Введение

Исследование линейчатого cпектpа вещества позволяет определить, из каких химических элементов оно состоит и в каком количестве содержится каждый элемент в данном веществе.

Количественное содержание элемента в исследуемом образце определяется путем сравнения интенсивности отдельных линий cпектpа этого элемента с интенсивностью линий другого химического элемента, количественное содержание которого в образце известно.

Метод определения качественного и количественного состава вещества по его cпектpу называется cпектpальным aнaлизом. Cпектpальный aнaлиз широко применяется при поисках полезных ископаемых для определения химического состава образцов руды. В промышленности cпектpальный aнaлиз позволяет контролировать составы сплавов и примесей, вводимых в металлы для получения материалов с задаными свойствами.

Достоинствами cпектpального aнaлиза являются высокая чувствительность и быстрота получения результатов. С помощью cпектpального aнaлиза можно обнаружить в пробе массой 6*10 -7 г присутствие золота при его массе всего 10 -8 г. Определение марки стали методом cпектpального aнaлиза может быть выполнено за несколько десятков секунд.

Cпектpальный aнaлиз позволяет определить химический состав небесных тел, удаленных от Земли на расстояния в миллиарды световых лет. Химический состав атмосфер планет и звезд, холодного газа в межзвездном пространстве определяется по cпектpам поглощения.

Изучая cпектpы, ученые смогли определить не только химический состав небесных тел, но и их температуру. По смещению cпектpальных линий можно определять скорость движения небесного тела.

История открытия спектра и спектрального анализа

В 1666 году Исаак Ньютон, 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 на щелевое. Дисперсия – зависимость показателя преломления вещества от длины волны света. Благодаря дисперсии белый свет разлагается в спектр при прохождении через стеклянную призму. Поэтому такой спектр называют дисперсионным.

Излучение абсолютно черного тела, проходя через молекулярное облако, приобретает линии поглощения с своем спектре. У облака также можно наблюдать эмисионный спектр. Разложение электромагнитного излучения по длинам волн с целью их изучения называется спектроскопией. Анализ спектров – основной метод изучения астрономических объектов, применяемый в астрофизике.

Наблюдаемые спектры делятся на три класса:

линейчатый спектр излучения. Нагретый разреженный газ испускает яркие эмиссионные линии;

непрерывный спектр. Такой спектр дают твердые тела, жидкости или плотный непрозрачный газ в нагретом состоянии. Длина волны, на которую приходится максимум излучения, зависит от температуры;

линейчатый спектр поглощения. На фоне непрерывного спектра заметны темные линии поглощения. Линии поглощения образуются, когда излучение от более горячего тела, имеющего непрерывный спектр, проходит через холодную разреженную среду.

Изучение спектров дает информацию о температуре, скорости, давлении, химическом составе и о других важнейших свойствах астрономических объектов. История спектрального анализа началась в 1802 году, когда англичанин Волланстон, наблюдая спектр Солнца, впервые увидел темные линии поглощения. Он не смог объяснить их и не придал своему открытию особого значения.

В 1814 году немецкий физик Фраунгофер вновь обнаружил в солнечном спектре темные линии поглощения и верно смог объяснить их появление. С тех пор их называют линиями Фраунгофера. В 1868 году в спектре Солнца были обнаружены линии неизвестного элемента, названного гелием (греч. helios «Солнце»). Через 27 лет небольшое количество этого газа обнаружилось и в земной атмосфере. Сегодня известно, что гелий – второй по распространенности элемент во Вселенной. В 1918–1924 годах вышел в свет каталог Генри Дрепера, содержащий классификацию спектров 225 330 звезд. Этот каталог стал основой для Гарвардской классификации звезд. В спектрах большинства астрономических объектов наблюдаются линии водорода, возникающие при переходе на первый энергетический уровень. Это серия Лаймана, наблюдаемая в ультрафиолете; отдельные линии серии имеют обозначения Lα (λ = 121,6 нм), Lβ (λ = 102,6 нм), Lγ (λ = 97,2 нм) и так далее. В видимой области спектра наблюдаются линии водорода серии Бальмера. Это линии Hα (λ = 656,3 нм) красного, Hβ (λ = 486,1 нм) голубого, Hγ (λ = 434,0 нм) синего и Hδ (λ = 410,2 нм) фиолетового цвета. Линии водорода наблюдаются и в инфракрасной части спектра – серии Пашена, Брэккета и другие, более далекие.

Спектральные серии в спектре водорода

Почти все звезды имеют линии поглощения в спектре. Наиболее интенсивная линия гелия расположена в желтой части спектра: D3 (λ = 587,6 нм). В спектрах звезд типа Солнца наблюдаются также линии натрия: D1 (λ = 589,6 нм) и D2 (λ = 589,0 нм), линии ионизованного кальция: Н (λ = 396,8 нм) и К (λ = 393,4 нм). Фотосферы звезд дают непрерывный спектр, пересеченный отдельными темными линиями, которые возникают при прохождении излучения через более холодные слои атмосферы звезды. По спектру поглощения (точнее, по наличию определенных линий в спектре) можно судить о химическом составе атмосферы звезды. Яркие линии в спектре показывают, что звезда окружена расширяющейся оболочкой из горячего газа. У красных звезд с низкой температурой в спектре видны широкие полосы молекул окиси титана, оксидов. Ионизированный межзвездный газ, нагретый до высоких температур, дает спектры с максимумом излучения в ультрафиолетовой области. Необычные спектры дают белые карлики. У них линии поглощения во много раз шире, чем у обычных звезд и имеются линии водорода, которые отсутствуют при таких температурах у обычных звезд. Это объясняется высоким давлением в атмосферах белых карликов.

Виды спектров

Cпектpальный состав излучения различных веществ весьма разнообразен. Но, несмотря на это, все cпектpы, как показывает опыт, можно разделить на три сильно отличающихся друг от друга типа.

Непрерывные cпектpы.

