О радиолюбительстве. Пост №8. 22.07.2023. Физика и музыка
С радостью сообщаю, что баяны на тему радио (повторы постов, когда-либо выложенных мной на Пикабу ранее), закончились. Сегодняшний пост - полностью оригинальный, как и все последующие по этой теме.
Физика и музыка. Форма и спектр сигнала.
Радио и музыка - более чем близки с точки зрения физики. Как двоюродные братья. И в радиотехнике, и в музыке используются понятия частоты, длины волны, формы сигнала, и конечно, его спектра. Вот с этим и попробуем разобраться сегодня.
Знания о форме и спектре сигнала - основа основ. И, как ни странно, проще всего понять суть и взаимосвязь формы и спектра сигнала именно на примерах из музыки.
Для начала - напомню осциллограмму (визуальное отображение электрического аналога звукового сигнала):
Как видно из картинки - звуковой сигнал имеет сложную форму. А что же такое форма сигнала? На самом деле - форма сигнала - это всего-навсего изменение напряжения сигнала во времени. То есть, чтобы понять, какая у сигнала форма - надо построить график. По горизонтальной оси отложить время, а по вертикальной - напряжение. Именно такой график строит осциллограф, так сказать, онлайн.
Общеизвестно, что всё сложное может быть приведено к простому. То есть каждый сложный процесс можно разложить на множество процессов простых. То же самое и с сигналом. Сложная, зубчатая и непонятная форма сигнала на осциллограмме - это сумма электрических образов звучания разных музыкальных инструментов и голосов.
Давайте посмотрим, как выглядят осциллограммы звучания разных музыкальных инструментов в отдельности. Для ясности - заставим музыкантов во время этого опыта играть ТОЛЬКО ОДНУ ноту. И, естественно, по очереди, а не всех разом. Запишем полученные звуки и посмотрим форму их сигналов на осциллографе.
https://showslide.ru/lekciya-15-volnovie-processi-osnovnie-p...
Картинка получилась попроще? попроще... Давайте обратим внимание на осциллограмму звучания камертона. Камертон - простейший музыкальный инструмент, издающий самый простой - "чистый" звук. Выглядит он вот так:
По "рогам" камертона надо ударить металлической палочкой, и он издаст звук. Один простой звук. А что же там на осциллограмме? А на осциллограмме - синусоида. Просто синусоида. Образ "чистого" звука, радиоволны, световой волны, морской волны - любого волнового процесса. Напомню, что звуковой диапазон частот - от 16 герц до 20 килогерц (20 000 герц). 1 Герц - 1 колебание в секунду.
А теперь внимательно присмотримся к осциллограмме звучания, например, органа. Немного визуального анализа - и мы понимаем, что звучание органа - это сумма синусоидальных сигналов - основной ноты, а также нот, в два, три и четыре раза выше по частоте. И такая же картина просматривается на всех других осциллограммах! Вот иллюстрация, на которой показано - каким образом суммируются синусоиды.
Таким образом, просто внимательно рассматривая картинки, мы поняли, что любой звук - это сумма простейших звуков, каждый из которых представлен сигналом синусоидальной формы (сигналом камертона), с разной амплитудой (напряжением).
И это относится не только к сигналам звуковой частоты. Любой электрический сигнал - радио, телевизионный, радиолокационный, вообще любой, даже шум (кроме постоянного тока из батарейки) - это набор простейших синусоидальных сигналов. Другое дело, что этих синусоид может быть и две, и тысяча, и миллион, и каждая из которых будет иметь свою частоту и свою амплитуду, но сути дела это не меняет.
Любой сигнал, даже самый сложный, является композицией простейших синусоидальных сигналов.
Теперь поговорим о спектре сигнала.
Это тоже довольно просто. Если для понимания формы сигнала мы строим график напряжения сигнала в зависимости от времени, то что нам мешает построить график напряжения в зависимости от частоты? В целом, практически ничего. Особенно в наше компьютерное время. Если во времена ламп и дискретных транзисторов анализатор спектра представлял собой прибор размером с холодильник ЗИЛ, то сейчас с функцией спектроскопии вполне себе справляются простейшие устройства на базе Ардуино, не говоря уже о компьютерах.
