Жарық пен заттың өзара әсерлесуі

Жарық дисперсиясы. Заттың жарық сындыру көрсеткішінің жарық толқыны ұзындығына тәуелділігі жарық дисперсиясы деп аталады, яғни

(4.1)

мұндағы п – заттың сыну көрсеткіші, - жарықтың толқын ұзындығы.

Егер жарықтың толқын ұзындықтары көбейгенде (тербеліс жиелігі азайғанда) сыну көрсеткіші кемитін болса, ондай дисперсияны қалыпты дисперсия деп атайды. Ал жарықтың толқын ұзындығы кемігенде (тербеліс жиелігі артқанда) сыну көрсеткішінің кемуі аномаль дисперсия деп аталады.

Аталған құбылыс жарық мөлдір призмадан өткенде айқын білінеді. Сонда ақ жарық жеті түрлі түске жіктеледі. Оны спектр деп атайды. Әр түрлі жарық көздерінің спектрлерін зеттергенде, спектрдің бірнеше түрлері болатындығы тағайындалды. Қызған қатты денелер мен сұйықтар шығаратын жарықтардың спектрлері тұтас спектр болады. Мұндай спектрлерде екі түстің ара жігі бөлінбейді. Мысалы, электр шамының қыл сымы қызғанда шығаратын жарығының спектрі тұтас болады. Сиретілген газдар мен булар сызықтық спектрлер шығарады. Мысалы, инертті газдардың, сутегі, оттегі атомдарының, сондай-ақ металл буларының шығаратын жарығының спектрлері сызықтық болады. Жарқырайтын дененің шығаратын спектрлері шығару спектрлері деп аталады. Кез келген жарық көзі шығарып тұрған жарық ағының мөлдір зат арқылы өткізсек, онда ағын энергиясының бір бөлігін зат жұтып алады. Заттар толқын ұзындықтары әр түрлі жарық сәулелерін бірдей жұта бермейді. Қызған кезінде зат қандай толқын ұзындықтары сәуле шығаратын болса, ол сондай толқын ұзындықтары сәулені жақсы жұтады. Демек, атомдардың жұтылу сызықтары олардың сәуле шығару сызықтарына сәйкес келеді. Бұл Кирхгофф заңы делінеді.

Заттың құрамын оның сәуле шығару спектрі бойынша анықтау спектрлік анализ деп аталады. Спектрлік анализ металлургияда, биологияда, химияда, физикада және т. б. қолданылады. Спектрлік анализ әдісі көмегімен бірнеше химиялық элемент табылды. Мысалы, 1860 жылы спектр әдісімен цезий, 1861 жылы рубидий, талий т.б. элементтер ашылды. Спектрлік анализ аспан денелерін зерттеуге де көп көмегін тигізеді. Күннің жарығын арнаулы спектрлік құралдармен спектрге жіктеп зерттегенде оның құрамында өзімізге қазіргі кезде мәлім 67 элементтің бар екені анықталған.

Жарықтың жұтылуы. Бугер – Ламберт – Бер заңы. Жарық толқыны басқа зат арқылы өткенде сол затты құрайтын атомдардың электрондарын еріксіз тербеліске келтіреді. Оған жарық толқынының біраз энергиясы жұмсалады. Сөйтіп, жарық толқыны бірте-бірте өше береді. Осы процесті жарықтың әлсіреуі деп атайды. Сонымен қатар, жарық толқынының келесі бір бөлігі энергияның басқа түріне айналып кетеді. Мысалы, атомдар мен молекулалардың жылулық қозғалысының интенсивтігінің артуына (жылулық эффект), атомдардың қозуына, иондалуға жарық толқыны энергиясы жұмсалады. Жарық толқыны энергиясының заттың ішкі энергиясының басқа түрге айналып кетуін жарықтың жұтылуы деп атайды. Біртекті ортаға сәулелерін параллель түсіріп тұрған монохромат жарықтың жұтылуын П. Бугер (1729) мен И. Ламберт (1760) анықтап берді: Өте кішкене бірдей қалыңдықтағы (dl) жарықтың азаюы (dІ) осы қашықтыққа және жарықтың күшіне (І) тура пропорционал болады:

, (4.2)

мұндағы - жұтылу коэффициенті, ол заттың табиғаты мен толқын ұзындығына байланысты. Қалыңдығы l – ге тең денеден өткенде жарықтың жұтылуын табу үшін теңдікті интегралдаймыз, сонда

(4.3)

Бұл Бугер - Ламберт заңы деп аталады, мұндағы І₀ – жарықтың денеге түскен кездегі интенсивтігі, І – жарықтың денеден шыққаннан кейінгі интенсивтігі. Егер болса, , бұдан тұжырымдайтынымыз: қалыңдығы жұтылу коэффициентінің кері шамасына тең зат қабатынан өткенде жарық интенситігі 2,72 есе кемиді. Олай болса, жұтылу коэффициенті дегеніміз жарық интенсивтігін 2,72 есе азайтатын зат қабатының қалыңдығының кері шамасы екен.

жарықтың әлсіреуін анықтау үшін өткізу (мөлдірлік) , жұтылу және заттың оптиалық тығыздығы деген ұғымдар еңгізіледі. Олай болса және .

