Чем отличается дифракционный спектр от дисперсионного

Дисперсия света

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.

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.

Разница между спектрами

Чтобы выделить различия дисперсионного и дифракционного спектра, необходимо понять, что каждый из них собой представляет. Дисперсионный:

Появляется в результате разложения луча света на составляющие, после прохождения через призму.
Распространяется от красного цвета к фиолетовому.
Спектр сжат в том же направлении, наименьшей шириной обладает красный диапазон, наибольшей – фиолетовый.
Может существовать только одна цветная картинка.

Дифракционный:

Получается в результате попадания света на дифракционную решетку.
Идет в обратном порядке, от фиолетового к красному цвету.
Спектр равномерен на всем своем протяжении.
Может быть несколько цветных картинок.

Вот и основные четыре различая, позволяющие понять, что представляют собой оба спектра. Хоть названия и немного созвучны, но в их основе лежат абсолютно разные принципы, так что не стоит путать эти понятия.

Со знания, чем отличается дифракционный спектр от дисперсионного спектра, можно начать изучение оптики. Перспективы этой дисциплины недооценены, так что исследователей ждет гарантированная занятость в будущем, а может быть и серьезные открытия.

Видео: различия дифракционного и дисперсионного спектра

В этом видео ученый-физик Денис Логачев проведет урок, в котором расскажет об отличии дифракционного спектра от дисперсионного, мы узнаем, что такое дифракционная решетка:

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.

Формирование дифракционного спектра

Дифракционный спектр формируется при прохождении света через периодическую структуру или при отражении от поверхности с периодическими отражающими элементами. Этот процесс основан на принципе интерференции волн.

Периодическая структура может быть создана различными способами, включая решетки, сетки, фазовые решетки и голограммы. Когда падающая волна встречает периодическую структуру, происходит дифракция, результатом которой является интерференционная картина.

Дифракционный спектр характеризуется пространственным распределением интенсивности отраженного или прошедшего через периодическую структуру света. Эта интенсивность зависит от длины волны света, угла падения и параметров периодической структуры.

В дифракционном спектре наблюдаются световые полосы или пики в зависимости от характеристик периодической структуры. Эти полосы представляют собой интерференционные максимумы или минимумы, в которых интенсивность света усиливается или ослабляется соответственно.

Факторы, влияющие на формирование дифракционного спектра:	Влияние
Длина волны света	Определяет полосы спектра и их расстояние от центра
Угол падения	Может изменять распределение интенсивности в спектре
Период и параметры периодической структуры	Определяют положение и форму полос в спектре

Формирование дифракционного спектра является важным явлением в физике и оптике. Оно находит применение в различных областях, включая измерительную технику, спектроскопию и визуализацию периодических структур. Понимание различий между дифракционным спектром и дисперсным спектром позволяет получить более полное представление о поведении света при взаимодействии с периодическими структурами.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

На дифракционную решетку падает перпендикулярно ее плоскости свет с длиной волны равной =600 нм, период решетки равен м. Каков наибольший порядок спектра? Чему равно число максимумов в данном случае?

Решение

Основой для решения задачи служит формула максимумов, которые получают при дифракции на решетке в заданных условиях:

Максимальное значение m получится при

Проведем вычисления, если =600 нм=м:

Количество максимумов (n) будет равно:

Ответ

=3;

ПРИМЕР 2

Задание

На дифракционную решетку, перпендикулярно ее плоскости падает монохроматический пучок света, имеющий длину волны . На расстоянии L от решетки находится экран, на нем с помощью линзы формируют спектральную дифракционную картину. Получают, что первый главный максимум дифракции расположен на расстоянии x от центрального (рис.1). Какова постоянная дифракционной решетки (d)?

Решение

Сделаем рисунок.

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.

Особенности дифракционного спектра

Во-первых, дифракционный спектр образуется в результате интерференции, то есть взаимного усиления или ослабления световых волн. Поэтому он имеет полосы различной яркости, которые периодически повторяются. Это создает уникальный и красочный образец, который отличается от равномерно разбросанного спектра в призматическом спектре.

Во-вторых, дифракционный спектр может быть создан не только одной преградой, но и несколькими преградами, например, решеткой, щелью или шероховатой поверхностью. Это дает возможность получать более сложные и уникальные спектры с дополнительными интерференционными полосами.

В-третьих, дифракционный спектр зависит от длины волны света и размеров преграды. Длина волны определяет цветную составляющую спектра, а размер преграды влияет на ширину и интенсивность полос спектра. Это делает дифракционный спектр более связанным с физическими свойствами и параметрами использованных преград, что позволяет исследовать их с точки зрения дифракционных явлений.

