Разница между дифракционным и дисперсионным спектром

Чем отличается дифракционный спектр от дисперсионного

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.

Дифракция света

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.

Дифракция света

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.

Дисперсия света

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.

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.

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.

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:

1. В степени отклонения крайних лучей – ультрафиолетового и инфракрасного.
2. В размерах растяжения длины спектра.

Для наглядности все различия между дисперсионным и дифракционным спектрами можно отобразить в виде сводной таблицы: