Załamanie światła

To zjawisko fizyczne polegające na zmianie kierunku rozchodzenia się promieni świetlnych przez dwa ośrodki przezroczyste. Przyczyną takiego zachowania się światła jest to, że światło ma różne prędkości w zależności od tego przez jaki ośrodek przechodzi. Im większa gęstość ośrodka, tym światłu "trudniej jest się przez niego przedrzeć" - czyli ma w nim mniejszą prędkość, niż w ośrodkach o mniejszej gęstości.

Przejście światła białego przez pryzmat

Światło białe składa się tak naprawdę z kilku barw nałożonych na siebie: czerwonej, pomarańczowej, żółtej, niebieskiej i fioletowej. Widmem światła białego nazywamy szeregowe rozłożenie wszystkich jego barw z zachowaniem ciągłości przejścia między kolejnymi kolorami - np. jak wachlarz tęczowych kolorów.

Wiemy już, że światło załamuje się przy przejściu przez różne ośrodki. Natomiast wielkość kąta załamania, zależy od kąta padania promienia świetlnego i różnicy gęstości obu ośrodków. W przypadku światła białego, mamy do czynienia z ciekawym przypadkiem załamania światła. Każda jego składowa - barwa rozchodzi się w ciałach przezroczystych (bez próżni) z inną prędkością, a tym samym załamuje się w tych ośrodkach pod różnymi katami. Największą prędkość ma światło czerwone, a najmniejszą fioletowe. Warto pamiętać, że w próżni prędkość rozchodzenia się światła o różnych barwach ma taką samą wartość.

Szczególne ciekawe zjawisko możemy zaobserwować w przypadku przejścia światła białego przez pryzmat: zachodzi wtedy nie tylko ogólne odchylenie całego promienia od jego pierwotnego kierunku, ale również jego rozszczepienie na wszystkie barwy widma - jak tęcza.

Siatka dyfrakcyjna - układ przeszkód dla fal rozmieszczonych w przestrzeni (siatka dyfrakcyjna przestrzenna) lub na powierzchni (siatka dyfrakcyjna powierzchniowa), periodycznie (siatka dyfrakcyjna regularna) albo przypadkowo (siatka dyfrakcyjna nieregularna). Na przeszkodach zachodzi zjawisko dyfrakcji (stąd nazwa siatki), a powstające w jej wyniku ugięte fale są spójne i interferują ze sobą (interferencja fal).

Dla światła najczęściej stosuje się siatkę dyfrakcyjną powierzchniową regularną, wykonaną przez nacinanie diamentowym rylcem powierzchni szklanej (siatka dyfrakcyjna transmisyjna) lub metalicznej (siatka dyfrakcyjna odbiciowa). Siatki dyfrakcyjne charakteryzuje się podając liczbę rys przypadających na 1 mm siatki lub odległość pomiędzy nimi (tzw. stała siatka dyfrakcyjna).

Zjawisko dyfrakcji szczególnie efektywnie zachodzi w przypadku przeszkód, których rozmiary są porównywalne z długością padającej fali, dlatego dla ultrafioletu (ultrafioletowe promieniowanie) stosuje się siatki dyfrakcyjne o gęstości 1200 rys/mm, dla światła widzialnego - 600 rys/mm, a dla podczerwieni - 1-300 rys/mm. Dla promieniowania rentgenowskiego siatką dyfrakcyjną przestrzenną jest kryształ (Braggów-Wulfa warunek). Stała siatki dyfrakcyjnej określa jej dyspersję kątową dϕ/dλ - tj. wielkość charakteryzującą zmianę kąta ugięcia ϕ promienia świetlnego na siatce wraz ze zmianą długości fali światła λ - która wyrażona jest równaniem:

gdzie m (tzw. rząd widma) jest liczbą naturalną określającą różnicę faz interferujących ze sobą promieni, podaną w okresach drgań tej fali. Siatkę dyfrakcyjną wynalazł J. von Fraunhofer. Wykorzystuje się ją w spektrometrach optycznych.

Siatka dyfrakcyjna

Siatkę dyfrakcyjną odkrył Joseph von Fraunhofer. Jest to zbiór dużej liczby równoległych wąskich szczelin oddzielonych nieprzeźroczystymi przerwami. Odległość między szczelinami (ich środkami) nazywa się stałą siatki (d). Zależność wartości stałej siatki dyfrakcyjnej i kąta ugięcia α przedstawia poniższy wzór:

, gdzie:

λ - długość fali

n - rząd ugięcia

Klasyfikacja widm, Ze względu na wygląd widma:

• Widmo ciągłe - ma postać ciągłego obszaru lub szerokich pasów (widmo o składowych, występujących w sposób ciągły wzdłuż skali częstotliwości). Widmo takie jest emitowane przez ciała w stanie stałym.

• Widmo liniowe (atomowe) - ma postać oddzielnych linii na pasku widmowym; typowo występuje dla gazów atomowych,

• Widmo pasmowe (cząsteczkowe) jest przypadkiem pośrednim pomiędzy widmem liniowym a ciągłym. Można je zaobserwować dla gazowych związków chemicznych. Pasma powstają tam na skutek zlewania się poszczególnych linii pochodzących od sąsiadujących ze sobą licznych poziomów energetycznych rotacyjno-oscylacyjnych.