Итак, строим график. По горизонтальной оси откладываем частоту в герцах, а по вертикальной - амплитуду сигнала (напряжение или мощность - в данном случае не важно).
Какая интересная картинка! Спектр синусоидального сигнала (звука камертона) - одна простая палочка... Интересно, а как же выглядят спектры музыкальных инструментов, формы сигналов которых мы рассмотрели выше? А вот так:
То есть, звучание каждого инструмента складывается из звучания основной ноты (она называется первой гармоникой), и каких-то ещё гармоник...
Что же такое "гармоника"? Всё просто. Это дополнительный "призвук" в звучании инструмента, на частоте, кратной первой гармонике. И от количества и "мощности" гармоник зависит характер звучания инструмента - тембр. Рассмотрим на примере фагота:
Первая гармоника - 175 герц.
Вторая - 350
Третья - 525
Четвертая - 700
Пятая - 875
Шестая - 1050... и так далее.
Вы спросите - причём тут радио? Более чем причём. Только в радио, в отличие от музыки, гармоники иногда бывают вредными. Например, мы ведём передачу на частоте 1900 КГц. Это первая гармоника, основная. А вторая гармоника - 3800 КГц. И если у нас сигнал сформирован недостаточно хорошо, и он не очищено от "высших гармоник", то своей передачей мы поставим помеху на частоте 3800 КГц, и помешаем тому человеку, который ведёт передачу там. Подробности - в одном из следующих постов.
С гармониками - разобрались. Посмотрим теперь на практические примеры спектра сигналов.
Вот спектр человеческого голоса.
А вот спектр звучания современного музыкального ансамбля:
А вот спектр сигнала вещательной радиостанции:
Вспомним спектр синусоидального сигнала (камертона) - там одна палочка... А здесь - тысячи палочек, создающие сложную картину.
Резюме:
1. Форма сигнала - это график амплитуды сигнала (мощности, напряжения, тока) в зависимости от времени.
2. Спектр сигнала - это график амплитуды сигнала (мощности, напряжения, тока) в зависимости от частоты.
3. Любой сигнал, даже самый сложный, является композицией простейших синусоидальных сигналов.
4. Форма любого сигнала может быть приведена к сумме синусоидальных сигналов разной частоты и амплитуды.
С Вами AlexRadio. 73!
Оптическая призма
Недавно пришла посылочка с Али!)
Спектральная красота
Немного о цветах, или почему нет розового лазера и зелёных звёзд
Сегодня мы основательно разберёмся, как нам удаётся видеть цвета, почему нет зелёных звёзд, и почему даже самый лучший дизайнерский монитор не может передать спектрально чистый цвет.
Поскольку видим мы глазами, то начнём именно с их устройства.
На картинке ниже показано схематическое изображение глаза человека:
Свет проходит через зрачок, затем хрусталик фокусирует его на задней стенке глаза, покрытой сетчаткой. Вот именно с тем, как она устроена, мы и разберёмся.
Мы со школы помним про палочки и колбочки у нас в глазу и знаем, что именно они и воспринимают свет и превращают его в нервные сигналы. В настоящее время известны три типа фоторецепторных клеток в глазу млекопитающих: палочки, колбочки и фоточувствительные ганглиальные клекти сетчатки (intrinsically photosensitive retinal ganglion cells (ipRGCs):
Но нас сейчас интересуют только два типа этих клеток: палочки и колбочки. Вот они отдельно на рисунке:
Диски в нижней части клеток – это складки клеточной мембраны, в которых содержится фоточувствительный белок (фотопротеин). Этот белок поглощает фотон и вызывает изменение потенциала клеточной мембраны. В палочках в роли фотопротеина выступает родопсин, а в колбочках – фотопсины разного типа.
Ниже показаны палочки и колбочки под электронным микроскопом. На левом снимке S-колбочки (показаны зелёным) и L-колбочки (показаны красным). Зелёный окрас получен с помощью антител HJ455 для того, чтобы отличить S-колбочки. На правом снимке цвета выбраны произвольно.
