О чем рассказывает свет

Спектры радиоизлучений звезд и галактик являются таким же мощным средством изучения свойств звезд и галактик и протекающих в них процессов, как и спектры видимой части света. Для получения и анализа спектров радиоизлучений в последнее десятилетие построены мощные радиотелескопы, в которых отсутствует обычная оптика. Радиотелескопия увеличила возможности изучения звезд и галактик, так как в радиоспектрах раскрываются новые особенности и процессы в источниках. Кроме того, радиотелескопы проникают во Вселенную гораздо глубже, чем оптические телескопы. Им доступны галактики на расстояния до 10 миллиардов световых лет и более, тогда как оптические телескопы проникают во Вселенную лишь до 5—6 миллиардов световых лет[2].

Призма отказывается служить

Спектроскоп со стеклянной призмой оказал ученым большую помощь. Но после открытия электромагнитных излучении выявилось, что стеклянная призма не для всех лучей прозрачна. Она пропускает только видимый свет и частично инфракрасные и ультрафиолетовые излучения, а именно те из них, которые ближе всего примыкают к видимому свету. Остальные излучения стекло не пропускает, и, значит, нужно подыскивать призмы не из стекла, а из других материалов. Для длинноволновых инфракрасных излучений пришлось бы изготовить призмы не из стекла, а из каменной соли или из минерала сильвина. Для коротких электромагнитных волн в несколько сантиметров подходящей была бы призма из асфальта или серы. Для средневолновых ультрафиолетовых излучений пришлось бы взять призму из кварца. Для коротковолновых же ультрафиолетовых излучений вообще нет подходящего «прозрачного» материала среди известных в настоящее время. А рентгеновские лучи так мало преломляются в любом материале, что почти невозможно развернуть их в широкую полосу спектра.

Стеклянная призма хорошо работает на небольшом участке спектральной шкалы. На других участках она отказывает. Материал, из которого сделана призма, становится препятствием для исследований.

Но нельзя ли обойтись без призмы? Нельзя ли разложить сложные излучения на простые каким-либо иным путем, без призмы?

И снова работает пытливая мысль человека, ищет и находит выход.

Дифракционная решетка

На смену призме пришел новый прибор — дифракционная решетка.

С явлением дифракции мы уже встречались. Это была дифракция от двух щелей в приборе Юнга. Дифракционная решетка — это пластинка со множеством щелей (до 100—150 тысяч). Все ее щели отстоят друг от друга на равных расстояниях. Дифракционная картина в ней существенно отличается от картины дифракции от двух щелей. Рассмотрим действие решетки (см. схему на рис. 28).

Посмотрим сначала, в чем действие решетки сходно с действием прибора Юнга.

Пусть на дифракционную решетку со множеством щелей падает пучок параллельных одноцветных лучей. Мы уже знаем, что, пройдя щели, они отклонятся и будут интерферировать друг с другом.

Обозначим направления интерферирующих лучей через угол φ₁. Разность хода волн у лучей 1 и 2 выражается отрезком A₁B₁. Пусть она равна целой длине волны λ. Мы уже знаем, что в этом случае луч 1 и луч 2 будут усиливать друг друга.

Разность хода между лучами 1 и 3 (отрезок А₁Б₂) равна 2λ. Третий луч также усилит действие лучей 1 и 2. Но и все другие лучи, идущие под углом φ₁ будут усиливать друг друга. Яркость света в направлении φ₁ действием решетки чрезвычайно усиливается.

Так же будет действовать решетка и в направлениях φ₂, φ₃ и т. д., для которых разность хода волн между соседними лучами составляет 2λ, 3λ и т. д.

Рис. 28. Схема действия дифракционной решетки

Направления, по которым яркость света усиливается решеткой, определяются по тому же правилу, что и для двух щелей.

Теперь посмотрим, каково различие в действиях решетки и прибора Юнга. Рассмотрим лучи, идущие под углом, весьма мало отличающимся от угла φ₁. Пусть в этом направлении разность хода между двумя соседними лучами будет немного больше λ, например λ + 1/100 λ. В приборе Юнга с двумя щелями яркость света в новом направлении будет лишь чуть-чуть меньшей. А в решетке со множеством щелей картина будет другая. Если разность хода между лучами 1 и 2 будет λ + 1/100 λ, то между лучами 1 и 3 она будет 2(λ + 1/100 λ) = 2λ + 2/100 λ, между лучами 1 и 4 соответственно 3(λ + 1/100 λ) = 3λ + 3/100 λ, и так далее. А между лучом 1 и 51 мы получим разность хода 50λ + 50/100 λ = 50λ + 1/2 λ, т. е. целое с половиной число длин волн.