Чем отличается дифракционный спектр от призматического?

Дисперсия и дифракция света

Обновлено: 22 Марта 2021

• Дисперсия света
• Дифракция света

• Дисперсия света
• Дифракция света

Рассказываем, что такое дисперсия и дифракция света и чем отличаются их спектры.

Дисперсия света

Свет в физике и оптике — это электромагнитное излучение, состоящее из волн длиной от 380 до 770 нанометров; волны разной длины мы видим разного цвета. Исаак Ньютон заметил, что показатель преломления при прохождении через прозрачную призму зависит от длины волны: красный и желтый свет, упав на поверхность, отклонятся на разные углы. Частота и скорость света тоже будут отличаться.

Дисперсия — это зависимость показателя преломления и скорости света от длины волны.

1. Волны красного света самые длинные в спектре. У них наименьший показатель преломления и более высокая скорость.
2. Волны фиолетового света самые короткие в спектре. У них наибольший показатель преломления и более низкая скорость.

Это красивое явление мы встречаем довольно часто — в быту, природе и даже на обложке альбома группы Pink Floyd. «Игра света» искусно ограненного бриллианта тоже объясняется дисперсией.

Дифракция света

Прежде нужно напомнить о сопутствующем явлении — интерференции света, которая всегда наблюдается одновременно с дифракцией. При интерференции две когерентные (т.е. частоты которых совпадают, а разность фаз колебания постоянна) световые волны накладываются друг на друга, в результате чего усиливают или ослабляют одна другую.

Дифракция наблюдается при распространении света в среде с резкими неоднородностями. В таких условиях можем увидеть отклонение волн от прямого направления при прохождении рядом с преградой, проще — огибание препятствий световыми волнами. Это оптическое явление встречается с участием предметов любых размеров, но чем меньше объект, тем наблюдение проще.

Как их отличить:

1. Призматический спектр располагается в диапазоне от красного цвета к фиолетовому (в порядке убывания длины волны). Красная часть более сжата, а фиолетовая — растянута.
2. Дифракционный спектр располагается в диапазоне от фиолетового цвета к красному (в порядке возрастания длин волн). Все части равны между собой.

Дифракция проявляется не только для световых, но и для звуковых волн. Мы можем слышать музыку (речь или любые другие звуки) из здания за углом. Это значит, что волна распространяется не только в прямом направлении, но и может «огибать» препятствия. В нашем случае — здание, за которым мы стоим.

Встречая препятствие в виде решетки, световая волна проходит через щели и препятствия, в результате чего разбивается на отдельные пучки когерентных волн — это дифракция. Затем они интерферируют друг с другом. Волны разных длин отклоняются на разные углы — так свет разлагается в спектр.

Формула дифракционной решетки:

Знание разницы между дифракцией и дисперсией — азы изучения оптики. Чтобы написать хорошую работу (неважно, реферат, курсовую или диплом) по физике, нужны более глубокие исследования. С этим всегда помогут наши авторы, поэтому обращайтесь в ФениксХелп.

Чем отличается дифракционный спектр от призматического?

Для начала, следует определить, что из себя представляет каждый спектр, если вы не знакомы со школьным курсом физики, то эта небольшая статья поможет ненадолго почувствовать себя в роли физика.

Дифракционный — вид спектра, когда тот образуется, после прохождения света сквозь дифракционную решетку. При этом, огромное значение имеет сам размер решеток. Чем они меньше, тем существеннее происходит преломление света, в итоге, дифракционный спектр становится ощутимо заметнее.

Призматический, он же дисперсионный спектр, это вид спектра который получаемый в ходе преломлении света радугой, то есть призмой. При этом может существовать лишь единственная цветовая картина. Для простоты понимания, надо всего лишь представить, что дифракция это своеобразное проникновение, а дисперсия в свою очередь, огибание. Осталось только понять, что такое спектр. В публичном понимании, это всего лишь цветная картина, получаемая разложением белого света.

