Возможности получения сплошного спектра Солнца

Республиканская научно - практическая конференция

«Современность и будущее космонавтики»

Секция: «Исследование космического пространства»

Возможности получения сплошного спектра  Солнца

Набережные Челны, 2018

Оглавление

Оглавление        1

1. Введение        2

2. Основная часть        3

2.1.Спектральный анализ        3

2.2. Спектроскоп        5

2.3. Получение сплошного спектра        6

3.  Заключение        9

4.  Список литературы        10

1. Введение

Мы, люди, радуемся цвету так же, как мы радуемся, видя улыбку, без явных причин. Великий человек - Ли Хант говорил: «Природа улыбается в свете». Цвет различных предметов, освещенных одним и тем же источником светы (например, солнцем), бывает весьма разнообразен. Основную роль в таких эффектах играют явления отражения и пропускания света. При рассмотрении непрозрачного предмета мы воспринимаем его цвет в зависимости от того излучения, которое отражается от поверхности предмета и попадает к нам на глаз. При рассмотрении прозрачного тела на просвет его цвет будет зависеть от пропускания лучей различных длин волн.

Актуальность работы заключается в том, что изучение спектров  различных  источников света  (или веществ)  лежит в основе так, называемого спектрального метода, который широко применят в различных областях деятельности человека

Цель работы: экспериментально получить спектр Солнца

Задачи:

1. Изучить и обобщить материал из литературных источников о приборе,  который способен регистрировать спектр для дальнейшего анализа состава вещества.

2. Провести  опытно-экспериментальную  работу  для получения спектра Солнца в реальных условиях.

Методы исследования: эксперимент, наблюдение, сопоставление, анализ и синтез, обобщение.

Объект исследования: спектр Солнца

Предмет исследования: получить в школьной  лаборатории спектр Солнца.

2. Основная часть

2.1.Спектральный анализ

Почти невероятная новость о том, что ученые могут определять состав Солнца и других звезд, быстро распространилась по всему свету. Конечно, одним из первых вопросов, поставленных меркантильно настроенными людьми, был вопрос о том, не обнаружили ученые золото на Солнце. Не видя никакой возможности получить золота, если оно даже и существует на солнце, и не видя никаких практических применений подобных «бессмысленных исследований», один банкир сказал: «Какое мне дело до золота на Солнце, если я не могу добыть его оттуда». Вскоре после этого Кирхгоф получил из Англии золотую медаль и денежную премию за блестящие работы по изучению солнечного спектра. Показав премию банкиру, Кирхгоф сказал: «Посмотрите, а мне все-таки удалось, в конце концов, заполучить немного золота с Солнца». Можно себе представить, как был смущен этот банкир, если бы он дожил до нашего времени и узнал, что открытие Кирхгофа было лишь частью той предварительной работы, которая привела к освобождению атомной энергии.

Спектральный анализ – физический метод качественного и количественного определения атомного и молекулярного спектра состава вещества, основанный на исследовании его спектра. В основе спектрального анализа лежит явление дисперсии.

Дисперсия света — это совокупность явлений, обусловленных зависимостью абсолютного показателя преломления вещества от частоты света, или, то же самое, зависимостью фазовой скорости света в веществе от частоты.

 Открыто явление в 1666 году Исааком Ньютоном, который, обратив внимание на радужную окраску изображений звезд в телескопе, поставил опыт, в результате которого открыл дисперсию света и создал новый прибор – спектроскоп. Ньютон направил пучок света на призму, а потом для получения более насыщенной полосы заменил круглое отверстие щелевым. Благодаря дисперсии белый свет разлагается в спектр при прохождении через стеклянную призму.