Солнечный cпектp или cпектp дугового фонаря является непрерывным. Это означает, что в cпектpе представлены волны всех длин. В cпектpе нет разрывов, и на экране cпектpографа можно видеть сплошную разноцветную полосу.

Распределение энергии по частотам, т. е. Cпектpальная плотность интенсивности излучения, для различных тел различно. Например, тело с очень черной поверхностью излучает электромагнитные волны всех частот, но кривая зависимости cпектpальной плотности интенсивности излучения от частоты имеет максимум мри определенной частоте. Энергия излучения, приходящаяся на очень малые и очень большие частоты, ничтожно мала. При повышении температуры максимум cпектpальной плотности излучения смещается в сторону коротких волн.

Непрерывные (или сплошные) cпектpы, как показывает опыт, дают тела, находящиеся в твердом или жидком состоянии, а также сильно сжатые газы. Для получения непрерывного cпектpа нужно нагреть тело до высокой температуры.

Характер непрерывного cпектpа и сам факт его существования определяются не только свойствами отдельных излучающих атомов, но и в сильной степени зависят от взаимодействия атомов друг с другом.

Непрерывный cпектp дает также высокотемпературная плазма. Электромагнитные волны излучаются плазмой в основном при столкновении электронов с ионами.

Линейчатые cпектpы.

Внесем в бледное пламя газовой горелки кусочек асбеста, смоченного раствором обыкновенной поваренной соли. При наблюдении пламени в cпектpоскоп на фоне едва различимого непрерывного cпектpа пламени вспыхнет ярко желтая линия. Эту желтую линию дают пары натрия, которые образуются при расщеплении молекул поваренной соли в пламени. На cпектpоскопе также можно увидеть частокол цветных линий различной яркости, разделенных широкими темными полосами. Такие cпектpы называются линейчатыми. Наличие линейчатого cпектpа означает, что вещество излучает свет только вполне определенных длин волн (точнее, в определенных очень узких cпектpальных интервалах). Каждая из линий имеет конечную ширину.

Линейчатые cпектpы дают все вещества в газообразном атомарном (но не молекулярном) состоянии. В этом случае свет излучают атомы, которые практически не взаимодействуют друг с другом. Это самый фундаментальный, основной тип cпектpов.

Изолированные атомы данного химического элемента излучают строго определенные длины волн.

Обычно для наблюдения линейчатых cпектpов используют свечение паров вещества в пламени или свечение газового разряда в трубке, наполненной исследуемым газом.

При увеличении плотности атомарного газа отдельные cпектpальные линии расширяются и, наконец при очень большой плотности газа, когда взаимодействие атомов становится существенным, эти линии перекрывают друг друга, образуя непрерывный cпектp.

Полосатые cпектpы.

Полосатый cпектp состоит из отдельных полос, разделенных темными промежутками. С помощью очень хорошего cпектpального аппарата можно обнаружить, что каждая полоса представляет собой совокупность большого числа очень тесно расположенных линий. В отличие от линейчатых cпектpов полосатые cпектpы создаются не атомами, а молекулами, не связанными или слабо связанными друг с другом.

Для наблюдения молекулярных cпектpов так же, как и для наблюдения линейчатых cпектpов, обычно используют свечение паров в пламени или свечение газового разряда.

Cпектpы поглощения.

Все вещества, атомы которых находятся в возбужденном состоянии, излучают световые волны, энергия которых определенным образом распределена по длинам волн. Поглощение света веществом также зависит от длины волны. Так, красное стекло пропускает волны, соответствующие красному свету, и поглощает все остальные.

Если пропускать белый свет сквозь холодный, неизлучающий газ, то на фоне непрерывного cпектpа источника появляются темные линии. Газ поглощает наиболее интенсивно свет как раз тех длин волн, которые он испускает в сильно нагретом состоянии. Темные линии на фоне непрерывного cпектpа - это линии поглощения, образующие в совокупности cпектp поглощения.

Существуют непрерывные, линейчатые и полосатые cпектpы излучения и столько же видов cпектpов поглощения.

Важно знать, из чего состоят окружающие нас тела. Изобретено много способов определения их состава. Но состав звезд и галактик можно узнать только с помощью cпектpального aнaлиза.

Грамотная стратегия игры на префлопе, которая является просчитанной, усвоенной, и, следовательно, сложно эксплуатируемой, служит основой высокого винрейта. И это не просто громкие слова, ведь отточенная префлоп-стратегия будет создавать вам прибыльные постфлоп-ситуации, существенно облегчая ваши решения.

Перед тем как перейти к рассмотрению спектров опен-рейза, следует отметить, что вступать первыми в раздачу нам следует исключительно через рейз, а не лимп, потому, что:

• Рейз позволяет увеличивать размер банка уже с префлопа, тем самым повышая вэлью наших лучших рук, в то время как лимпы эту прибыль понижают;
• Лимпы создают многосторонние банки, при игре в которых эквити наших рук существенно снижается. Например, АА будут проигрывать пяти соперникам с 20% спектрами почти в половине случаев:

Однако время от времени за покерным столом все же будут возникать ситуации, в которых лимпы будут оправданы:

• Стратегия опен-лимпов с SB;
• Споты, в которых множество рекреационных игроков сыграли лимп, а мы имеем спекулятивную руку на BU или SB.

Более комплексную информацию об алгоритме выбора действия на префлопе вы можете найти в статье: " ".

Спектры открытий.

Как вы знаете, фолд обладает нулевым математическим ожиданием, поэтому мы хотим опен-рейзить с теми стартерами, которые будут генерировать нам прибыль на дистанции. Ниже представлены мои дефолтные спектры открытий (RFI) за 6-макс столами при эффективных стеках в 100 больших блайндов.

• EP 16%

• MP ~ 20%

• CO ~25%

• BTN ~41%

• SB ~48%

По GTO вышеобозначенные спектры открытий обладают положительным математическим ожиданием, однако, необходимо отметить, что низ каждого представленного диапазона является маргинальным по своей прибыльности. Из этого следует, что вам следует фолдить некоторые руки из этих спектров, если после вас располагаются агрессивные 3-бетторы и компетентные игроки.

