медицине используются газоразрядные лампы. Трубки таких ламп изготавливают из кварца, прозрачного для ультрафиолетовых лучей; поэтому эти лампы называют кварцевыми лампами.

Рентгеновские лучи. Если в вакуумной трубке между нагретым катодом, испускающим электроны, и анодом приложить постоянное напряжение в несколько десятков тысяч вольт, то электроны будут сначала разгоняться электрическим полем, а затем резко тормозиться в веществе анода при взаимодействии с его атомами. При торможении быстрых электронов в веществе или при переходах электронов на внутренних оболочках атомов (рис. 287) возникают электромагнитные волны с длиной волны меньше, чем у ультрафиолетового излучения. Это излучение было открыто в 1895 г. немецким физиком Вильгельмом Рентгеном (1845-1923). Электромагнитные излучения в диапазоне длин волн от 10-14 до 10-7 м называются ретгеновскими лучами.

Рис. 287

Рентгеновские лучи невидимы глазом. Они проходят без существенного поглощения через значительные слои вещества, непрозрачного для видимого света. Обнаруживают рентгеновские лучи по их способности вызывать определенное свечение некоторых кристаллов и действовать на фотопленку.

Способность рентгеновских лучей проникать через толстые слои вещества используется для диагностики заболеваний внутренних органов человека. В технике рентгеновские лучи применяются для контроля внутренней структуры различных изделий, сварных швов. Рентгеновское излучение обладает сильным биологическим действием и применяется для лечения некоторых заболеваний.

Гамма-излучение. Гамма-излучением называют электромагнитное излучение, испускаемое возбужденными атомными ядрами и возникающее при взаимодействии элементарных частиц.

Гамма-излучение - самое коротковолновое электромагнитное излучение ( ≤10-10 м). Его особенностью являются ярко выраженные корпускулярные свойства. Поэтому гамма-излучение обычно рассматривают как поток частиц - гамма-квантов. В области длин волн от 10-10 до 10-14 м диапазоны рентгеновского и гамма-излучений перекрываются, в этой области рентгеновские и гамма-кванты по своей природе тождественны и отличаются лишь происхождением.

81. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Принцип относительности Эйнштейна. Еще во времена Галилея было установлено, что в любых инерциальных системах отсчета все механические явления протекают одинаково при одинаковых начальных условиях. Это утверждение называется принципом относительности Галилея. Но справедлив ли принцип относительности и для электромагнитных явлений? Ответ на этот вопрос совсем не очевиден.

Рассмотрим такой пример. Пусть от Земли со скоростью в космическом пространстве движется космический корабль. С какой скоростью относительно космонавтов будет распространяться свет от источника, находящегося на Земле? Скорость света в системе отсчета "Земля" равна , тогда как в системе отсчета "корабль", удаляющейся от Земли со скоростью , скорость света по классическому закону сложения скоростей должна быть равна (рис. 288).

Рис. 288

Получается, что скорость распространения света в вакууме зависит от выбора системы отсчета. Это значит, что такое явление, как распространение света в вакууме, происходит неодинаково в разных инерциальных системах отсчета, т.е. принцип относительности неприменим для электродинамических явлений.

Для ответа на вопрос, зависит ли в действительности скорость света от выбора инерциальной системы отсчета, необходимо было произвести соответствующие опыты. Трудность постановки таких опытов связана с тем, что скорость света очень велика - 300000 км/с - в вакууме.

Для обнаружения эффектов, связанных с движением системы отсчета, ее скорость должна быть достаточно большой.

Близкой к инерциальной можно считать систему отсчета, связанную с центром Земли. При движении вокруг Солнца Земля пролетает за 1 секунду 30 километров и при этом из-за большого радиуса орбиты ее траектория отклоняется от прямолинейной всего на 3 миллиметра.

Несмотря на то что скорость движения Земли в 30 раз больше скорости пули, никакие механические опыты не позволяют обнаружить это движение.

После установления электромагнитной природы света ученые предприняли попытки обнаружить факт движения Земли в опытах со световыми волнами.

Американский физик Альберт Майкельсон в 1881 г. выполнил следующий опыт. Луч света от источника (рис. 289) распространялся по направлению движения Земли и проходил через, полупрозрачную пластину , расположенную под углом 46° к направлению распространения луча. Пластина разделяла один луч на два.

Рис. 289

Первый луч распространялся по направлению движения Земли, отражался зеркалом , возвращался к пластине и от нее - к наблюдателю.

Второй луч распространялся в направлении, которое перпендикулярно вектору скорости Земли, отражался от зеркала и от него - к наблюдателю.

Если бы скорость света зависела от скорости движения системы отсчета, то из-за движения прибора вместе с Землей при одинаковой длине, отрезков и время распространения света oт пластины до зеркал и и обратно было бы различным. Предполагаемое различие было бы обусловлено, тем, что в первом случае векторы скорости света и скорости Земли направлены вдоль одной прямой, а во втором угол между векторами скорости равен 90°.

Различие в скоростях распространения света при одинаковых значениях пройденных путей должно приводить к тому, что в лучах 1 и 2, приходящих в точку наблюдения , колебания не будут совпадать по фазе. Разность хода лучей можно определить по наблюдению интерференции световых волн, соответствующих лучам 1 и 2.

Прибор, в котором наблюдается такая интерференционная картина, называется интерферометром Майкельсона.