Большой вклад в исследование дисперсии и создание ахроматических линз внес Йозеф Фраунгофер. Чтобы произвести точные измерения дисперсии света в призмах, Фраунгофер в качестве источника света использовал свечу или лампу. При этом он обнаружил в спектре яркую желтую линию, известную теперь как желтая линия натрия. Вскоре установили, что эта линия находится всегда в одном и том же месте спектра, так что ее очень удобно использовать для точного измерения показателей преломления. Фраунгофер открыл сотни таких линий и внимательно их исследовал. Наиболее резко выраженные линии он обозначил большими и малыми буквами латинского алфавита (А, В,..,Z, а, b,...) и зафиксировал их постоянное положение в спектре, ясно понимая их значение для измерения показателей преломления. Он установил, что линия D солнечного спектра находится в том же положении, что и яркая линия натрия в спектре лампы. Его спектроскоп состоял из коллиматора, призмы и зрительной трубы, т. е. по существу из тех же элементов, что и современные спектроскопы. Фраунгофер направил спектроскоп на Венеру и обнаружил, что свет этой планеты содержит те же темные линии, что и солнечный спектр. Исследование спектра электрических искр позволило обнаружить большое число ярких линий. Заслугой Фраунгофера является введение решеток для исследования спектров. Фраунгофер изготовлял решетки из тончайших близко расположенных параллельных нитей или же наносил на стеклянной пластинке параллельные штрихи алмазом. Изготовление решетки требует большого искусства, потому что для получения спектра необходимо, по крайней мере, 40 линий на миллиметре поверхности. Фраунгоферу удалось изготовить решетки, содержащие свыше 300 линий на миллиметре. Объектом исследований Фраунгофера был солнечный свет. В 1814 г. учёный обнаружил на непрерывном солнечном спектре отчётливые тёмные линии. Такие же линии он увидел и в спектрах Венеры и Сириуса, а также искусственных источников света.  Но линии эти стали называться Фраунгоферовы линии, а сам спектр - Фраунгоферовым спектром.

2.2. Спектроскоп

 Спектроскопом  называют настольный прибор, с помощью которого вручную рассматривают участки различных спектров и первым создателем спектроскопа считают немецкого физика Йозефа Фраунгофера. Спектроскопическая установка, созданная им, представляла собой щель в ставне, через которую солнечный свет падал на призму Спектроскоп, который способен регистрировать спектр для его дальнейшего анализа с помощью различных методов, называется спектрометром. Если окуляр спектроскопа заменить регистрирующим прибором, то получится спектрограф.

Спектрометры способны исследовать спектры в широком диапазоне волн: от гамма до инфракрасного излучения.

Конечно, современные спектроскопы отличаются от своих предков. И хотя они имеют множество модификаций, функции их остались прежними.

Спектроскоп - основной инструмент спектроскопии. Без спектроскопа не могут обойтись химики и астрономы. С помощью спектроскопа  можно определить химический состав вещества,  структуру поверхности,  физические параметры объекта, исследовать космические объекты, находящиеся от нас на громадных расстояниях. Метод спектрального анализа определяет  незначительное содержание химического элемента в составе сложного вещества и возможность применения этого метода в тех случаях, когда другими методами нельзя исследовать химический состав вещества.  В связи со своей универсальностью и простотой в применении спектральный анализ используется почти во всех областях человеческой деятельности: промышленности, медицине, геологии, химии, судебной  практике, экологии,  космологии.

2.3. Получение сплошного спектра

Веками белый цвет считался цветом, символизирующий чистоту. Кажется, что связывать белый свет с чистотой – правильно. Белый – это цвет главного источника естественного освещения, нашего солнца, когда оно стоит высоко в небе. Белыми мы видим наиболее яркие поверхности – такие как снег, который лучше всего отражает солнечный свет. Но научный анализ говорит нам о другом. Свой первый спектроскоп создали и мы. Для эксперимента необходимы кусок картона, обычный стакан с водой и белая бумага.

1. Прорежем в картоне длинную узкую щель
2. На солнечном месте поставим на белую бумагу стакан, а между ним и Солнцем – картон со щелью.