Как вы, возможно, заметили, палочки и колбочки лежат глубоко под поверхностью сетчатки, и диски с фотопротеинами находятся почти у задней стенки глаза, т.е. свет проходит через весь глаз и поглощаятся почти у задней поверхности:
У такого расположения «задом наперёд» есть свои причины. Во-первых, диски с родописном и фотопсином постоянно обновляются. Они расположены вплотную к клеткам пигментного эпителия сетчатки (retinal pigment epithelium - RPE), которые и отвечают за их возобновление. Во-вторых, эти самые клетки RPE поглощают рассеянный свет и не дают ему черезмерно активировать фоторецепторы, тем самым делая наше зрение намного более контрастным.
Кстати, у некоторых животных (например, у кошек) клекти RPE содержат кристаллы гуанина с примесью пигментов и отражают непоглощённый свет обратно к фоторецепторам, как зеркало, улучшая зрение в темноте. В этом случае этот слой клеток называется «тапетум», и отражённый от него свет мы и видим как светящиеся в темноте глаза.
Палочкам для активации нужно совсем немного света – они позволяют нам видеть при низкой освещённости, но никак не помогают воспринимать цвета. Именно поэтому ночью и в сумерках мы всё видим в оттенках серого. В человеческом глазу содержится около 100 миллионов палочек.
Колбочкам же для активации нужно намного больше света, зато они позволяют различать цвета. У нас три типа колбочек – для красного, зелёного и синего цветов. В глазу колбочек всего около шести миллионов, и больше всего их сосредоточено в области глаза, называемой центральной ямкой, которая находится в центре области, называемой жёлтым пятном.
Именно жёлтое пятно с его центральной ямкой – зона наиболее чёткого восприятия изображения.
На графике ниже показано, как палочки и колбочки распределены по сетчатке.
Обратите внимание, что в зоне центральной ямки палочек нет - в темноте мы лучше видим периферийным зрением. Смотреть прямо на объект в темноте - не лучший способ что-то разглядеть.
А вот плотность колбочек в зоне центральной ямки просто огромна. Кроме того, вышележащие биполярные и ганглиальные клетки расходятся в стороны, чтобы больше света смогло дойти до фоторецепторов:
Именно поэтому мы чётко видим только в небольшой области, и нашим глазам приходится непрерывно "сканировать" изображение.
Но вернемся к восприятию цветов. Как уже упоминалось выше, за это отвечают три вида колбочек: S- (short, коротковолновая синяя часть спектра), M- (middle, средняя зелёная часть спектра) и L- (long, длинноволновая красная часть спектра).
Интересно то, что S-колбочек («синих») в сетчатке очень мало. По сравнению с остальными их всего 8-10%. Причём это характерно для всех млекопитающих. У большинства из них S-колбочки перемешаны с L-колбочками, что даёт дихроматическое (двухцветовое) зрение. L-колбочки при этом отвечают не всегда за красную часть спектра, это зависит от вида животного. А вот у приматов произошла мутация, которая продублировала ген, отвечающий за L-колбочки. Это привело к появлению «средних» M-колбочек и, как следствие, трихроматическому (трехцветовому) зрению . Такие три типа цветовых рецепторов позволяют различать оттенки зелёного, жёлтого и голубого.
Если построить для колбочек график эффективности поглощения фотонов разной длины волны, то получится вот так:
Тут видно, что каждый из типов колбочек чувствителен к довольно широкому диапазону длин волн, хотя и имеет максимальную чувствительность на своей длине волны (420нм, 530нм и 560нм). Кроме того, их диапазоны пересекаются. Например, свет с длиной волны 470нм (голубой) активирует все три типа колбочек, а жёлтый (570 нм) – два типа.
Для сравнения на графике приведен спектр поглощения палочек (черная линия) с пиком в районе 500нм – это диапазон нашего ночного зрения.
Очень важно то, что отдельный тип колбочек не различает оттенки. Например, выходной сигнал «красных» колбочек для длин волн 500нм (зелёный) и 620нм (оранжевый) будет совершенно одинаковым. Более того, меняя яркость света, можно получить любой уровень сигнала: яркий темнокрасный свет вызовет такой же сигнал этих колбочек, как неяркий зелёный (520нм) или тусклый жёлтый (560нм). Если в диапазон чувствительности одного типа колбочек попадёт свет нескольких длин волн, то колбочки их тоже не различат, а выдадут сигнал, соответствующий сумме одиночных сигналов. Т.е. сигнал колбочки – это общая интенсивность всех одиночных сигналов в её диапазоне чувствительности.