Способы получения и другие отличия

На словах все легко, сразу и не понять, чем же два спектра различаются друг от друга. Многими принято считать что дифракционный и призматические спектры практически ни чем не отличаются, кроме как способом получения, однако это глубокое заблуждение, так как на деле, количество отличий и не получится даже сложить на пальцах.

Да, в первую очередь, как уже говорилось, это способ получения, дифракционный спектр можно получить в результате контакта света, и вышесказанной, дифракционной решетки, таким образом, наблюдается спектр света, падающий непременно на решетку. Призматический (дисперсионный) в свою очередь, получается путем прохождения лучей через призму.
Оба спектра распространяются по разному, например, дифракционный равномерно по всем направлениям, в то время как призматический, растягивается исключительно в фиолетовом сегменте, и сжимается в красном, при этом распространяюсь с красного к фиолетовому.

Так же, уместным отличием спектров, является степень разряженности, отклонение лучей (красных и фиолетовых) а также степень растяжения спектра, относительно данных лучей.

Как уже говорилось, в призматическом спектре, может существовать лишь одна единственная цветовая картина, в то время как в дифракционном их может быть несколько, это одно из главных отличий, которому в старших классах школы, на уроках физики, обучают в первую очередь.

Порядок спектра, это еще одно отличие, ведь при дифракции, можно наблюдать не два, и не три, порядков спектра. А при дисперсии, всего лишь одну.

Как отличить спектры?

Да, на взгляд сложно определить, где дифракционный, а где призматический спектр. Ведь на деле мы получаем практически идентичную картину, в форме цветных полос. Но и тут их можно различить, при дифракции данные полосы получаются темного и светлого оттенка, а если источником служит монохромный свет, то и вовсе в виде цветов, как например при призматическом спектре, который напрочь состоит из цветов радуги.

Применение и примеры

Самый простой пример, применения дифракционных спектров, компакт-диски. Собственно, в своем понимании, они представляют, отражательную дифракционную решеточку, такую же, какую например CD-R или DVD. Так же дифракционный спектр, применяют непосредственно в спектральных приборах, фильтрах ультра красных излучений, антибликовых очках и в оптических датчиках.

Намного хуже обстоят дела у призматического спектра, человечество не нашло им достойного применения, ну разве что в искусстве, однако ее нашла природа.

Самым ярким примером служит закат, как результат, разложение света в недрах земной атмосферы и удивительно приятная картина. Еще не менее важным примером, конечно же можно привести радугу, о чем уже и была речь. Это не единственные моменты, когда можно заметить дисперсию, всегда есть возможность наблюдать радужные эффектны, когда свет проходит через прозрачные материалы, будь то хоть стеклянный бокал, или грань бриллианта.

Держа в руках алмаз, можно увидеть все прелести призматического спектра. Как результат, довольно частое использование дисперсии в искусстве. Так же, очень часто можно наблюдать разложение спектра, на разных открытках, наклейках, магнитах и т.д. Когда при наклонении головы, из одного изображения получается второе. Конечно это не все способы использования данного спектра, так как пределу использования дисперсии нет, и дальше это чистое воображение и креативность.

Призматические и дифракционный спектры , их сравнения

Рассмотрим дисперсию света в призме. Пусть монохроматический пучок света падает на призму с преломляющим углом и показателем преломления под углом . После двукратного преломления луч оказывается на отклоненным от первоначального направления на угол :

+ где + и — будет равно : ,т.е угол отклонения лучей призмой тем больше, чем больше преломляющий угол призмы. Угол отклонения лучей призмы зависит от величины , а — функция длины волны, поэтому лучи разных длин волн после прохождения призмы окажутся отклоненными на разные углы.

Распределение интенсивности на экране, получаемое вследствие дифракции (дифракционный спектр)

сужение щели приводит к тому, что центральный максимум расплывается, а интенсивность уменьшается (это, естественно, относится и к другим максимумам). Наоборот, чем щель шире (а > l), тем картина ярче, но дифракционные полосы уже, а число самих полос больше. При а ≫l в центре получается резкое изображение источника света, т. е. имеет место прямолинейное распространение света.

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 в призме происходит по значениям показателя преломления, поэтому для определения длины волны света надо знать зависимость n = ¦(l) .