В-четвертых, дифракционный спектр обладает большей разрешающей способностью по сравнению с призматическим спектром. Это связано с более сложным процессом формирования спектра и наличием интерференции между световыми волнами. Такая высокая разрешающая способность делает дифракционный спектр более предпочтительным при изучении детальной структуры света и взаимодействия с преградами.

Таким образом, дифракционный спектр отличается от призматического спектра своими особенностями интерференции, возможностью формирования сложных спектров, зависимостью от физических свойств преград и более высокой разрешающей способностью.

Дисперсия света

Дисперсией света называется зависимость показателя преломления n вещества от частоты n (длины волны l) света или зависимость фразовой скорости v распространения световых волн от частоты n: n = f(l).

Следствием дисперсии является разложение в спектр пучка белого света при прохождении его через призму. Рассмотрим дисперсию света в призме.

Пусть монохроматический пучок света падает на призму с преломляющим углом А и показателем преломления n (под углом a₁). После двукратного преломления (на левой и правой гранях призмы), луч

оказывается отклоненным от первоначального

направления на угол j. Из рисунка 51 следует,

что

Преобразуя это выражение можно показать, что

(173)

т.е. угол отклонения тем больше, чем больше преломляющий у призмы. Из выражения (173) вытекает, что угол отклонения лучей призмой зависит величины (n-1) а n — функция длины волны, поэтому лучи разных длин волн после прохождения призмы окажутся отклоненными на разные углы, т. е. пучок белого света за призмой разлагается в спектр, что и наблюдалось Ньютоном. Таким образом, с помощью призмы, так же как и с помощью дифракционной решетки, свет разлагается в спектр и можно определить его спектральный состав.

Рассмотрим различия в дифракционном и призматическом спектрах.

1. Дифракционная решетка разлагает падающий свет непосредственно по длинам волн, поэтому по измеренным углам (по направлениям соответствующих максимумов) можно вычислить длину волны. Разложение света в спектр призмой происходит по значениям показателя преломления, поэтому для определения длины волны света надо знать зависимость n = f(l).

2. Составные цвета в дифракционном и призматическом спектрах располагаются различно. Из формулы (166) следует, что в дифракционной решетке синус угла отклонения пропорционален длине волны. Следовательно, красные лучи, имеющие большую длину волны, чем фиолетовые, отклоняются дифракционной решеткой сильнее. Призма разлагает лучи в спектр по значениям показателя преломления, который для всех прозрачных веществ с увеличением длины волны уменьшается (рисунок 51). Поэтому красные лучи отклоняются призмой слабее, чем фиолетовые.

3. Дифракционные спектры равномерные, дисперсионные – нет.

4. Дифракционные решётки дают несколько порядков спектра, призма даёт спектр одного порядка.

Величина , называется дисперсией вещества; она показывает, как быстро изменяется показатель преломления с длиной волны. Из рис. 52 следует, что показатель преломления для прозрачных веществ с уменьшением длины волны увеличивается; следовательно, величина по модулю также увеличивается с уменьшением l. Такая дисперсия называется нормальной.

Рисунок 52

На явлении нормальной дисперсии основано действие призменных спектрографов. Ход кривой n(l) вблизи полос поглощения будет иным: n уменьшается с уменьшением l. Такой ход зависимости n от l называетсяаномальной дисперсией. Участок аномальной дисперсии изображён на рисунке 53. Участки аномальной дисперсии наблюдаются вблизи резонанса, когда частота падающего света n приближается к одной из частот собственных колебаний n электрических колебаний в веществе. Наблюдение аномальной дисперсии позволяет определять собственные частоты колебаний атомов и определять энергетические уровни электронов в атомах.

Рисунок 53

Основными характеристиками любого спектрального аппарата являются дисперсия и разрешающая сила.

; (174)

, (175)

где dj – угловое расстояние между спектральными линиями, отличающимися по длине волны на dl, а dl – линейное расстояние между теми же линиями.

Чтобы найти угловую дисперсию дифракционной решетки продифференцируем условие главного максимума слева по j, а справа по l.

при небольших углах cosj » 1, и

= mN, (176)

где N –число щелей, приходящихся на единицу длины. Из формулы (176) следует, чточем выше порядок спектра, тем больше дисперсия.

При небольших j:

j d l = f ’ dj и D_лин = f ’ D,

где f ’ –фокусное расстояние линзы. Возможность разрешения (т.е. раздельного восприятия) двух близких спектральных линий зависит не только от

расстояния между ними ( определяется дисперсией прибора), но также и от ширины спектрального максимума. Согласно критерию, предложенному Рэлеем, спектральные линии считаются полностью разрешенными, если середина одного максимума совпадает с краем другого. В этом случае минимум между линиями составляет около 80% от максимумов (рисунок 54 а).