И, конечно же, приведенные выше спектры должны быть для вас чем-то вроде отправных пунктов для проектирования своих собственных диапазонов. Здесь я имею в виду то, что порой вам следует отклоняться от них, если того требует ситуация за столом. Например, если на блайндах находятся нитовые игроки, то вы должны открывать с баттона любые две карты, а не придерживаться диапазона в 40-50%. Или наоборот: если на BB располагается агрессивный 3-беттор, то нам следует открываться с SB более тайтово.

Бет-сайзинг открытий.

В теории, чем более широкий спектр рук мы разыгрываем, тем меньшим сайзингом нам следует открываться. Такая подстройка обуславливается тем, что при розыгрыше широких спектров мы ориентируемся ни на чистое вэлью наших рук, а на вэлью, которое мы будем получать от эксплуатации ликов оппонентов. Узнав об этом, некоторые игроки начали варьировать свой бет-сайзинг открытий по мере приближения к баттону, например:

• Поднимали сайзинг с ранних позиций до 3,5-4bb;
• Опен-рейзили "стандартным" сайзингом в 3bb со средних позиций;
• Уменьшали сайзинг с поздних позиций до 2-2,5bb

Однако игроки, принявшие на вооружение такую стратегию бет-сайзинга, не учли некоторые ее недостатки:

• При увеличенном размере опен-рейза мы будем проигрывать больше, сдаваясь против 3-бетов;
  
• При увеличенном размере опен-рейза лишь с сильными руками, мы становимся легкочитаемыми соперниками;
• При увеличенном размере опен-рейза мы будем существенно сужать спектр колла оппонентов, выходя на постфлоп против более сильных ренджей.

Разберем последний недостаток более подробно на следующем примере:

Так как своим опен-рейзом хиро предлагает игрокам привлекательную цену на колл, CO совершает -EV колл, а затем к поту присоединяется и BB. Однако стали бы CO и BB коллировать, если бы хиро открылся 4x? Вряд ли.

Да, временами, когда мы будем открываться меньшим сайзингом, и оппонент со спекулятивной рукой будет ловить свои ауты на флопе, мы будем проигрывать раздачу, но это приемлемая цена для того, чтобы в остальных случаях привлекать в банк игроков на условиях андергдогов. Выражаясь иначе, мы не против порой проигрывать банки, если оппоненты своими плохими коллами на префлопе будут обеспечивать нам прибыль на дистанции.

Итак, во избежание всех трех проблем вариативной стратегии бет-сайзинга опен-рейзов, нам следует использовать фиксированный размер открытий со всех позиций. Такая подстройка сделает нашу игру сбалансированной и менее читаемой. Сегодня оптимальный бет-сайзинг опен-рейза равен 2-2,5bb. Однако следует отметить, что в спотах с рекреационными игроками, диапазон колла которых неэластичен к размеру опен-рейза, увеличение бет-сайзинга открытий может быть прибыльным.

Тезисы.

• Старайтесь выбирать руки, обладающие хорошей играбельностью против потенциальных спектров колла соперников;
• Расширяйте диапазон открытия по мере приближения к баттону;
• Используйте стратегию фиксированного бет-сайзинга, дабы побуждать соперников принимать -EV решения, а также чтобы терять меньше против 3-бетов;
• Отклоняйтесь от оптимальных стратегий против рекреационных игроков в спотах, в которых эксплуатирующие и несбалансированные линии способны принести вам большее вэлью.

Задумывались ли вы над тем, откуда мы знаем о свойствах далёких небесных тел?

Наверняка вам известно о том, что таким знаниям мы обязаны спектральному анализу. Однако нередко мы недооцениваем вклад этого метода в само понимание . Появления спектрального анализа перевернуло многие устоявшиеся парадигмы о строении и свойствах нашего мира.

Благодаря спектральному анализу мы имеем представление о масштабе и величии космоса. Благодаря нему мы перестали ограничивать Вселенную Млечным Путём. Спектральный анализ открыл нам великое разнообразие звезд, рассказал об их рождении, эволюции и смерти. Этот метод лежит в основе практически всех современных и даже грядущих астрономических открытий.

Узнать о недосягаемом

Ещё два столетия назад было принято считать, что химических состав планет и звезд навсегда останется для нас загадкой. Ведь в представлении тех лет космические объекты всегда останутся для нас недоступными. Следовательно, мы никогда не получим пробного образца какой-либо звезды или планеты и никогда не узнаем об их составе. Открытие спектрального анализа полностью опровергло это заблуждение.

Спектральный анализ позволяет дистанционно узнать о многих свойствах далёких объектов. Естественно, без такого метода современная практическая астрономия просто бессмысленна.

Линии на радуге

Темные линии на спектре Солнца заметил ещё в 1802 году изобретатель Волластон. Однако сам первооткрыватель особо не зациклился на этих линиях. Их обширное исследование и классификацию произвел в 1814 году Фраунгофер. В ходе своих опытов он заметил, что своим набором линий обладает Солнце, Сириус, Венера и искусственные источники света. Это означало, что эти линии зависят исключительно от источника света. На них не влияет земная атмосфера или свойства оптического прибора.

Природу этих линий в 1859 открыл немецкий физик Кирхгоф вместе с химиком Робертом Бунзеном. Они установили связь между линиями в спектре Солнца и линиями излучения паров различных веществ. Так они сделали революционное открытие о том, что каждый химический элемент обладает своим набором спектральных линий. Следовательно, по излучению любого объекта можно узнать о его составе. Так был рождён спектральный анализ.

В ходе дальнейших десятилетий благодаря спектральному анализу были открыты многие химические элементы. В их число входит гелий, который был сначала обнаружен на Солнце, за что и получил своё название. Поэтому изначально он считался исключительно солнечным газом, пока через три десятилетия не был обнаружен на Земле.

Три вида спектра

Чем же объясняется такое поведение спектра? Ответ кроется в квантовой природе излучения. Как известно, при поглощении атомом электромагнитной энергии, его внешний электрон переходит на более высокий энергетический уровень. Аналогично при излучении – на более низкий. Каждый атом имеет свою разницу энергетических уровней. Отсюда и уникальная частота поглощения и излучения для каждого химического элемента.

Именно на этих частотах излучает и испускает газ. В тоже время твёрдые и жидкие тела при нагревании испускают полный спектр, независящий от их химического состава. Поэтому получаемый спектр подразделяется на три типа: непрерывный, линейчатый спектр и спектр поглощения. Соответственно, непрерывный спектр излучают твёрдые и жидкие тела, линейчатый – газы. Спектр поглощения наблюдается тогда, когда непрерывное излучение поглощается газом. Другими словами, разноцветные линии на тёмном фоне линейчатого спектра будут соответствовать тёмным линиям на разноцветном фоне спектра поглощения.

Именно спектр поглощения наблюдается у Солнца, тогда как нагретые газы испускают излучение с линейчатым спектром. Это объясняется тем, что фотосфера Солнца хоть и является газом, она не прозрачна для оптического спектра. Похожая картина наблюдается у других звёзд. Что интересно, во время полного солнечного затмения спектр Солнца становится линейчатым. Ведь в таком случае он исходит от прозрачных внешних слоёв её .

Принципы спектроскопии

Оптический спектральный анализ относительно прост в техническом исполнении. В основе его работы лежит разложение излучения исследуемого объекта и дальнейший анализ полученного спектра. Используя стеклянную призму, в 1671 году Исаак Ньютон осуществил первое «официальное» разложение света. Он же и ввёл в слово «спектр» в научный обиход. Собственно, раскладывая таким же образом свет, Волластон и заметил чёрные линии на спектре. На этом принципе работают и спектрографы.

Разложение света может также происходить с помощью дифракционных решёток. Дальнейший анализ света можно производить самыми различными методами. Изначально для этого использовалась наблюдательная трубка, затем – фотокамера. В наши дни получаемый спектр анализируется высокоточными электронными приборами.

До сих пор речь шла об оптической спектроскопии. Однако современный спектральный анализ не ограничивается этим диапазоном. Во многих областях науки и техники используется спектральный анализ практически всех видов электромагнитных волн – от радио до рентгена. Естественно, такие исследования осуществляются самыми различными методами. Без различных методов спектрального анализа мы бы не знали современной физики, химии, медицины и, конечно же, астрономии.

Спектральный анализ в астрономии

Как отмечалось ранее, именно с Солнца началось изучение спектральных линий. Поэтому неудивительно, что исследование спектров сразу же нашло своё применение в астрономии.

Разумеется, первым делом астрономы принялись использовать этот метод для изучения состава звезд и других космических объектов. Так у каждой звезды появился свой спектральный класс, отражающий температуру и состав их атмосферы. Также стали известны параметры атмосферы планет солнечной системы. Астрономы приблизились к пониманию природы газовых туманностей, а также , и многих других небесных объектов и явлений.

Однако с помощью спектрального анализа можно узнать не только о качественном составе объектов.

Измерить скорость

Эффект Доплера в астрономииЭффект Доплера в астрономии

Эффект Доплера был теоретически разработан австрийским физиком в 1840 году, в честь которого он и был назван. Этот эффект можно пронаблюдать, прислушиваясь к гудку проезжающего мимо поезда. Высота гудка приближающегося поезда будет заметно отличаться от гудка отдаляющегося. Примерно таким образом Эффект Доплера и был доказан теоретически. Эффект заключается в том, что для наблюдателя длина волны движущегося источника искажается. Она увеличивается при удалении источника и уменьшается при приближении. Аналогичным свойством обладают и электромагнитные волны.

При отдалении источника всё темные полосы на спектре его излучения смещаются к красной стороне. Т.е. все длины волн увеличиваются. Точно также при приближении источника они смещаются к фиолетовой стороне. Таким образом стал отличным дополнением к спектральному анализу. Теперь по линиям в спектре можно было узнать то, что раньше казалось невозможным. Измерить скорости космических объекта, рассчитать орбитальные параметры двойных звёзд, скорости вращения планет и многое другое. Особую роль эффект «красного смещения» произвёл в космологии.

Открытие американского учёного Эдвина Хаббла сравнимо с разработкой Коперником гелиоцентрической системы мира. Исследуя яркость цефеид в различных туманностях, он доказал, что многие из них расположены намного дальше Млечного Пути. Сопоставив полученные расстояния с спектров галактик, Хаббл открыл свой знаменитый закон. Согласно нему, расстояние до галактик пропорционально скорости их удаления от нас. Хотя его закон несколько разнится с современными представлениями, открытие Хаббла расширило масштабы Вселенной.

Спектральный анализ и современная астрономия

Сегодня без спектрального анализа не происходит практически ни одного астрономического наблюдения. С его помощью открывают новые экзопланеты и расширяют границы Вселенной. Спектрометры несут на себе марсоходы и межпланетные зонды, космические телескопы и исследовательские спутники. Фактически без спектрального анализа не было бы современной астрономии. Мы так и дальше бы вглядывались пустой безликий свет звёзд, о котором не знали бы ничего.

к.ф.-м.н., доцент кафедры ФиОИ Возианова А.В.
09.02.2017

Лекция 1

История возникновения спектроскопии
2

Что такое спектр?

Спектр (лат. Spectrum «видЕние») – распределение
значений физической величины (энергии,
частоты, массы). Графическое представление
такого
распределения
называется
спектральной диаграммой или спектром.
Каждый атом и молекула имеют уникальное
строение,
которому
соответствует
свой
уникальный спектр.
3

Типы спектров

(по характеру распределения физической
величины)
Непрерывный (сплошной)
Линейчатый
Полосатый
(по взаимодействия излучения с материей)
эмиссионные (спектры излучения)
адсорбционные (спектры поглощения) и
спектры рассеивания
4

Линейчатый спектр

Линейчатые спектры дают все вещества в газообразном атомарном
(но не молекулярном) состоянии. В этом случае свет излучают атомы,
которые практически не взаимодействуют друг с другом. Это самый
фундаментальный, основной тип спектров. Изолированные атомы
данного химического элемента излучают строго определенные длины
волн. При увеличении плотности атомарного газа отдельные
спектральные линии расширяются и, наконец при очень большой
плотности
газа,
когда
взаимодействие
атомов
становится
существенным, эти линии перекрывают друг друга, образуя
непрерывный спектр.
5

Непрерывный (сплошной) спектры

Непрерывные (или сплошные) спектры, дают тела, находящиеся в
твердом или жидком состоянии, а также сильно сжатые газы. Для
получения непрерывного спектра нужно нагреть тело до высокой
температуры. Характер непрерывного спектра и сам факт его
существования определяются не только свойствами отдельных
излучающих атомов, но и в сильной степени зависят от
взаимодействия атомов друг с другом. Непрерывный спектр дает
также высокотемпературная плазма. Электромагнитные волны
излучаются плазмой в основном при столкновении электронов с ионами.
6

Полосатые спектры

Для простейших молекул характерны дискретные полосатые
спектры, состоящие из более или менее узких полос со сложной
линейчатой структурой. Для наблюдения молекулярных спектров так
же, как и для наблюдения линейчатых спектров, обычно используют
свечение паров в пламени или свечение газового разряда. С помощью
очень хорошего спектрального аппарата можно обнаружить, что каждая
полоса представляет собой совокупность большого числа очень тесно
расположенных линий, разделённых тёмными промежутками. Это
полосатый спектр. В отличие от линейчатых спектров полосатые
спектры создаются не атомами, а молекулами, не связанными или слабо
связанными друг с другом.
7

Первый этап развития. Исаак Ньютон

8
Сэр Исаак Ньютон впервые нашел свою теорию
света и цветов еще в 1666 г. После передачи ему дром Барроу профессорской кафедры математики в
Кэмбридже в 1669 г., он избрал это предметом своих
публичных лекций в этом университете. В 1671 г. он
описал отражательный телескоп в "Philosophical
Transactions". В то же время он предполагал
опубликовать свои «Лекции по оптике», в которых
эти вопросы разбирались полнее вместе с трактатом
о рядах и флюксиях. Но возникшие споры, от коих он
очень страдал, заставили его отказаться от сего
намерения. У него появился такой страх в отношении
всего, похожего на пререкания, что постоянные
настояния друзей не могли заставить его напечатать
его книгу "Оптику" ранее 1704 г. Что же касается
"Лекций", они были положены, в то время когда они
читались, в архив университета. С них были сняты
многие копии, ходившие по рукам среди
интересовавшихся вопросом.

История возникновения

Исаак Ньютон «Оптика»
«Лекции по оптике» и
«Новая теория света и
цветов»
(1669-1672)
В 1704 году Исаак Ньютон в своём труде «Оптика»
опубликовал результаты своих опытов разложения с
помощью призмы белого света на отдельные компоненты
различной цветности и преломляемости, то есть получил
спектры солнечного излучения, и объяснил их природу,
показав, что цвет есть собственное свойство света, а не
вносятся призмой, как утверждал Роджер Бэкон в XIII веке.
В «Оптике» он описал все три используемых поныне метода
разложения света - преломление, интерференцию
и дифракцию, а его призма с коллиматором, щелью и
линзой была первым спектроскопом.
9

10. Королевское Общество. Доклад «Новая теория света и цветов», 6 февраля 1672 года

«1. Световые лучи различаются в их способности показывать ту или иную особую окраску точно так же, как они различаются по
степени преломляемости. Цвета не являются, как думают обыкновенно, видоизменениями света, претерпеваемыми им при
преломлении или отражении от естественных тел, но суть первоначальные, прирожденные свойства света. Некоторые
лучи способны производить красный цвет и никакого другого, другие желтый и никакого другого, третьи зеленый и
никакого иного и т. д.
2. К одной и той же степени преломляемости всегда относится один и тот же цвет и обратно. Наименее преломляемые лучи
способны порождать только красный цвет, и, наоборот, все лучи, кажущиеся красными, обладают наименьшей
преломляемостью. Наиболее преломляемые лучи кажутся глубоко фиолетовыми и, наоборот, глубокие фиолетовые лучи
преломляются более всего, и соответственно промежуточные лучи имеют средние степени преломляемости. Эта связь
цветов и преломляемости столь точна и строга, что лучи либо вполне точно согласуются в отношении того и другого, либо
одинаково отличаются в обоих.
3. Поскольку я мог открыть, вид окраски и степень преломляемости, свойственные какому-либо роду лучей, не могут быть
изменены ни преломлением, ни отражением от тел, ни какой-либо иной причиной. Когда какой-либо род лучей
полностью выделялся от лучей другого рода, то он упорно удерживал свои цвет, несмотря на крайние мои старания его
изменить. Я преломлял их в призмах и отражал от тел, которые на данном свету кажутся другой окраски, я пропускал их
через тонкие окрашенные воздушные слои, появляющиеся между двумя прижатыми друг к другу стеклянными
пластинками, заставляя проходить через окрашенные среды и через среды, освещаемые иными сортами лучей; но никогда
мне не удавалось вызвать в лучах иную окраску, чем та, которая была им свойственна сначала. При собирании или рассеянии
они становились живее или слабее и при потере многих лучей иногда совершенно темными, но никогда цвет их не
изменялся.
4. Изменения цвета могут кажущимся образом происходить, когда имеется какая-либо смесь лучей различных родов. В
таких смесях нельзя отличить отдельных слагающих; они, влияя друг на друга, образуют среднюю окраску. Если отделить
преломлением или каким-нибудь другим способом различные лучи, скрытые в подобных смесях, то появятся цвета,
отличные от окраски смеси; однако эти цвета не возникли вновь, но стали только видимыми вследствие разделения.
Разумеется, так же, как при помощи разложения смеси, так и при соединении простых цветов можно вызвать
изменения окраски: их также нельзя рассматривать как действительные превращения.
5. Поэтому мы должны различать два рода цветов: одни первоначальные и простые, другие же сложенные из них.
Первоначальные, или первичные, цвета суть красный, желтый, зеленый, синий и фиолетовый, пурпур, так же как оранжевый,
индиго, и неопределенное множество промежуточных оттенков.
10

11. Королевское Общество. Доклад «Новая теория света и цветов», 6 февраля 1672 года

6. Точно такие же по виду цвета, как и простые, могут быть получены смешением: ибо смесь желтого с синим дает
зеленый, красного с желтым - оранжевый, оранжевого и желтовато-зеленого - желтый. Только те цвета,
которые в спектре находятся на далеком расстоянии друг от друга, не дают промежуточных цветов:
оранжевый и индиго не создают промежуточного зеленого, глубоко красный и зеленый не дают желтого.
7. Наиболее удивительная и чудесная смесь цветов – белый цвет. Не существует такого сорта лучей, который в
отдельности мог бы вызвать белый цвет: он всегда сложен, и для получения его требуются все вышеупомянутые
цвета в правильных пропорциях. Часто с удивлением я наблюдал, как все призматические цвета, сходясь и
смешиваясь так же, как в свете, который падает на призму, снова давали совершенно чистый и белый свет,
который заметно отличался от прямого солнечного света только в том случае, когда примененные стекла не
были вполне чистыми и бесцветными.
8. В этом причина того, почему свет обыкновенно имеет белую окраску; ибо свет - запутанная смесь лучей всех видов
и цветов, выбрасываемых из различных частей светящихся тел. Подобная сложная смесь кажется белой, когда
ингредиенты находятся в правильной пропорции; если, однако, имеет преимущество один цвет, то свет
склоняется в сторону соответствующей окраски, как, например, в синем пламени серы, желтом пламени свечи и в
различных окрасках неподвижных звезд.
9. Отсюда становится очевидным, каким образом возникают цвета в призме.
10. Отсюда же ясно, почему появляются цвета радуги в падающих дождевых каплях.
12. Отсюда же ясна причина того поразительного опыта, о котором м-р Гук сообщает в своей «Микрографии». Если
поставить один за другим два прозрачных сосуда с двумя прозрачными жидкостями, синей и красной, то вместе
они кажутся совершенно непрозрачными. Один сосуд пропускает только красные, другой только синие лучи,
потому через оба вместе не могут пройти никакие лучи.
13. Я мог бы добавить еще много примеров такого рода, но закончу общим заключением, что цвета естественных тел
происходят только от различной способности тел отражать одни виды света в ином количестве, чем
другие. И это я доказал, отбрасывая простые цвета на тела в темной комнате.
После всего этого нельзя больше спорить о том, существуют ли цвета в темноте и являются ли они свойствами
тел, которые мы видим, или же свет, может быть, является телом.
...Мы видели, что причина цветов находится не в телах, а в свете, поэтому у нас имеется прочное основание считать
свет субстанцией... Не так легко, однако, с несомненностью и полно определить, что такое свет, почему он
преломляется и каким способом или действием он вызывает в нашей душе представление цветов; я не хочу здесь
смешивать домыслов с достоверностью».
11

12. Открытие дискретных спектров испускания и поглощения

Волластон впервые наблюдал
темные линии в солнечном
спектре. Он их рассматривал как
«границы цветов»
Уильям Хайд Волластон (1766-1828)
- английский учёный, который открыл палладий (1803) и родий (1804), впервые получил
(1803) в чистом виде платину. Открыл (1801) ультрафиолетовое излучение,
сконструировал рефрактометр (1802) и гониометр (1809). Его работы посвящены
неорганической химии, а также физике, астрономии, ботанике и медицине.
Волластон предложил оригинальную технику порошковой металлургии, которая предвосхитила
современные способы промышленного производства изделий из платины, молибдена,
вольфрама и других металлов.
12

13. Открытие дискретных спектров. Фраунгофер

В 1814 году Фраунгофер обнаружил много сотен
темных линий в солнечном спектре – линий
поглощения (фраунгоферовы линии). Наиболее
интенсивные линии он обозначил латинскими
буквами. Длины их волн были измерены
Фраунгофером. Также были обнаружены светлые
линии – линии испускания – в спектрах пламен и
искр.
13

14. Второй этап. Закон Кирхгофа.

Густав Роберт Кирхгоф (12.03.1824-17.10.1887)
Научная деятельность Кирхгофа охватила многие
разделы
физики.
Его
работы
посвящены
электричеству, механике, оптике, математической
физике, теории упругости, гидродинамике. Наиболее
известными являются - общая теория движения тока
в проводниках и один из основных законов теплового
излучения.
Роберт Вильгельм Бунзен (1811-1899)
В 1854 году изобрел горелку, которая давала чистое и
бесцветное пламя. Поэтому, при введении в него какоголибо вещества, было отчетливо видно изменение цвета
огонька. Например, введение крупинки стронциевой
соли давало яркий малиновый огонь. Кальция -
кирпично-красный; бария - зеленый; натрия - яркожелтый.
14

15. Опыты Кирхгофа и Бунзена

Спектроскоп Кирхгофа-Бунзена, Annalen der Physik und der
Chemie (Poggendorff),Vol. 110 (1860).
15
Открытие оптического метода исследования химического состава тел и
их физического состояния содействовало выявлению новых
химических элементов (индия (In), цезия (Cs), рубидия (Rb), гелия
(He), таллия (Tl) и галлия (Ga)), возникновению астрофизики.
Кирхгоф показал, что с помощью спектрального анализа можно
определять химический состав небесных тел и объяснил темные
полосы в спектре Солнца (фраунгоферовы линии).Сформулировал
основной закон теплового излучения, ввел понятие абсолютного
черного тела.

16. Закономерности в расположении линий в атомных спектрах

1885 г. Балмер показал, что длины волн 13 линий спектральной
серии водорода, могут с большой точностью быть представлены
формулой
Ридберг определил формулы для важнейших спектральных линий
щелочных металлов, представив волновые числа как разность двух
спектральных термов (энергии, взятые с обратным знаком)
Формулы для спектральных серий Кайзера, Рунге и Пашена
В 1908 г. Ритц сформулировал комбинационный принцип
Деландр нашел формулы, определяющие расположения полос в
молекулярных спектрах и расположения линий, на которые эти
полосы распадаются при достаточной дисперсии
16

17. Достижения в смежных областях

1860-1865 гг. - открытие радиоволн (электромагнитное излучение
большой длины волны)
1869 г. открытие закона периодических элементов Менделеевым
Открытие рентгеновских и гамма-лучей (малые длины волн)
1896 г. Беккерель открытие явления радиоактивности
Дисперсия электромагнитных волн в веществе, теория
нормальной и аномальной дисперсии (Рождественский,
исследования аномальной дисперсии)
Лоренц объяснил явление расщепления спектральных линий в
магнитном поле (в простейшем случае на три составляющих)
1900 г. Планк впервые выдвинул гипотезу квантов излучения
1905 г. Эйнштейн ввел представление о квантах как о частицах
света (фотонах)
1911 г. Модель атома Резерфорда, состоящего из ядра и электронов
17

18. Модель атома по Резерфорду

1. в центре атома - положительно заряженное ядро:
заряд ядра q = Z·e, где Z-порядковый номер элемента в
таблице Менделеева,
e =1.6·10-19 Кл - элементарный заряд;
размер ядра 10-13 см;
масса ядра фактически равна массе атома.
2. электроны движутся вокруг ядра по круговым и
эллиптическим орбитам, как планеты вокруг Солнца:
электроны удерживаются на орбите кулоновской силой
притяжения к ядру, создающей центростремительное
ускорение.
число электронов в атоме равно Z (порядковый номер
элемента)
электроны движутся с большой скоростью,
образуя электронную оболочку атома.
18
По законам классической электродинамики, движущийся с ускорением заряд должен излучать
электромагнитные волны, при этом энергия атома уменьшается. За короткое время (порядка 10–8 с)
все электроны в атоме Резерфорда должны растратить всю свою энергию и упасть на ядро, а
атом прекратить свое существование.!

19. Постулаты Бора. Правило квантования

1913 г. Бор предположил, что величины, характеризующие микромир
должны квантоваться (принимать дискретные значения)
Три постулата Бора «спасающих» атом Резерфорда
Законы микромира - квантовые законы! Эти законы в начале 20 столетия
еще не были установлены наукой. Бор сформулировал их в виде трех
постулатов. дополняющих (и "спасающих") атом Резерфорда.
Первый постулат:
Атомы имеют ряд стационарных состояний соответствующих
определенным значениям энергий: Е1, Е2...En. Находясь в стационарном
состоянии, атом энергии не излучает, несмотря на движение электронов.
Второй постулат:
В стационарном состоянии атома электроны движутся по стационарным
орбитам, для которых выполняется квантовое соотношение:
Mp n
h
2
где M p - момент импульса, n=1,2,3..., h-постоянная Планка.
Третий постулат:
Излучение или поглощение энергии атомом происходит при переходе его
из одного стационарного состояния в другое. При этом излучается или
поглощается порция энергии (квант), равная разности энергий
стационарных состояний, между которыми происходит переход:
hvkn Ek En
19

20. Схемы перехода атома

из основного стационарного
состояния в возбужденное
20
из возбужденного
стационарного состояния в
основное

21. Сравнение оптических и радиотехнических методов описания явлений

Радиотехника
21
Оптика
Наименование волн
Радиволны
Описание
пропускания
Классический
перенос
Квантовый переход
Измерение
Напряженность
электрического
поля
Интенсивность
Инструменты
Контур, антенна,
волновод
Линза, зеркало,
световод
Приближение
Однородное поле
Однородная среда

22. Спектральный анализ в наши дни

Наука и техника ТГц (субмм) волн начала активно развиваться с 60-
70-х годов XX века, когда стали доступны первые источники и
приёмники такого излучения
Большую
важность имеют исследования в области ТГц
спектроскопии различных веществ, что позволит найти для них
новые применения.
В ТГц диапазоне расположены частоты межуровневых переходов
некоторых неорганических веществ (линии воды, кислорода, CO,
например), длинноволновых колебаний решёток ионных и
молекулярных кристаллов изгибных колебаний длинных молекул, в
том числе полимеров и биополимеров. Поэтому особый интерес
представляет исследование воздействия ТГц излучения на живой
организм и биообъекты.
22

23. Терагерцевое излучение

Частотный диапазон: 0,1 до 10 ТГц
Диапазон длин волн: 3 мм – 30 мкм
тера (русское обозначение: Т; международное: T) - одна из приставок, используемых в
Международной системе единиц (СИ) для образования наименований и обозначений
десятичных кратных единиц. Единица, наименование которой образовано путём
присоединения приставки тера к наименованию исходной единицы, получается в
результате умножения исходной единицы на число 1012, т.е. на один триллион.
В качестве приставки СИ принята XI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960
году. Наименование происходит от греческого слова τέρας, что означает чудовище, то
23есть единиц с указанной приставкой «чудовищно много».

24.

Актуальность ТГц излучения:
Спектры молекул и атомов
24
В ТГц диапазоне расположены частоты:
межуровневых переходов неорганических веществ (Н2О, О2, CO);
вращений и колебательных возбуждений биополимеров (молекулы белков, ДНК);
длинноволновых колебаний решеток ионных и молекулярных кристаллов;
примесей в диэлектриках и полупроводниках.

25.

Актуальность ТГц излучения: Преимущества
Терагерцовое излучение является неионизирующим, в отличие от
рентгеновского излучения, используемого в медицинской диагностике. В
то же время, различные биологические ткани обладают существенно
различным поглощением в данном диапазоне, что позволяет обеспечить
контрастность снимков.
По сравнению с видимым и ИК излучением, терагерцовое излучение
является длинноволновым, а значит, что оно менее подвержено
рассеянию. В результате, в этом диапазоне прозрачны многие сухие
диэлектрические материалы, такие как ткани, дерево, бумага,
пластмассы. Поэтому терагерцовое излучение можно использовать для
неразрушающего контроля материалов, сканирования в аэропортах, и пр.
В терагерцовом диапазоне лежат резонансы вращательных и
колебательных переходов многих молекул. Это позволяет проводить
идентификацию молекул по их спектральным «отпечаткам пальцев». В
сочетании с получением изображения (имиджингом) в терагерцовом
диапазоне это позволяет определить не только форму, но и состав
исследуемого объекта.
Терагерцовое излучение может быть продетектировано во временной
области, т.е. может быть измерена как амплитуда, так и фаза поля. Это
позволяет напрямую измерять вносимый исследуемым объектом сдвиг
фаз, а значит, позволяет исследовать быстропротекающие процессы и даже
управлять ими.

26. Применение ТГц излучения

Квантовые точки:
Системы безопасности:
возбуждение КТ
когерентное управление КТ
сканирование пассажиров,
багажа на наличие взрывчатых
веществ, оружия, наркотиков
Высокоскоростная связь
ТГц
излучение
Экологический мониторинг
Медицинская
диагностика:
для обнаружения рака,
для обследования зубов
Контроль качества
медикаментов

27.

Круговая диаграмма современных областей ТГц исследований
27
Кси-Ченг Жанг, Джингджю Шю «Терагерцовая фотоника», 2016 год

28. Области применения СА

Исследование органических веществ и неорганических
28
соединений (химическая, химико-фармацевтическая
и нефтеперерабатывающая промышленность)
Производство полимеров (сверхвысокая концентрация
примесей)
Исследование атомов и молекул (определение энергий и
квантовых чисел состояний)
Физические характеристики (давление, температура,
скорость движения, магнитная индукция) газовых
облаков и звезд - астрофизика
Криминалистика
Медицина (диагностика, спектральный анализ крови,
проверка минерального состава тела - волосы)
Геология (оценка разнообразных объектов)

29. Какие характеристики веществ можно получить с помощью спектрального анализа?

Химический состав изучаемого объекта
Изотопный состав рассматриваемого объекта
Температуру вещества
Сверхточная концентрация примесей в
мономерах
Наличие магнитного поля и его напряженность
Скорость движения и др.
Спектральный анализ дает возможность
определить компоненты в составе вещества,
масса которого не выше 10-10

Из истории . Уже в течение нескольких сотен лет до Ньютона поэты, художники и философы много рассуждали о природе цвета, и большинство из них было убеждено, что они знают все, что можно было узнать относительно этого.

Но в 1666 году Ньютон выполнил эксперимент, противоречащий практически всем теориям цвета, существовавшим в это время. Известие об его открытии быстро распространилось, но было встречено очень резкой оппозицией и обвинениями против Ньютона.

Ради краткости и ясности процитируем собственное описание Ньютоном его знаменитого эксперимента.

«В 1666 году (когда я стал шлифовать оптические стекла несферической формы) я раздобыл себе треугольную стеклянную призму для того, чтобы с помощью ее попробовать проверить известные" явления цвета. Для этой цели я затемнил мою комнату и сделал очень маленькое отверстие в ставне для пропуска соответствующего количества солнечного света. Я поместил мою призму у этого отверстия таким образом, чтобы она преломляла свет на противоположную стенку. Мне доставляло большое удовольствие рассматривать живые и интенсивные цвета, получающиеся таким образом».

Вы и сами можете очень легко сделать этот эксперимент. Если выполнить его с прямым солнечным светом не очень удобно, можете воспользоваться светом от угольной дуги или электрической лампочки накаливания.

Для получения лучших результатов необходимо иметь параллельный пучок лучей. Ньютон пользовался пучком такого света круглого сечения.

К большому его удивлению, этот пучок выходил из его призмы в виде продолговатого пучка, состоявшего из цветной полосы, содержащей фиолетовый, голубой, зеленый, желтый, оранжевый и красный цвета.

Полоса, состоящая из различных цветов, получающаяся в результате прохождения света от источника сквозь призму, называется спектром этого источника.

Ньютон был озадачен двумя особенностями этого эксперимента. Почему белый свет, входящий в призму, выходил из призмы в виде разноцветной полосы? И почему падающий круглый пучок оказывался продолговатым после преломления? Сравнив длину пучка с его шириной, он нашел, что длина в 5 раз больше.

Сначала Ньютон пытался объяснить продолговатость как результат преломления, но отказался от этой мысли, так как считал, что "свет отклонялся для этого слишком сильно".

Отбросив ряд других теорий, которые могли бы объяснить продолговатость сечения пучка, Ньютон, в конце концов, выделил каждый отдельный цвет солнечного спектра из всех других и заставил его преломляться через вторую призму.

В результате он обнаружил, что оранжевый цвет, взятый отдельно, преломлялся больше красного, желтый - больше оранжевого, зеленый - больше желтого, голубой - больше зеленого и, наконец, фиолетовый цвет преломлялся сильнее всех других.

Почему это было так, Ньютон не знал, но это объясняло, почему сечение преломленного пучка было длиннее в одном направлении, чем в другом.

Кроме того, этот эксперимент показывал, что белый цвет в действительности состоит из шести (по современным данным - из семи) различных цветов. Именно против этого вывода и возражало большинство.

Критическая проверка такого заключения была проста. Дадут ли эти шесть различных цветов света при их смешении вновь белый свет?

Когда Ньютон сложил эти цвета, поместив вторую призму за первой, он убедился, что вновь получается белый свет.

Ньютону было достаточно этого эксперимента для доказательства его теории. Однако его противники не были удовлетворены и в течение более 100 лет возражали против этой теории.