Вивчення властивостей інфрачервоного випромінювання
Спочатку вивчимо особливості ІЧ-випромінювання деяких джерел.
Несподівана властивість пульта дистанційного керування (ПДУ).ПДУ посилає керуючі сигнали до телевізора (або іншої апаратури) у вигляді електромагнітних імпульсів ІЧ-діапазону. Їхнє джерело – інфрачервоний світлодіод (ІЧ-діод). Спробуємо зареєструвати це випромінювання. Досвід не потребує затемнення. На цифровому фотоапараті встановлюємо автоматичний режим зйомки та відключаємо фотоспалах. Поміщаємо ПДК навпроти об'єктива фотоапарата на відстані приблизно 15 см, направивши його на об'єктив. Натискаємо будь-яку кнопку на ПДК і в цей момент робимо знімок. На дисплеї фотоапарата виявляємо світловий спалах (світло-фіолетова пляма на фотографії, мал. 1), простим оком не видимий.
Мал. 1. Світло-фіолетова пляма на ПДК, видима через ІЧ-світлофільтр
Джерело випромінювання – ІЧ-діод. ПДУ не завжди зручно використовувати для експерименту. Тим більше, що електронна начинка ПДУ для вивчення не потрібна. Важливим є саме ІЧ-діод. Підготуємо нове джерело випромінювання – ІЧ-діод (довжина хвилі менше 1 мкм) у складанні з елементом живлення, наприклад, літієвою батарейкою типуLR44 (рис. 2), дотримуючись полярності (довгий контакт – до позитивного полюса) , пайка не потрібна. На камері встановлюємо автоматичний режим зйомки. Діод маємо перед об'єктивом фотоапарата на відстані до 15 см, і на дисплеї фотоапарата спостерігаємо зображення.
Мал. 2. Зліва – елемент живлення (1) у складанні з ІЧ-діодом (2); справа – світло ІЧ-діода, зареєстроване за допомогою цифрового фотоапарата
Увага! У ПДУ такі діоди працюють в імпульсному режимі, тому коли їх підключають до джерела живлення безпосередньо, вони перегріваються і виходять зладу. Тому краще використовувати джерело напруги до 1,5 В.
Спостереження ІЧ-випромінювання від нагрітих тіл. Для досвіду знадобиться нагріте тіло (спіраль лампи розжарювання, Сонце, жало паяльника тощо), ІЧ-світлофільтр, цифровий фотоапарат. Як ІЧ-світлофільтр можна використовувати або світлофільтр з набору по оптиці типу ІКС (краще ІКС-1), або ебонітову пластинку товщиною не більше 0,5 мм, або два адсорбційні світлофільтри з набору по оптиці (наприклад, червоний і зелений), складених разом («подвійний» світлофільтр). Ці світлофільтри пропускають частину червоного світла (у чому можна переконатися, якщо подивитися через них на лампу розжарювання), проте для наших цілей все ж таки підійдуть.
Утримуючи ІЧ-світлофільтр у руці, щільно притискаємо його до об'єктиву фотоапарата. Об'єктив направляємо на джерело випромінювання, встановлюємо автоматичний режим зйомки. Спостерігаємо на дисплеї фотоапарата зображення нагрітого тіла, рис. 3.
Мал. 3. Свічення: а) спіралі лампи розжарювання, зафіксоване цифровим фотоапаратом через «подвійний» світлофільтр; б) тієї ж спіралі – через ебонітову платівку; в) Сонця через ебонітову платівку
Як видно, ебоніт сильно поглинає випромінювання, тому «подвійний» світлофільтр для дослідів із нагрітими тілами краще. Від жала паяльника світіння зафіксувати не вдається. Чому? Справа в тому, що довжина хвилі випромінюваного жалом світла виходить за межі діапазону чутливості ПЗЗ фотоапарата.
Чи всі об'єкти, що світяться, і нагріті тіла випромінюють ІЧ-хвилі? Проведемо ще кілька дослідів. Порівняємо властивості полум'я свічки (запальнички, сірники) та газової плити. Нам знову знадобляться ІЧ-світлофільтр та цифровий фотоапарат. Випромінювач може бути не дуже потужним. Якщо використовуємо ебонітовий світлофільтр, то фотоапарат налаштовуємовручну: встановлюємо максимальну чутливість матриціISO(у разі 400), а швидкість спрацьовування затвора робимо близько 3 з. Утримуючи ІЧ-світлофільтр у руці, полотно притискаємо його до об'єктиву фотоапарата. Об'єктив спрямовуємо на джерело випромінювання, рис. 4.
Мал. 4. Полум'я свічки, видиме: а) неозброєним оком; б) у цифровому фотоапараті через «подвійний» світлофільтр; в) через ебонітову пластинку з витримкою 3 с
Однак ІЧ-випромінювання від люмінесцентної лампи та полум'я газової плити зареєструвати не вдається. Чому? Світіння люмінесцентної лампи обумовлено явищем фотолюмінесценції (холодне свічення), яке спектр максимально наближений до спектру денного (білого) світла, тобто. ІЧ-випромінювання у ньому практично немає. Полум'я від газової плити здається нам блакитним, оскільки найбільша інтенсивність випромінювання посідає саме довжину хвилі блакитного кольору. Тому, незважаючи на те, що це нагріте тіло, його ІЧ-випромінювання слабке.