где — наименьшая разность двух близких по длине волны спектральных линий, которые в спектре решётки воспроизводятся ещё раздельно или, как говорят, разрешаются решеткой. Для дифракционной решетки

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

Решение

Максимальное значение m получится при

Проведем вычисления, если =600 нм=м:

Количество максимумов (n) будет равно:

Ответ

=3;

ПРИМЕР 2

Задание

Решение

Сделаем рисунок.

Дисперсионный спектр

Дисперсионный спектр относится к разложению света на составляющие его цвета в зависимости от их длины волны. Когда белый свет проходит через призму, он отклоняется на разные углы в зависимости от длины волны. Таким образом, на экране образуется спектр, состоящий из всех цветов радуги — от красного до фиолетового. Дисперсионный спектр представляет собой непрерывный спектр, где каждый цвет имеет свое место в зависимости от его дисперсии или способности поглощать и излучать свет определенной длины.

Взаимосвязь между дифракционным и дисперсионным спектрами

Основное сходство между дифракционным и дисперсионным спектрами заключается в том, что оба феномена объясняются интерференцией — явлением, которое происходит при перекрестном взаимодействии волн. Каждый спектр образуется вследствие интерференции световых волн, как падающих, так и отраженных, прошедших через решётку или призму.

Каким образом получается дифракционный спектр?

Дифракционный спектр получается при дифракции света на преграде или дифракционной решетке. При прохождении через преграду или решетку, свет распространяется в виде волн, которые интерферируют друг с другом. Это приводит к образованию интерференционной картины, которая и является дифракционным спектром.

Однако дифракционный и дисперсионный спектры имеют и некоторые отличия. Главное отличие между ними заключается в том, как они формируются и как выглядят в световом спектре.

— Дифракционный спектр образуется в результате взаимодействия света с дифракционной решёткой. Он представляет собой σ центральную яркую точку (нулевой порядок) и параллельные полосы (порядка третьего, четвертого и так далее). Цвет каждой полосы зависит от длины волны падающего света и характеристик решетки.

— Дисперсионный спектр образуется в результате преломления белого света в призме. Он представляет собой непрерывный спектр всех цветов радуги от красного до фиолетового. Каждый цвет имеет свою позицию в спектре, определенную его длиной волны.

Итак, дифракционный и дисперсионный спектры имеют общую основу — интерференцию световых волн. Однако они формируются разными способами и имеют различное визуальное представление на экране.

Сравнение

Главное отличие дифракционного спектра от дисперсионного заключается в том, что первый спектр образуется в результате прохождения света через узкие отверстия (и иные не препятствующие прохождению лучей области между некоторыми близко расположенными объектами), а второй – в результате его преломления (например, вследствие прохождения через призму).

Также между рассматриваемыми спектрами могут наблюдаться различия с точки зрения:

отклонения красных и фиолетовых лучей;
степени растяжения спектра;
степени растяжения спектра относительно красных и фиолетовых лучей.

Более наглядно отобразить то, в чем разница между дифракционным и дисперсионным спектром заключается с точки зрения отмеченных параметров, нам поможет небольшая таблица.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Дифракционным спектром
называют распределение интенсивности на экране, которое получается в результате дифракции.

При этом основная часть световой энергии сосредоточена в центральном максимуме.

Если в качестве рассматриваемого прибора, при помощи которого осуществляется дифракция, взять дифракционную решётку, то из формулы:

(где d – постоянная решетки; – угол дифракции; – длина волны света; . – целое число), следует, что угол под которым возникают главные максимумы связан с длиной волны падающего на решетку света (свет на решетку падает нормально). Это означает, что максимумы интенсивности, которые дает свет разной длины волны, возникают в разных местах пространства наблюдения, что дает возможность применять дифракционную решетку как спектральный прибор.

Если на дифракционную решетку падает белый свет, то все максимумы за исключением центрального максимума, раскладываются в спектр. Из формулы (1) следует, что положение максимума го порядка можно определить как:

Из выражения (2) следует, что с увеличением длины волны, расстояние от центрального максимума до максимума с номером m увеличивается. Получается, что фиолетовая часть каждого главного максимума будет обращена к центру картины дифракции, а красная область наружу. Следует вспомнить, что при спектральном разложении белого света фиолетовые лучи отклоняются сильнее, чем красные.

Дифракционную решетку применяют как простой спектральный прибор, с помощью которого можно определять длину волны. Если известен период решетки, то нахождение длины волны света сведется к измерению угла, который соответствует направлению на избранную линию порядка спектра. Обычно используют спектры первого или второго порядков.

Следует отметить, что дифракционные спектры высоких порядков накладываются друг на друга. Так, при разложении белого света спектры второго и третьего порядков уже частично перекрываются.