И вот чтобы различать цвета, наш мозг сравнивает сигналы со всех типов колбочек. Каждая колбочка (кроме «синих» S-типа) подключена к биполярным клеткам, которые могут выдавать сигнал на один выход (ON), если колбочка возбуждена, и на другой выход (OFF), если колбочка не возбуждена (прямо как в электронике). Ниже на картинке приведена таблица истинности для всех «выходов».
Причём значение имеет не степень возбуждения каждого типа колбочек (сигнал), а разница в их сигнале. Учёные не упустили возможность провести эксперименты и определить, какой цвет мы видим в зависимости от степени возбуждения разных колбочек.
Цветовое пространство CIE 1931
Поскольку у нас три типа цветовых рецепторов, то все возможные воспринимаемые цвета можно описать в трёхмерном пространстве координат. Например, можно выбрать в качестве базиса (осей) степень возбуждения каждого типа колбочек (L, M, S).
Но исторически первая достоверная модель цветового пространства была построена в 1931 году, за 20 лет до открытия функций колбочек, и называется CIE 1931. Это пространство в трёх координатах X, Y и Z. На картинке ниже (а) показан только один «слой» (для одного Z) этого пространства. Ось Z направлена вам в лицо:
Тут важно уточнить, что ваш монитор не может отобразить все цвета пространства CIE 1931 и ограничен цветовой палитрой sRGB (отмечено треугольником на картинке), все цвета за пределами этого треугольника искажены и на самом деле выглядят не так, как на мониторе. Так же не забывайте, что на картинке только срез трёхмерного пространства – он содержит цвета только для одного значения Z.
Так вот, после множества опытов ученые точно установили зависимость между координатами цвета в цветовом пространстве (X Y Z) и степенью возбуждения разных колбочек (L M S):
В части (б) того же рисунка сверху нарисованы соответствующие функции от длины волны (это не кривые чувствительности колбочек! это результат для приведённой формулы). Видно, что для координаты X будет учитываться сигнал всех типов колбочек (красная линия захватывает диапазон всех колбочек), а вклад в координату Z дают в основном S-колбочки.
На картинке цветового пространства (а) на внешнем краю (черная линия) лежат монохроматические цвета – их мы будем воспринимать, если увидим монхроматический (только одной частоты) свет соответствующей длины волны (синие числа вдоль края).
И тут мы находим ответ на первый вопрос из заголовка – розовый цвет не касается внешней границы цветового пространства, т.е. его нельзя получить с помощью света только одной длины волны. Т.е. фотонов розового света не бывает. Этот цвет - наше субъективное восприятие смеси из нескольких длин волн.
Смешение цветов. RGB и CMYK
Сначала разберемся со светом, потом перейдем к краскам.
Если мы выберем в цветовом пространстве два цвета, то смешивая свет этих двух цветов с разной интенсивностью, мы сможем получить любой цвет, лежаший на прямой между исходными цветами. А если выберем три исходных цвета – то с их помощью (изменяя пропорции) сможем получить любой цвет внутри треугольника между этими точками. На рисунке ниже представлено цветовое пространство sRGB, у него за основу выбраны красный (Red), зелёный (Green) и синий (Blue) цвета:
Именно этот способ получения цветного изображения и используется в мониторах и экранах (даже когда кодировался в YDbDr в SECAM). Для каждой точки изображения (пикселя) используются источники света (субпиксели) трех цветов – красного, зелёного и синего. Яркость каждого субпикселя влияет на воспринимаемый цвет пикселя. Примерно так выглядит экран через увеличительное стекло (картинка из интернета):
Как нетрудно заметить, sRGB кодирование не может передать все цвета, воспринимаемые человеком. Более того, оно не может передать ни одного спектрально чистого цвета (область sRGB не касается края цветового пространства CIE 1931).
Описанный выше способ получения цветов называется аддитивным – цвета добавляются один к другому. На самом деле это единственный способ получения цвета – физика именно так и работает. Но для удобства работы с красками применяется субстрактивный синтез цветов:
Суть идеи следующая. Любой пигмент (краситель) – это вещество, которое поглощает часть длин волн и отражает остальные. Например, красный краситель отражает свет с красной длиной волны (или несколько длин волн, которые мы суммарно видим как красный).