2. Составные цвета в дифракционном и призматическом спектрах располагаются различно. Из 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 же разлагает лучи в спектр по значениям показателя преломления, который для всех прозрачных веществ с увеличением длины волны уменьшается. Поэтому красные лучи отклоняются призмой слабее, чем фиолетовые.

studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2021 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.002 с) .

Ответы на любые вопросы

• Разные способы разложения света на спектр
• Наибольший порядок спектра дифракционной решетки
• Простой способ вычисления максимального порядка спектра
• Ширина дифракционного спектра
• Разница между спектрами
• Видео: различия дифракционного и дисперсионного спектра

Школьный курс физики кажется совсем не сложным, понятным и достаточно интересным. Не так уж трудно объяснить на уроке учителю, чем отличается дифракционный спектр от дисперсионного, и получить хорошую оценку. Но когда речь идет о физике в высших учебных заведениях, все резко усложняется. Некоторые задачки могут заставить провести за их решением не одну бессонную ночь.

Разные способы разложения света на спектр

И дифракция и дисперсия представляют собой разложение светового луча на составляющие, но всегда есть свои нюансы:

Дифракционный спектр

Дисперсионный спектр

Получается в результате контакта света и дифракционной решетки.

Можно добиться во время прохождения луча через призму.

Равномерно распространяется во всех направлениях.

Растянут в фиолетовом направлении, а в сторону красного – сжат.

Направление цветов в спектре идет от фиолетового цвета к красному.

Распространяется от красного к фиолетовому цвету.

Опыт с дисперсией многие видели на уроках физики. Для этого достаточно было направить луч на призму, рядом с которой находился простой альбомный лист. И обычный солнечный свет или направленный луч из фонарика раскладывался на все цвета радуги.

Но при этом, красный цвет занимал на листе совсем немного места, ширина остальных цветов увеличивалась, по направлению к фиолетовому. Именно он занимал значительную часть всего спектра.

Наибольший порядок спектра дифракционной решетки

Оптика это точная наука, которая требует логического мышления и верных расчетов. Некогда физики вывели формулу, которой мы можем пользоваться, по сей день:

В этом сложном, но только на первый взгляд, равенстве, искомой величиной является k – порядок спектра:

• λ – длина волны света, падающего на решетку.
• φ – угол дифракции.
• ά – угол падения на решетку световой волны.
• đ – период решетки.

Из этого равенства можно вывести интересующую нас формулу, для определения максимального порядка спектра. Для этого достаточно правую часть равенства поделить на длину световой волны, при этом синус угла дифракции можно заменить единицей, для простоты вычисления.

Часть из необходимых для вычисления величин – постоянная, так что никаких проблем возникнуть не должно. Главное, не запутаться в подсчетах.

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.

Ширина дифракционного спектра

На опыте с призмой вы могли понаблюдать за неоднородностью и шириной спектра. Этот параметр имеет огромное значение в оптике, особенно когда речь идет о дифракционном спектре. Дело в том, что в отличие от дисперсионного он не сжат ни в одном направлении, все оттенки представлены равномерно и ширина зависит только от показателей самой решетки, с помощью которой и проводится разложение луча на спектр. В то время как значения ширины дисперсионного спектра зависит от длины волны. В дифракционной решетке:

1. Есть прозрачные штрихи.
2. Есть непрозрачные промежутки.
3. Сумма их длин является периодом решетки.
4. Получить это значение можно поделив единицу на количество штрихов на единицу длины решетки.

Интересующая нас ширина спектра находится в обратной зависимости от периода решетки, который уже фигурировал в предыдущих формулах. Только теперь чем меньше этот период, тем больше ширина.

Если вернуться к определению максимального порядка, можно заметить, что с увеличением значения периода решетки возрастал и порядок. Из этого, чисто логически, несложно сделать еще один вывод – ширина дифракционного спектра и его максимальный порядок находятся в обратной взаимосвязи.

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.

• 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.

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

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 n₀ 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

= mN₀ , (176)

где N₀ –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

,