Как формируется дисперсный спектр?

Дисперсный спектр формируется при прохождении света через прозрачные или преломляющие среды, такие как призмы или градиентные решетки. При взаимодействии световых волн с такими средами происходит изменение их скорости и направления распространения. Эффект дисперсии возникает из-за различной зависимости показателя преломления от длины волны света.

Когда свет проходит через прозрачную среду, различные компоненты спектра (волны различной длины) преломляются под разными углами и распространяются по разным направлениям. Это приводит к разделению и расширению спектра. Широта дисперсии зависит от показателя преломления среды и формы оптического элемента, через который происходит прохождение света.

Одним из примеров формирования дисперсного спектра является прохождение света через призму. Призма служит для разложения света на составляющие его длины волн. При попадании на призму свет разной длины волны преломляется под разными углами, создавая спектральную разделенность. Это явление известно как дисперсия света.

Другой способ формирования дисперсного спектра — использование градиентной решетки. Градиентная решетка состоит из градиентно изменяющихся параллельных щелей или полосок, которые пропускают свет через них. Когда свет проходит через решетку, он преломляется и интерферирует между отдельными элементами решетки. Это приводит к появлению интерференционных полос и разделению спектра на компоненты различной длины волны.

Таким образом, дисперсный спектр формируется благодаря физическим явлениям, связанным с преломлением и интерференцией света в прозрачных средах. Применение призм и градиентных решеток позволяет исследовать и анализировать свет по его длине волны, что находит применение в различных областях науки и техники.

Дисперсия

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.

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.

Что такое дифракционный спектр?

Дифракционные спектры могут быть различных типов в зависимости от объекта или призмы, на которых происходит дифракция. Например, дифракционный спектр от одной щели будет иметь форму синусоидальной кривой, называемой дифракционной кривой. При дифракции на решетке возникают несколько параллельных спектральных линий, отображающих различные длины волн света.

Дифракционный спектр является очень полезным инструментом для изучения свойств света. Он позволяет анализировать состав света, определяя его спектральный состав, а также изучать оптические свойства различных материалов. Дифракционные спектры применяются в физике, химии, астрономии и других областях науки.

Простой способ вычисления максимального порядка спектра

А еще у физиков есть более простой способ определения максимального порядка
. Для формулы можно использовать значения из предыдущего равенства. Только в этот раз исходных данных будет гораздо меньше, а сами расчеты можно представить в виде:

Как несложно понять, искомое значение напрямую зависит от периода решетки и длины волны
. Синусы мы благополучно откинули, а максимальный порядок выразили в виде m.

На деление двух чисел сложно потратить больше минуты, так что любая задача на оптику, в которой требуется лишь определить значение порядка, не займет так уж много времени. Но чаще всего это вычисление – только первый шаг на пути к поиску ответа на более сложный вопрос.

Если разобраться в вопросе и вникнуть в суть понятия, формула кажется предельно логичной. Проще всего решать задачу с белым светом, ведь в таком случае длина волны одинакова для всего светового потока.

А теперь представьте, что в потоке несколько оттенков, которые, конечно же, имеют разную длину
. Задача несколько усложняется, на вычисления уйдет больше времени. А так уж вышло, в реальной жизни, что волны исключительно белого света встречаются крайне редко.

Принципы формирования спектров

Дифракционный спектр формируется при дифракции света на определенной периодической структуре, такой как решетка или периодическая щель. Дифракционный спектр представляет собой набор дифракционных максимумов и минимумов, которые образуются из-за интерференции волн, прошедших через периодическую структуру и совмещенных в определенном направлении.

При дифракции света на решетке, например, свет проходит через решетку и создает дифракционные максимумы в определенных направлениях. Расположение и интенсивность этих максимумов зависят от ширины щели, расстояния между решетками и длины волны света. Это позволяет использовать дифракционные спектры для определения свойств исследуемых объектов.

Дисперсионный спектр формируется при дисперсии света, то есть его разложении на составляющие по длине волны. Дисперсию можно наблюдать, например, при прохождении света через призму или полупрозрачную среду разной плотности. При этом свет разделяется на различные длины волн, образуя спектр. В дисперсионном спектре различные длины волн представлены различными цветами или полосами, от самых коротких к самым длинным.

Дифракционный и дисперсионный спектры отличаются принципами образования и свойствами. Тогда как дифракционный спектр формируется при дифракции света на периодической структуре, дисперсионный спектр связан с разложением света на составляющие длины волн. Дифракционные спектры могут быть узкими и многократными, в то время как дисперсионные спектры широкие и непрерывные.

Важно отметить, что как дифракционные, так и дисперсионные спектры играют важную роль в анализе света и позволяют получить информацию о его составе, длине волны и других свойствах