Рисунок 1 Спектр Солнца

                                                                                   Рисунок 2 Сплошной спектр Солнца

Можно увидеть, что солнечные лучи, проходя через щель, а затем через воду в стакане, разлагаются на разные цвета (на бумаге появится последовательность цветовых полосок).

Примерно так же школьный спектроскоп дает спектры излучения далеких светил.

Рисунок 3 Школьный спектроскоп                                           Рисунок 4 Спектр Солнца на экране  

В следующем  опыте узкий параллельный пучок белого света направляли  на боковую грань трехгранной стеклянной призмы. На границах раздела воздух – стекло и стекло – воздух свет 2 раза испытывал преломление и пучок света отклонялся от первоначального направления распространения. При этом свет после прохождения призмы разлагался в веер пучков света разного цвета, от фиолетового до красного.

Разложение пучка белого света стеклянной призмы показывает, что для света с разной частотой показатели преломления вещества оказываются различными. Наибольшее преломление испытывают лучи фиолетового света, наименьшее – лучи красного света.

Абсолютный показатель преломления света обратно пропорционален скорости его распространения в веществе, скорость света в вакууме, как показали опыты, одинаково для света с любой частотой. Поэтому можно сделать вывод, что фиолетовый свет, имеющий наибольший абсолютный показатель преломления распространяется в прозрачном веществе с наименьшей скоростью, а

красный свет, имеющий наименьший абсолютный показатель преломления, распространяется в веществе с наибольшей скоростью.

При спектральном разложении белого света от Солнца или от нагретых до высокой температуры твердых или жидких тел между пучками света разного цвета нет темных промежутков, один свет плавно переходит в другой. Это доказывает, что Солнце или нагретое твердое тело испускает электромагнитные волны всех возможных частот. Излучение, состоящее из электромагнитных волн всех возможных частот без пропусков, называется излучением со сплошным спектром.

Цвета спектра, в которые белый свет предварительно разложен при помощи призмы, могут быть вновь собраны в белый свет с использованием второй призмы. Если собирается не весь спектр, а только его часть, то на выходе получится не белый свет, а смесь тех цветов, которые прошли через всю оптическую систему. В случае, когда источником света служит естественный свет солнца и экспериментатор отсекает синюю часть спектра, то в выходящем свете преобладает зеленый. Если позволить достигать второй призмы лишь узкому диапазону спектральных лучей.

Суть эксперимента в том, что с помощью второй призмы можно обратить разделение лучей и вернуться к белому свету, неотличимому по своим свойствам от того солнечного света, который был изначально. Как видно на картинке, можно поступить и иначе, скомбинировав вновь только часть спектра. Тогда мы получаем лучи промежуточных цветов, но не белого цвета. Таким образом, призма выполняет анализ входящего в нее белого света.

3.  Заключение

Подведем итог всему сказанному

1. Изучив литературу, мы узнали, что   свет  распадается  на  спектр.

2. Опытным путем получили, что   фиолетовый свет, имеющий наибольший абсолютный показатель преломления распространяется в прозрачном веществе с наименьшей скоростью, а красный свет, имеющий наименьший абсолютный показатель преломления, распространяется в веществе с наибольшей скоростью.

3. Мы убедились в том, что спектр Солнца сплошной. 

4. Мы сделали первые шаги в изучении спектрального анализа и его применении.

4.  Список литературы

1. Зайдель А.Н. Основы спектрального анализа. М.: Наука, 1965. 380 с. 
2. Тарасов К.И. Спектральные приборы. Л.: Машиностроение, 1975. 
3. Кустанович И.М. Спектральный анализ. М.: Высшая школа, 1972. 
4. Ломоносова Л.С. Спектральный анализ. М.: Металлургия, 1958. 
5. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. М. Наука, 1982 - 208с.
6. Кухлинг X. Справочник по физике. Пер. с нем. - М.: Мир, 1982.- 520с.
7. Левитан Е.П. Астрономия. М.: Просвещение,  2005.-224 с.
8. Чаругин В.М. Астрономия. М.: Просвещение, 2018.-144 с.