Ze względu na sposób powstania:

• widmo emisyjne - powstaje w wyniku emisji promieniowania przez ciało

• absorpcyjne - powstaje w wyniku oddziaływania (przejścia lub odbicia) fali o widmie zazwyczaj ciągłym z substancją.

W zależności od rodzaju fali:

• optyczne

• rentgenowskie

• dźwiękowe

• i inne.

Widmo liniowe lub dyskretne - widmo emisyjne składające się z oddzielnych linii widmowych. Widmo takie jest typowe dla nieoddziałujących ze sobą atomów, czyli pierwiastków w stanie gazowym, jeżeli gaz ten pozostaje pod niezbyt dużym ciśnieniem. Dlatego widmo tego typu nazywane jest również widmem atomowym. Układ linii widmowych zależy od układu poziomów energetycznych elektronów w atomie, który jest różny dla atomów różnych pierwiastków. Z tego powodu również układ linii widmowych jest niepowtarzalny i charakterystyczny dla danego pierwiastka. Dzięki temu analiza widmowa światła pochodzącego nawet z bardzo odległych źródeł pozwala na identyfikację pierwiastków wchodzących w skład świecącego gazu.

Widmo pasmowe - widmo absorpcyjne lub widmo emisyjne rejestrowane w zakresie światła widzialnego, niezbyt dalekiego nadfioletu lub bliskiej podczerwieni dla swobodnych cząsteczek (znajdujących się w fazie gazowej). Widmo pasmowe powstaje w wyniku przejść między elektronowo-oscylacyjno-rotacyjnymi poziomami energetycznymi cząsteczek. W przeciwieństwie do widma liniowego atomów, składającego się z dobrze rozseparowanych pojedynczych linii widmowych wynikających z przejść między poziomami elektronowymi, w widmie pasmowym zaobserwować można bogatą strukturę oscylacyjno-rotacyjną.

Widmo emisyjne - widmo spektroskopowe, które jest obrazem promieniowania elektromagnetycznego, wysyłanego przez ciało.

Widmo emisyjne powstaje, gdy obdarzone ładunkiem elektrycznym elektrony, atomy, cząstki lub fragmenty cząsteczek tworzących dane ciało, będąc wzbudzonymi przechodzą ze stanu o wyższej do stanu o niższej energii. Przejściu temu towarzyszy emisja kwantu promieniowania elektromagnetycznego o energii równej różnicy energii poziomów, między którymi przeszła cząstka.

Widma emisyjne charakteryzują się:

• Dla gazów prostych atomów - widmo emisyjne przyjmuje często formę serii dobrze rozseparowanych częstotliwości, które spektrometry rejestrują w formie prążków. Układ tych prążków jednoznacznie wskazuje na obecność określonego pierwiastka w gazie i jest nazywany widmem atomowym. Umożliwia to m.in. ustalanie na podstawie widm emisyjnych składu pierwiastkowego odległych ciał niebieskich.

• Dla ciał stałych i cieczy - widmo emisyjne jest ciągłe.

• Dla gazów atomów o złożonej budowie dają widmo pasmowe czyli składające się z pasów.

Widmo absorpcyjne - widmo, które powstaje podczas przechodzenia promieniowania elektromagnetycznego przez chłonny ośrodek absorbujący promieniowanie o określonych długościach. Można zarejestrować przy użyciu metod spektroskopii. Graficznie ma postać widma ciągłego z ciemnymi liniami (dla gazowych pierwiastków). Występowanie widma absorpcyjnego jest spowodowane pochłanianiem przez substancję fotonów tylko o określonych długościach fali - takich które mogą spowodować wzbudzenie atomu lub cząsteczki do stanu dopuszczanego przez prawa mechaniki kwantowej. Zmiany stanu wzbudzenia dotyczą zarówno elektronów jak i oscylacji i rotacji całych cząstek.

Obrazem widma absorpcyjnego związku chemicznego są pasma o strukturze liniowej lub ciągłej z silniej lub słabiej zaznaczonymi ekstremami.

ABSORPJA Zjawisko to opisuje poprawnie mechanika kwantowa. Kwant energii fali przenoszony jest przez foton, który zderza się z cząstka, np. elektronem, czy jądrem atomowym. Cząstka pochłania zawsze całą energię fotonu i tylko wtedy gdy, pozwalają jej na to jej dopuszczalne stany kwantowe.

W wyniku absorpcji światła przechodzącego przez substancje (np. gaz) z widma światła zostają usunięte pochłaniane częstotliwości, na tej podstawie można stwierdzić przez jakie substancje przechodziło światło. Zjawisko to służy do badania składu chemicznego mieszanin związków chemicznych, gazów otaczających gwiazdy, obłoków gazowych we wszechświecie, jest to spektroskopia absorbcyjna.

Ilościową miarą wielkości absorpcji są transmitancja i absorbancja promieniowania. Wielkość absorpcji światła można obliczyć na podstawie prawa Lamberta-Beera.

Transmitancja

Czasami nazywana transmisją, z reguły wyrażana w %:

T% =

Io - natężenie światła przed absorpcją

I - natężenie światła po przejściu przez absorbujacy ośrodek

Absorbancja (dawniej nazywania ekstynkcją) (oznaczana ABS lub ε) jest miarą absorpcji promieniowania i wyraża się wzorem:

---