Экспериментальное задание 22.1, страница 101 - гдз по физике 9 класс учебник Кабардин

Экспериментальное задание 22.1

Работаем в группе

Наблюдение линейчатого спектра излучения

Оборудование: лазерный диск, люминесцентная лампа.

Включите лампу дневного света. Используя лазерный диск в качестве спектрального прибора, встаньте на расстоянии 2–3 м от люминесцентной лампы. Расположите диск так, чтобы изображение лампы было в центре диска. Медленно поворачивайте диск вокруг диаметра, параллельного трубке лампы, перемещая изображение лампы от центра диска к его краю. Когда белое изображение скроется за краем диска, у центра диска появится сначала фиолетовая полоса спектра, затем голубая, зелёная, жёлтая, красная линии (рис. 22.5).

Рис. 22.5

Решение

В данном эксперименте предлагается наблюдать разложение света от люминесцентной лампы в спектр с помощью обычного лазерного диска (CD/DVD). Этот эффект объясняется физическими явлениями дифракции и дисперсии света.

Лазерный диск выступает в роли отражательной дифракционной решётки. Его поверхность покрыта спиральной дорожкой с очень мелкими, близко расположенными бороздками. Расстояние между соседними бороздками (период решётки $\text{d}$) сопоставимо с длиной волны видимого света. Когда свет от лампы падает на диск, он отражается от этой структурированной поверхности и дифрагирует — отклоняется от прямолинейного распространения. Угол отклонения зависит от длины световой волны.

Белый свет люминесцентной лампы является сложным, то есть состоит из волн разной длины, которые глаз воспринимает как разные цвета. Связь между углом дифракции $\theta_k$, длиной волны $\lambda$ и периодом решётки $\text{d}$ для максимумов яркости описывается формулой дифракционной решётки:

$d \sin(\theta_k) = k \lambda$

Здесь $\text{k}$ — целое число ($0, 1, 2, ...$), называемое порядком спектра. Для $k=0$ все волны отражаются в одном направлении, создавая белое изображение лампы (нулевой максимум). Для $k=1$ (первый порядок спектра) и других ненулевых значений $\text{k}$, угол $\theta_k$ оказывается разным для разных длин волн.

В видимой части спектра фиолетовый свет имеет наименьшую длину волны (около 400 нм), а красный — наибольшую (около 700 нм). Согласно формуле, чем больше длина волны $\lambda$, тем больше синус угла дифракции $\sin(\theta_k)$, и, следовательно, сам угол $\theta_k$. Поэтому красный свет отклоняется на самый большой угол, а фиолетовый — на самый малый. Остальные цвета (голубой, зелёный, жёлтый) располагаются между ними в строгом соответствии с их длинами волн. Это и объясняет наблюдаемый порядок цветов в спектре, как на рис. 22.5.

Спектр люминесцентной лампы называется линейчатым, потому что он состоит из отдельных ярких линий, а не является сплошным, как у Солнца. Это связано с принципом работы лампы: электрический разряд возбуждает атомы паров ртути, которые испускают ультрафиолетовое излучение. Это излучение заставляет светиться люминофор — специальное покрытие на стенках колбы. Атомы люминофора могут излучать свет только на строго определённых, дискретных длинах волн, что и приводит к появлению в спектре отдельных цветных линий.

Ответ:

Наблюдаемое явление — это разложение света от люминесцентной лампы в спектр вследствие дифракции на поверхности лазерного диска, который действует как отражательная дифракционная решётка. Свет разных цветов (с разной длиной волны) отклоняется на разные углы: фиолетовый (самая короткая волна) — на наименьший угол, красный (самая длинная волна) — на наибольший. Это приводит к появлению радужной последовательности цветов. Спектр является линейчатым, так как свет в лампе излучается возбуждёнными атомами люминофора, которые испускают фотоны только на определённых, характерных для них, дискретных длинах волн.