Әр түрлі заттың жұтылу коэффициенті түрліше болады. Заттың жұтылу коэффициенті жарық толқының ұзындығына тәуелді. Жарық заттан өткенде толқын ұзындығы әр түрлі сәулелер түрліше жұтылады. Бұны жарық жұту құбылысының селективтік (талғамалы) сипаты деп атайды. Адам немесе мал қанына жарық түсірілгенде, оның жұтылуы да әртүрлі болады. Жарықтың қандағы жұтылу спектрлеріне қарап қан құрамын зерттеуге болады. Осы үшін қолданылатын құралдарды оксигемометрлер деп атайды.

А. Бер (1852) әр түрлі ерітінділердің жарықты жұту процесін зерттеген-ді. Ол ерітінділердің жұту коэффициентінің екенін анықтады (Бер заңы). Мұндағы С – ерітінді концентрациясы, А – пропорционалдық коэффициент. Сонда ерітінділердегі жарықтың жұтылу Бугер – Ламберт – Бер заңымен өрнектеледі:

. (4.4)

Осыған сәйкес ерітіндінің оптикалық тығыздығы:

, (4.5)

мұндағы - жұтылудың молярлық коэффициенті.

Бір заттан дайындалған екі ерітінді ( ) алайық. Олардың конценрациялары әр түрлі, яғни С₁ С₂. Осы екі ерітінді қалыңдықтары әр түрлі екі ыдысқа құйылсын. Екі ыдыс өздерне түсірілген жарықты бірдей жұтады екен. Олай болса, ол екі ыдыстың оптикалық тығыздығы бірдей D₁=D₂ немесе ; болғандықтан , бұдан екенін табамыз. Бұдан байқап отырғанымыздай ерітінділердің концентрациялары олардың қалдығына кері пропорционал. Осыған негізделген заттар мен ерітінділердің концентрациясын табу әдісі концентрациялық колориметрия деп аталады.

Жарықтың шашырауы. Біз өткен параграфта жарықтың жұтылуын қарастырғанда жарық таралатын орта оптикалық біртекті деп алғанбыз. Ал шын мәнінде жарық таралатын орта қанша таза болғанымен оптикалық біртекті ортаға жатпайды. Мысалы, сұйық ішінде газ ерітінділері, ұсақ қатты денелер жүруі мүмкін. Олай болса ол оптикалық біртекті орта емес. Оны бұлдыр орта деп атайды. Жарық толқыны бұлдыр ортада таралғанда оның ішінде жүрген бөгде бөлшектер жарықтың таралу бағытын өзгертеді. Оны жарықтың шашырауы деп атайды. Жарық бұлдыр ортада таралғанда оның интенсивтігі кемиді. Шашыраған жарық интенсивтігі (І) төрт дәрежелі жарық тербелісі жиелігіне тура , ал төрт дәрежелі толқын ұзындығына кері пропорционал болады. . Бұл заңдылықты алғаш рет 1871 жылы Рэлей тағайындады. Сондықтан Рэлей заңы деп аталады. Егер оптикалық ортада бөлшектің мөлшері жарықтың толқын ұзындығына тең немесе одан кіші болса , онда жарықтың шашырауы байқалады. Бұны Релейше шашырау деп атайды. Шындығына келгенде жарықтың бұлдыр ортадан шашырауын алғаш зерттеген ағылшын физигі Тиндаль болатын. Сондықтан жарықтың шашырауы кейде Тиндаль эффекті деп те аталады. Жарық толқыны неғұрлым қысқа болса, соғұрлым ол көбірек шашырайды.

Құрамында ешқандай бөгде заттар болмаса, біртекті ортада да жарықтың шашырауы байқалады. Бұл кездегі шашырау ортаның температурасына байланысты. Сұйықтың немесе газдың температурасы өзгергенде, оның молекулаларынының қозғалыс жылдамдығының өзгеретіні мәлім. Олай болса, біртекті оптикалық ортаның тығыздығы барлық жерінде бірдей болмайды. Тығыздықтың өзгеруі салдарынан ортаның жарық сыну көрсеткіші бір нүктеден екінші нүктеге көшкенде өзгеріп отырады. Олай болса, молекулалар мен атомдардың жылулық қозғалысы нәтижесінде орта оптикалық біртекті болмайды. Міне осы кездегі шашырауды жарықтың молекулалақ шашырауы деп атайды. Біз қысқа жарық толқындарының ұзын жарық толқындарына қарағанда көбірек шашырайтынын айттық. Ендеше, шашыраған табиғи жарық құрамында көгілдір, көк және күлгін түсті сәулелер басым келеді. Сондықтан атмосферада шашыраған күн сәулесінің түсі бізге көкшіл болып көрінеді. Ашық күндер аспанның көгілдір болып көрінуі күн сәулесінің жолындағы ұсақ бөлшектердің шағылысуынан деп түсіндіруге болады. Ақ жарықтың қысқа толқынды (көк, көкшіл, күлгін) сәулелері жолында кездескен кедергіге соқтығысып шашырап кетеді де, атмосфера қабатына ұзын толқынды (қызыл, қызғылт, сары) сәулелер өтеді. Сондықтан күннің қызарып шығуы мен батуы түрлі-түсті сәулелердің (қызылдан күлгінге дейінгі) атмосферадан өткенде түрліше шашырауымен түсіндіріледі.