Източници на светлина

1. Видове спектри. Спектрален анализ

    Когато градивните частици на едно вещество бъдат възбудени, т.е. погълнат енергия (например чрез нагряване, чрез бомбардиране с други частици, чрез поглъщане на електромагнитни вълни и др.) те излъчват електромагнитни вълни с различни честоти. Тези честоти се определят от вида на излъчващите атоми и молекули, а също от състоянието на веществото (газ, течност, кристал и др.).

    Зависимостта на интензитета на излъчените електромагнитни вълниот тяхната честота се нарича спектър на излъчване (емисионен спектър)

    Според състоянието на веществото спектрите на излъчване биват три вида:

  • линейни спектри   

    Ако насочим спектроскоп към нагрят до висока температура разреден атомарен газ, ще установим, че неговият спектър на излъчване е съставен само от тесни линии с различни цветове, разделени от тъмни участъци (фиг. 7-1).

    Когато атомите практически не взаимодействат помежду си, те излъчват спектри, които се състоят от отделни спектрелни линии и затова се наричат линейни спектри.

Фиг. 7-1. Снимка: https://www.spectrum.pm-co.net

    Всеки химичен елемент има характерен линеен спектър, който се различава от спектрите на всички останали елементи. На това различие се основава спектралният анализ - метод за определяне химичния състав на веществото по неговия спектър. Така, както по отпечатъците на пръстите може да се установи самоличността на всеки човек. по подобен начин по спектъра на излъчване може да се открие присъствието на даден елемент в състава на сложно вещество, дори когато концентрацията му е извънредно малка.

  • ивични спектри

   Когато разреденият газ се състои от молекули, спектърът на излъчването му е ивичен: съдържа не отделни линии, а по-широки ивици.

    Ивичните спектри се излъчват от молекули, които практически не взаимодействат помежду си. При увеличаване плътността на газа взаимодействието между неговите атоми (молекули) става съществено, което води до постепенно разширяване на спектралните линии (ивици). При голямо налягане на газа отделните ивици се припокриват и спектърът на излъчване става непрекъснат.

  • непрекъснати спектри

    Ако наблюдаваме със спектроскоп спектъра на лампа с нагреваема волфрамова жичка, ще видим разноцветна ивица от преливащи се цветове.

    Твърдите тела и течностите излъчват спектри, които съдържат вълни с всички възможни дължини от оптичния диапазон, поради което такива спектри се наричат непрекъснати спектри (фиг. 7-2).

Фиг. 7-2. Снимка: https://astronomy4all.com

    Причината за непрекъснатостта на спектъра е, че градивните частици на течностите и твърдите тела взаимодействат силно помежду си, което се дължи на малките разстояния между тях. В резултат на това взаимодействие спектралните линии, характерни за изолираните атоми, се разширяват, припокриват и обхващат целия оптичен диапазон.

 

    Веществата не поглъщат по еднакъв начин светлинни вълни с различни дължини. Например стъклото е прозрачно за видимата светлина, но силно поглъща ултравиолетовите лъчи.

    Атомите на даден химичен елемент поглъщат електромагнитни вълни с честоти (дължини на вълната), каквито самите те излъчват при възбуждане (фиг. 7-3 ).

Фиг. 7-3. Снимка: https://www.abritvs.com

    Такова поглъщане на електромагнитно лъчение с определени честоти се наблюдава в спектъра на Слънцето. Ярката повърхност на Слънцето излъчва непрекъснат спектър. При преминаване на лъчението през относително по-хладната слънчева атмосфера част от вълните се поглъщат. На фона на непрекъснатия спектър наблюдателите от Земята виждат множество тъмни линии (фиг. 7-4), наречени фраунхоферови линии (по името на немския учен Йозеф фон Фраунхофер, който ги забелязал пръв с помощта на собственоръчно изготвен точен теодолит-далекоглед с призма. Подобни линии Фраунхофер открива и при разлагането на светлината на други звезди, като при това забелязва, че при различните звезди има разлика в дебелината на тъмните линии и в разстоянието между тях. Това откритие лежи в основата на днешния спектрален анализ на химическите елементи и ни позволява да определяме състава и температурата на далечните звезди, наблюдавайки ги от земята.).

    Спектърът от тъмни линии, дължащи се на поглъщане на вълни с определена дължина на вълната във веществата, през които е преминала светлината, се нарича спектър на поглъщане, или абсорбционен спектър.

   
Фиг. 7-4.Снимка: https://astronomy4all.com  Йозеф фон Фраунхофер - немски учен, изобретател и предприемач, влязал в  историята на естествените науки със своите работи като физик, оптик и астроном. 

Снимка: Уикипедия                                                            

    

    Излъчените от нагрято тяло линии, както и тези, които се поглъщат при преминаване на бяла светлина през прозрачни тела, носят богата информация за състава им. Всяка определена дължина на вълната, характерна за даден химичен елемент се дължи на преход между две нива с точно определена разлика в енергиите, Това прави спектралните линии характерни за всеки един елемент. Например съществуването на елемента хелий е бил установено по наличието на специфична спектрална линия в слънчевия спектър. Когато се прилага атомния спектрален анализ, изследваните вещества трябва да се намират в газообразно състояние. Например за анализиране на метални сплави се използва дъгов разряд. В получената дъга има и голям брой атоми. Светлината от нея се изследва със спектрални прибори. В зависимост от наличието на определени спектрални линии, както от тяхната интензивност се съди за примесите в сплавта.

2. Топлинни източници

  От всекидневния опит знаем, че източници на светлина са нагретите до висока температура тела: Слънцето, осветителните лампи с нагреваема жичка и други. Тези източници се наричат топлинни, защото техните атоми и молекули преобразуват в лъчиста енергия част от енергията на хаотичното топлинно движение: интензитетът и спектърът на излъчената светлина се определят от температурата на тялото. Тези източници излъчват непрекъснати спектри.

    В масово използваните електрически лампи протича ток, който загрява жичката на лампата до температура от 2000 - 3000 К. Нагрятата жичка излъчва светлина, но максимумът на излъчването й е в инфрачервената област. Само 7-8 % от енергията се отделят във видимата област. Поради това като средство за осветление този тип електрически лампи са неикономични (фиг.  7-5).

Фиг. 7-5. Снимка: www.elektra-bg.com

    С разликата между температурата на нагрятата нишка и температурата на повърхността на Слънцето се обяснява защо светлината на лампата „жълтее“ в сравнение с „бялата“ слънчева светлина. Тъй като еволюцията на окото го е пригодила да вижда най-добре при осветяване със слънчева светлина, стремежът е температурата на нишката да се направи възможно най-висока. Поради тази причина нишките на електрическите лампи се правят от волфрам – най-труднотопимият метал. Въпреки това разликата в спектралния състав между слънчевата (или още естествена, дневна) светлина и светлината от лампи с нагрята нишка е значителна. За опазване на зрението винаги се предпочита работа при дневна светлина.

3. Луминесцентни източници

    Енергията, необходима на атомите и молекулите, за да излъчват светлина, може да се получи и от нетоплинни източници. Такова излъчване не е свързано с температурата на тялото и се нарича луминесценция. Тъй като луминесценция се наблюдава и при ниска температура, често я наричат студено светене. Примери за луминесценция в природата са полярните сияния (фиг. 7-6), светенето на някои насекоми (светулки)(фиг. 7-7), минерали (фиг. 7-8), гниещи дървета и др. Повечето природни източници имат малък интензитет, откъдето идва и терминът луминесценция, който на латински означава слаба светлина. Луминесцентно излъчване може да се предизвика по различен начин: чрез предварително облъчване на веществото със светлина или радиоактивни лъчения; под действието на електрично поле; в резултат на химични реакции; при механични въздействия и др.

                       
   Фиг. 7-6.  Снимка: Уикипедия Фиг.  7-7. Снимка: https://zoovidove.baubau.bg
         
Фиг.  7-8.      Снимки: https://www.sim-on.org

 

    Най-широко приложение от луминесцентните източници на светлина намират газоразрядните лампи, които имат следното устройство: Изтегля се въздухът от стъкления балон на лампата и той се запълва например с пари на натрия или живака или с разреден газ (неон, аргон и др.). При  подаване на напрежение между анода и катода на лампата протича газов разряд, който е съпроводен с луминисцентно излъчване.

    Парите на металите  и едноатомните  газове излъчват характерните за дадения химичен елемент линейни спектри. Например излъчването на натриевите лампи  е почти изцяло в областта около жълтата линия на натрия с дължина на вълната  689 nm.  Интензитетът им останалите линии от спектъра на натрия е малък

4. Лазери

    Три са основните свойства, които отличават лазерите от другите източници на светлина и определят съвременните им приложения: монохроматичност, насоченост и голям интензитет.

1. Монохроматичност. Едно от най-интересните съвременни приложения на високата монохроматичност  и кохерентност на лазерните лъчения е в холографията: метод за получаване на тримерни образи на предметите.  Лазерният сноп се разделя на две части от тънък слой сребро, нанесен върху стъклена пластинка, който частично отразява и частично пропуска светлината. Единият сноп се отразява от обекта, който трябва да се фотографира, а вторият сноп от огледалата О1 и О2. Двата снопа интерферират помежду си и върху специален дебелослоен фотографски филм се запечатва не оптичният образ на предмета, както при фотоапарата, а сложна интерференчна картина от светли и тъмни петна (холограма), съдържаща подробна информация за предмета. Възстановяването на образа става след като се освети холограмата. Тогава тя действа подобно на дифракционна решетка. Дифрактиралите вълни създават обемен образ на предмета, чиято перспектива се изменя в зависимост от положението на окото на наблюдателя: той може да „огледа“ предмета от различни страни, което е невъзможно при обикновените фотографии. Ако при записа на холограмата се използват три лазерни лъча от основните цветове, то при осветяването на такава холограма с бяла светлина се наблюдава цветен тримерен образ.

2. Насоченост. Лазерните снопове се разпространяват праволинейно, като само едва забележимо увеличават своя диаметър. Голямата насоченост на лазерното лъчение в съчетание с високата му монохроматичност лежат в основата на лазерните методи за прецизни измервания на разстояния. Например астронавтите от космическия кораб "Аполо"са монтирали на Луната огледало, което отразява лазерните импулси, изпратени от Земята. Като се измери времето за разпространение на импулсите и се знае скоростта на светлината, разстоянието от Земята до Луната се определя с точност до 10 cm.

3. Интензитет. Лазерите са най-мощните източници на светлина. Топлинното действие на мощното лазерно лъчение намира приложение в лазерните технологии - съвременни методи за обработка на материалите с помощта на лазерите. С лазери се пробиват отвори в трудно топими или крехки материали с точност на обработка 1 µm; изрязват се полупроводниковите пластини, необходими за изготвянето на интегрални схеми; режат се също метални детайли и др. Основно преимущество на лазерното заваряване е, че то е безконтактно - може да се извърши през прозрачно прозорче в херметично затворен съд (например в кинескопа на телевизор). При лазерната обработка на материалите е възможна голяма скорост на извършването на операциите и пълна автоматизация - движението на лазерния лъч се управлява от компютър.