Оптический спектр и его диапазоны¶
Оптический спектр — совокупность электромагнитных волн, которые могут восприниматься человеческим глазом, а также примыкающие к видимому диапазону ультрафиолетовое и инфракрасное излучения, изучаемые оптикой. В узком смысле под оптическим спектром понимают диапазон длин волн примерно от 1 нм (нанометр) до 1 мм, в широком — всю область электромагнитного излучения, для которой применимы методы оптики: преломление, отражение, дифракция, интерференция и поляризация.
Термин происходит от греческого «оптикос» — «зримый, видимый». Оптический диапазон занимает промежуточное положение между рентгеновским излучением (короткие волны) и радиодиапазоном (длинные волны).
¶Границы и положение в шкале
Оптическое излучение принято делить по длине волны и частоте. Границы диапазонов условны и в разных источниках могут немного различаться.
| Область | Длина волны | Частота |
|---|---|---|
| Ультрафиолетовое (УФ) | 10–380 нм | 7,9·10¹⁴ – 3·10¹⁶ Гц |
| Видимое | 380–780 нм | 3,8·10¹⁴ – 7,9·10¹⁴ Гц |
| Инфракрасное (ИК) | 780 нм – 1 мм | 3·10¹¹ – 3,8·10¹⁴ Гц |
Видимая часть — лишь узкая полоса всей шкалы, но именно она исторически стала основой оптики. За пределами видимого диапазона лежат ультрафиолетовая и инфракрасная области, открытые позже.
¶Видимый спектр
Видимое излучение воспринимается глазом как цвет, зависящий от длины волны. При разложении белого света призмой или дифракционной решёткой образуется непрерывный спектр, в котором выделяют условные цветовые зоны:
- фиолетовый — 380–450 нм;
- синий — 450–495 нм;
- зелёный — 495–570 нм;
- жёлтый — 570–590 нм;
- оранжевый — 590–620 нм;
- красный — 620–780 нм.
Границы между цветами плавные, чётких переходов нет. Человеческий глаз наиболее чувствителен к зелёной области около 555 нм — это максимум кривой видности при дневном освещении.
¶Ультрафиолетовая область
Ультрафиолетовое излучение открыто в 1801 году немецким физиком Иоганном Риттером по воздействию на хлорид серебра. УФ-диапазон делят на поддиапазоны: ближний (380–200 нм), вакуумный (200–10 нм) и экстремальный. Вакуумный ультрафиолет сильно поглощается воздухом, поэтому исследования ведут в вакууме или инертных газах. УФ применяется в медицине, криминалистике, литографии и астрономии.
¶Инфракрасная область
Инфракрасное излучение открыто в 1800 году английским астрономом Уильямом Гершелем, обнаружившим нагрев термометра за красным концом спектра. ИК-диапазон делится на ближний, средний и дальний. Инфракрасные методы лежат в основе тепловидения, спектроскопии, дистанционного зондирования и систем связи.
¶Способы получения спектров
Различают спектры испускания, поглощения и рассеяния. Основные приборы:
- спектроскоп — визуальное наблюдение;
- спектрограф — регистрация на фотопластинку;
- спектрофотометр — измерение интенсивности по длинам волн;
- монохроматор — выделение узкой полосы.
Спектры бывают линейчатыми (атомы), полосатыми (молекулы) и непрерывными (нагретые тела). Линейчатые спектры уникальны для каждого химического элемента и служат основой спектрального анализа.
¶Спектральный анализ
Спектральный анализ — метод определения химического состава вещества по его спектру. Разработан в 1859 году Густавом Кирхгофом и Робертом Бунзеном. Позволяет обнаруживать элементы при ничтожных концентрациях и применяется в металлургии, геологии, экологии, астрофизике. Именно с его помощью в составе Солнца обнаружен гелий (1868).
¶Применение в науке и технике
Оптический диапазон используется в оптике, лазерной технике, связи, медицине, астрономии, метрологии. Волоконно-оптические линии связи работают в ближнем ИК (1,3–1,55 мкм), где кварцевое волокно имеет минимальные потери. Оптические телескопы и спектрометры исследуют состав звёзд и галактик.
¶Значение в России
В России исследования оптического спектра развивались в трудах Михаила Ломоносова, изучавшего природу света, и позже — в работах физиков XIX–XX веков. Советские и российские учёные внесли вклад в лазерную физику, нелинейную оптику и спектроскопию. Оптические технологии применяются в оборонной, космической и промышленной отраслях.
¶Интересные факты
- Радуга — естественный спектр, возникающий при преломлении и отражении света в каплях воды.
- Некоторые животные видят в УФ- или ИК-диапазоне, недоступном человеку.
- Северное сияние возникает при свечении атомов кислорода и азота в верхних слоях атмосферы.
Источники: учебники по общей физике, справочники по оптике, энциклопедические издания по физике.