Изготовление интерферометра с совершенно одинаковыми pacстояниями от пластины до зеркал и является технически неосуществимой задачей, но это не является препятствием для осуществления опыта: Майкельсона.

Пусть расстояния и несколько отличаются друг от друга и интерференционная картина обусловлена не только сложением скоростей, но и различием этих расстояний.

Проведем второй опыт. Ничего не изменяя во взаимном расположении деталей, интерферометр поворачиваем на 90° вокруг вертикальной оси таким образом, чтобы теперь плечо было расположено по вектору скорости Земли, а плечо - перпендикулярно атому вектору. Разность хода лучей из-за неодинаковости плеч и при этом не изменяется, а разность хода, вызываемая сложением скоростей, должна изменить свой знак на противоположный; поэтому наблюдаемая картина интерференции при повороте прибора должна была бы измениться.

Опыты Майкельсона и затем ряда других исследователей показали, что никакого изменения интерференционной картины при повороте интерферометра не происходит.

Отсюда следовало сделать вывод, что скорость света в вакууме постоянна и одинакова во всех инерциальных системах отсчета.

Два опытных факта - постоянство скорости света и независимость законов физики от выбора инерциальной системы отсчета - казались несовместимыми, так как факт постоянства скорости света в разных системах отсчета прямо противоречил классическому закону сложения скоростей.

Выход из сложившегося в физике положения, при котором опытные факты не могли получить последовательного теоретического описания, был найден Альбертом Эйнштейном в 1905 г.

В основу своей теории, названной частной теорией относительности, Эйнштейн положил два постулата, являющихся обобщением опытных фактов:

1. Принцип относительности - любые физические процессы протекают одинаково в различных инерциальных системах отсчета (при одинаковых начальных условиях).

2. Принцип постоянства скорости света - скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника и наблюдателя.

Принцип относительности, распространенный на все физические явления, называется принципом относительности Эйнштейна.

Принятие двух постулатов привело к необходимости коренных изменений в представлениях о свойствах пространства и времени, принятых в физике, до создания теории относительности - классической физики. Явления, описываемые теорией относительности, но не объяснимые с позиций классической физики, называются релятивистскими (от лат. relativus - относительный) явлениями или эффектами.

Релятивистский закон сложения скоростей. Постулат о независимости скорости света от выбора системы отсчета находится в явном противоречии с классическим законом сложения скоростей.

Из двух постулатов теории относительности вытекают как следствия выводы о зависимости длительности интервалов времени и длин отрезков от выбора инерциальной системы отсчета.

Зависимость длительности интервалов времени и длин отрезков от скорости движения системы отсчета приводит к тому, что релятивистский закон сложения скоростей при переходе из одной системы отсчета в другую существенно отличается от классического закона сложения скоростей.

Если тело движется со скоростью в одной системе отсчета, то в другой системе отсчета, относительно которой первая система отсчета движется со скоростью , скорость тела определяется выражением

(81.1)

Зависимость массы тела от скорости. Зависимость свойств пространства и времени от движения системы отсчета приводит к тому, что сохраняющейся при любых взаимодействиях тел является величина

(81.2)

называемая релятивистским импульсом, а не классический импульс.

Классический закон сложения скоростей и классический закон сохранения импульса являются частными случаями универсальных релятивистских законов и выполняются только при значениях скоростей, значительно меньших скорости света в вакууме.

Релятивистский импульс тела можно рассматривать как произведение релятивистской массы тела на скорость его движения. Релятивистская масса тела возрастает с увеличением скорости по закону

(81.3)

где - масса покоя тела; - скорость его движения.

Возрастание массы тела с увеличением скорости приводит к тому, что ни одно тело с массой покоя, не равной нулю, не может достигнуть скорости, равной скорости света в вакууме, или превысить эту скорость.

Закон взаимосвязи массы и энергии. Из экспериментально установленного факта зависимости массы тел от скорости их движения следует, что масса тела и его энергия взаимно связаны.

При любых взаимодействиях изменение полной энергии тела равно произведению изменения массы на квадрат скорости света в вакууме:

. (81.4)

Уравнение (81.4) выражает не что иное, как универсальный закон природы, который называют законом взаимосвязи массы и энергии.

На основании открытия взаимосвязи массы и энергии тела А. Эйнштейн высказал предположение о том, что любое тело, имеющее массу покоя , обладает энергией в соответствии с уравнением

. (81.5)

Эту энергию он назвал энергией покоя или собственной энергией тела.

Полная энергия движущегося тела равна произведению его массы на квадрат скорости света:

. (81.6)

Полная энергия тела складывается из энергии покоя тела и кинетической энергии, поэтому точное релятивистское выражение для кинетической энергии тела имеет следующий вид:

. (81.7)

Гипотеза Эйнштейна о существовании собственной энергии тела подтверждается многочисленными экспериментами. На основе использования закона взаимосвязи массы и энергии ведутся расчеты выхода энергии в различных ядерных энергетических установках.

⇦ Ctrl предыдущая страница / следующая страница Ctrl ⇨

ГЛАВНАЯ СТРАНИЦА / МЕНЮ САЙТА / СОДЕРЖАНИЕ ДАННОЙ СТАТЬИ 

cartalana.orgⒸ 2008-2020 контакт: koshka@cartalana.org