Чи відображаються ІЧ-хвилі від звичайного дзеркала? Це легко перевірити, маючи ІЧ-діод (ПДУ), дзеркало і цифровий фотоапарат.
Заломлення ІЧ-хвиль на склі. Світло, проходячи через межу поділу середовищ, заломлюється. Якщо на шляху променя під деяким кутом розмістити трапецієдальну призму, промінь пройде так, як показано на рис. 5. Доведіть, що ІЧ-хвилі переломлюються.
Мал. 5. Хід променя в трапецеїдальній призмі
«Невидима» дисперсія.Порівняємо показники заломлення ІЧ-випромінювання та видимого світла.
Обладнання: освітлювач (з лампою розжарювання), оптичні світлофільтри, фотоапарат, трикутна заломлююча призма.
Як освітлювач можна використовувати кишеньковий ліхтарик. Щоб порівняти показники заломлення, необхідно виділити із загального спектру якийсь один колір,наприклад, зелений. За допомогою призми розкладемо видиме світло у спектр (явище дисперсії). Встановимо перед освітлювачем світлофільтр, наприклад, зелений. Об'єктив фотоапарата направимо на місце виходу променів із призми. За потреби яскравість освітлювача потрібно зменшити. На дисплеї фотоапарата ми спостерігали гарний поділ цяток зеленого та світло-фіолетового (ІЧ) кольорів, отриманих після проходження світла через трикутну заломлюючу призму. Отримували також поділ червоного світла та ІЧ-променів. З дослідів випливає, що показник заломлення ІЧ-випромінювання менший, ніж видимого світла.
Мал. 6. Установка спостереження дифракції: 1 – фотоапарат; 2 – дифракційні грати у тримачі; 3 – лазерна указка; 4 – ПДК; 5 – світлофільтр – засвічена фотоплівка
На рис. 7 показані картини дифракції червоного та ІЧ-випромінювань:В- головний максимум;C– перші максимуми червоного випромінювання;D –перші максимуми ІЧ-випромінювання. Праворуч показаний хід променів після проходження дифракційної ґрат (точкаА). Виміряємо відстаніВСтаBDна фотографії. Ми знаємо довжину хвилі лазера (у нашому випадку 650 нм) і, використовуючи формулуdsin=k, можемо розрахувати параметри трикутникаABC, а потім і трикутникаABD. Знаючи кут 2, визначимо довжину хвилі ІЧ-діода. Отримана довжина хвилі повинна лежати від 750 нм до 1100 нм.
Мал. 7. Картини дифракції червоного (вгорі) та ІЧ (внизу) випромінювань: В – головні максимуми; C та D – перші максимуми. Праворуч – побудова для розрахунку довжини І К-хвилі за відомою
Приклад розрахунку.Довжина хвилі випромінювання лазерної указки дорівнює 650 нм. Ми використовували дифракційну решітку із 350 штрихами на 1 мм. Відстань:ВС= 24 мм,BD= 31 мм.
Отже,звідси:
За теоремою Піфагора:
Можливий інший варіант досвіду з використанням лише одного джерела світла (ліхтарик із лампою розжарювання). Вам знадобляться ще дифракційні грати та червоний світлофільтр. Отримана дифракційна картина (при 350 штрихах мм) показана на рис. 8. Оскільки ми не знаємо довжину хвилі, що пропускає червоний світлофільтр, можна взяти середнє значення для червоного світла 700 нм. Тоді розрахункова довжина хвилі ІЧ-випромінювання дорівнюватиме 981 нм.
Мал. 8. Картина дифракції, отримана від ліхтарика через червоний світлофільтр: 1 – центральний максимум, 2 – перші максимуми для червоного світла, 3 – те саме для ІЧ-випромінювання
Явлення поляризації.Для досвіду знадобиться лампа розжарювання (ліхтарик), два плівкові поляроіди, фотоапарат. Лампу розжарювання маємо навпроти об'єктива фотоапарата. Між ними поміщаємо два поляроїди, повертаємо один до того моменту, поки видиме світло не перестане проходити через поляроїди. Результати досвіду виявляються дивовижними. Спробуйте пояснити їх.
Як виглядають предмети різних кольорів у ІЧ променях. Для досвіду знадобляться: ІЧ-світлофільтр (подвійний), фотоапарат, об'єкт (наприклад, кольоровий). На цифровому фотоапараті встановлюємо максимальну чутливість матриціISO(у нашому випадку 400), швидкість спрацьовування – близько 5 с. Утримуючи ІЧ-світлофільтр у руці, щільно притискаємо його до об'єктиву фотоапарата. Об'єктив направляємо на об'єкт вивчення та додатково освітлюємо об'єкт лампою розжарювання. Робимо знімок. Для порівняння робимо знімок об'єкта під час денного освітлення в автоматичному режимі роботи фотоапарата. Результати виходять несподіваними! (Наприклад, деякі об'єкти можуть бути прозорими, рис. 9.)
Мал. 9. Ампула з йодом: а) у звичайних та б) уІЧ-променях