Если взять чистый белый лист без красок, то весь отражённый от него свет будет белым – т.е. будет смесью всех длин волн (тут от источника освещения зависит, но мы так глубоко не полезем). Когда мы нанесем на лист немного красной краски, то мы «вырежем» из белого цвета часть (не полностью) всех цветов, кроме красного, и в итоге получим розовый цвет. Чем больше красного мы будем наносить, тем больше «некрасного» мы будем вырезать. Если мы начнем добавлять синюю краску, то из общего цвета начнем вычитать всё «несинее». При этом, чем больше краски мы наносим, тем темнее результат, так как тем меньше света отражается от бумаги. В аддитивной модели как раз наоборот – чем больше света попадает в глаз, там ярче цвет.
Широко используюемая схема – четырехцветная CMYK, в которой базовыми цветами служат голубой (Cyan), пурпурный (Magenta), жёлтый (Yellow) и чёрный (Key). В идеале смесь первых трех в равной пропорции должна давать чёрный цвет, но на практике это обычно оттенки тёмнокоричневого, поэтому отдельно используется чёрная краска. Как и любая трёхцветная модель, CMYK не может покрыть всё цветовое пространство.
Как я уже писал выше – физика работает по аддитивной модели. Субстрактивная модель просто облегчает описание работы с красками - проще составить таблицу для добавляемых цветов, чем для всех вычитаемых.
Какого цвета звезды?
Теперь отвлечемся от смешивания красок и разберёмся, почему же нет зелёных звезд.
Спектр излучения любого нагретого тела можно описать законом, открытым Максом Планком в 1900 году и названным в его честь. Этот закон сформулирован для абсолютно чёрного тела – объекта, который поглощает всё падающее на него излучение во всех диапазонах. При этом это самое тело излучает энергию, и спектр излучения зависит только от температуры тела. Хотя абсолютно чёрных тел не существует, любое реальное тело можно описать этим же самым законом с введением «коэффициента черноты» (это очень удобно, т.к. он равен коэффициенту поглощения, см. закон Кирхгофа).
На рисунке ниже приведены спектры излучения для чёрного тела, нагретого до разной температуры (в Кельвинах, но отнимать 273 каждый раз необязательно, нам важна суть, а не точные числа):
Если измерить солнечный спектр за пределами нашей атмосферы (жёлтый на картинке ниже), то он очень хорошо накладывается на спектр излучения абсолютно черного тела с температурой 5777К (5500 С).
Отклонение от идеального спектра вызвано строением солнечной фотосферы – её газы поглощают часть излучения, которое идет из более низких слоёв. Эти линии поглощения называются Фраунгоферовыми линиями (на той же картинке справа).
Вот ещё одна очень красивая картинка с полным спектром Солнца (спектр нарезан на строки, чтобы не рисовать одну очень длинную полосу). Хорошо видны линии поглощения:
У поверхности Земли солнечный спектр ещё больше погрызен: при прохождении света через атмосферу из него "отнялись" полосы поглощения воды, кислорода, озона и углекислого газа:
На графике выше видно, что в видимом спектре (400-700нм) сильных полос поглощения нет, и максимум светимости приходится на диапазон длин волн в 500-550 нм – т.е. на зелёную часть спектра. Но ведь мы не видим Солнце зелёным!
Как мы уже разбирались в первой части статьи – для определения цвета важна не просто длина волны с максимальной интенсивностью, но и интенсивность света во всём видимом диапазоне. Если сравнить солнечный спектр с кривой чувствительности колбочек, то видно, что Солнце активирует все колбочки, причём во всю ширину их диапазона. Суммарный сигнал дает нам жёлтовато-белый солнечный свет.
Такой же расчёт (и эксперимент) можно проделать и для тел, нагретых до любой другой температуры. Результат представлен на картинке ниже:
Это не спектр нагретого тела, а именно цвет, который мы воспринимаем нашими глазами – т.е. это уже обработанный мозгом сигнал трёх видов колбочек.
Все возможные цвета для нагретого абсолютно черного тела можно показать на графике цветового пространства (полноценного, т.е. CIE 1931). Все эти цвета будут лежать на кривой, называемой Планковским локусом (Планковским местом точек):
Из графика видно, что при повышении температуры тела, в том числе и звезды, выше 6000 К, мы будем воспринимать его, как голубоватое. При понижении – как жёлтое. При температуре ниже 2500 К цвет станет оранжевым, ещё ниже – красным. Планковский локус лежит в стороне от зелёных оттенков (как и от розовых и темно-синих) – это значит что мы своими глазами не можем видеть нагретое тело зелёным при любой температуре этого тела – от нуля до бесконечности.
Кстати, этот подход с небольшими нюансами используется для определения цветовой температуры источников освещения. Но для них вводится диапазон отклонений от "идеального" цвета. Длины изотерм (засечек) на картинке выше как раз показывают допустимый диапазон отклонений - только в этих пределах понятие "цветовая температура" имеет смысл.
Есть ещё несколько нюансов: при описании цвета нагретых объектов мы говорим о непрерывном спектре. В нашей повседневной жизни непрерывным спектром излучения обладают только Солнце (и другие звёзды) и нагретые детали, в том числе и разогретые спирали ламп накаливания. А вот спектры отражённого света почти никогда не бывают сплошными (кроме белых или серых объектов). Все воспринимаемые нами цвета в окружающем мире – это именно «рваные» спектры. Иногда это всего несколько узких спектральных линий, а иногда несколько широких (например, в экранах телефонов).
С проблемой несплошного спектра освещения вы точно сталкивались при использовании газоразрядных или недорогих светодиодных ламп. В их свете многие цвета становятся неестественными или совсем неразличимы, так как в спектре этих ламп отсутствует значительная часть солнечного спектра. В современных светодиодных лампах это решается правильно подобранными люминофорными покрытиями, которые поглощают свет от светодиода и перезлучают его уже широким спектром.
Бонусом еще немного интересного о цветовосприятии.
Если изображение на сетчатке остается неподвижным, то оно «исчезнет» через несколько секунд. Это было доказано с помощью следующего опыта. Человек с зафиксированным глазом изначально видит изображение красного и зелёного полей (верхний ряд на картинке ниже):
Через несколько секунд изображение перестаёт им восприниматься. Если после этого добавить светлосиний свет в оба поля – то подопытный видит оба поля как светлосиние. Через несколько секунд и это изображение перестаёт восприниматься. Теперь, если выключить голубой свет, то человек снова увидит красное и зелёное поля на несколько секунд.
Это доказывает то, что мы видим только в момент смены изображения на сетчатке. Если же изображение не меняется (или не двигается), то оно исчезает из нашего восприятия. Именно поэтому наш глаз постоянно совершает микродвижения – тремор (эллиптические движения частотой 250Гц с амплитудой в 30 секунд дуги) и саккады (рывки продолжительностью в 10-20мс и амплитудой от 2 до 50 минут дуги).
Может ли человек увидеть одиночный фотон?
Эксперимент по определению минимального количество фотонов, необходимых, чтобы вызвать визуальный эффект, был проведён в 1942 году (Hecht et al., 1942). Подопытных людей оставляли в темноте на 30 минут для достижения оптимальной чувствительности к свету. Источник света располагался так, чтобы свет подал в область сетчатки с максимальной концентрацией палочек.
В результате оказалось, что нужно от 54 до 148 фотонов для того, чтобы вызвать отклик. С учётом отражения от роговицы (4%), поглощения внутриглазной жидкостью (50%), а также фотонов, прошедших сквозь сетчатку без поглощения палочками (80%), определили, что только от 5 до 14 фотонов были поглощены. С учетом того, что на освещённом участке сетчатки находилось около 500 палочек, маловероятно, что хоть одна палочка поглотила больше одного фотона. Т.е. палочка даёт отклик на одиночный фотон, но одной палочки с таким сигналом недостаточно – одиночный фотон должны поглотить от пяти до четырнадцати палочек для появления визуального эффекта.
На сегодня всё. Как-нибудь я еще напишу о невозможных цветах.
Ещё немного о цветах можно почитать в посте Как устроена радуга
Задавайте вопросы и пишите свои уточнения в комментариях.
В статье использованы материалы из следующих источников:
Webvision: the organization of the retina and visual system, H Kolb, E Fernandez, R Nelson
ДУСТХИМ и спектры химических элементов
Простые и эластичные цветные линии описывают очень сложные математические формулы физических законов физики электронов. Какая простота заключена в спектре элемента. Его свет! Гармония в чистом виде!
Излучение световых волн атомами происходит следующим образом. Получая энергию извне, например, при столкновениях с другими атомами, атом переходит в возбужденное состояние. Это состояние имеет малое время жизни, поэтому вскоре атом переходит в состояние с более низкой энергией, излучая при этом квант света (фотон), энергия которого равна разности энергий тех состояний, между которыми происходит квантовый переход.
При пропускании такого света через призму или дифракционную решетку будет наблюдаться не сплошной спектр типа радуги, а линейчатый, состоящий из отдельных цветных линий с частотами на темном фоне. На опыте линейчатые спектры дают нагретые 1-атомные газы, атомы которых почти не взаимодействуют друг с другом, и поэтому спектры излучения отдельных атомов не искажаются вследствие взаимодействия.
На фото запечатлены линии ксенона
Спектр дейтерия из лампы ДДС-30
Газ неон
Так выглядит стронций
А это ртуть
Уран из оптики ЗС-7
И всем знакомый спектр с школьных времен - спектр натрия
Свечение газов вблизи катушки Тесла
Коллекция газов для спектрального излучения: чистые образцы водорода, азота и пяти благородных газов подвергаются воздействию высокочастотного импульсного поля миниатюрной катушки Тесла. Каждый газ имеет характерное напряжение пробоя и спектр излучения.
Обратите внимание, что азот имеет самое высокое напряжение пробоя и светится только в непосредственной близости от катушки, где поле наиболее интенсивно, тогда как у неона и гелия самое низкое напряжение пробоя, и они начинают светиться на большем расстоянии от катушки.
Цвет каждого газа обусловлен сочетанием цветов, излучаемых электронными энергетическими переходами, характерными для каждого элемента - основы спектроскопии. Трубка Криптона также демонстрирует интересные колебания с этой конкретной катушкой Теслы.
Источник: https://www.instagram.com/p/Bu6hYsSDed2/
Самодельная спектроскопия, или в интернете кто-то неправ
По мотивам обсуждения в https://pikabu.ru/story/vot_kak_nado_5744584. Зашел разговор о том, содержится ли в неоновой лампе ртуть. Мой оппонент упорно убеждал, что ртуть там есть.
Как это можно проверить? Лучший способ - исследовать спектр! Но спектроскопа у меня дома не было. Зато была неоновая лампа, фотоаппарат, компакт диск и объектив. Ну и держатель с парой лезвий. И вот из них уже собирается самодельный, очень неточный, но вполне достаточный для решаемой задачи спектроскоп.
Неоновая лампа у меня была с линзой, причем если подать на нее постоянное напряжение в правильной полярности, то эта линза фокусировала свет гораздо лучше, чем если в обратной, или же если подавать переменное. Связано это с тем, что свечение происходит вблизи отрицательного электрода лампа (катода), и фокус линзы был как раз возле одного из электродов. И при противоположной полярности, или же переменном токе, свечение происходило не в фокусе, и свет шел более широким пучком. Поэтому было принято решение питать лампу постоянным током. Выпрямление просто с помощью диода + конденсатора, которые видны на фото.
Объектив (Гелиос-44-2) фокусирует свет от неоновой лампы в маленький кружок.
2 лезвия, установленные в точке фокуса, образуют тонкую щель, оставляя из кружка узкую полоску.
Компакт-диск играет роль дифракционной решетки, разлагая падающий на него свет в спектр.
Фотоаппарат, соответственно, фотографирует.
Пришлось немного повозиться с поиском спектра, т.к. тут не работает правило, что угол падения равен углу отражения. Точнее работает, но в этом месте находится нулевой дифракционный максимум, который не разложен в спектр, и потому он нам не подходит. На второй фотке это он. И представляет он из себя просто отражение щели.
Повернув немного компакт-диск вдоль вертикальной оси, я поймал первый дифракционный максимум. Он был чуть менее ярок, чем нулевой, но все равно хорошо различим. И, что очень хорошо, на нем полностью виден весь видимый спектр неоновой лампы, от красных, до фиолетовых лучей. Почему полосы такие широкие? В идеале, спектральные полосы должны были быть гораздо тоньше. Но, как и нулевой дифракционный максимум, каждая полоса - это на самом деле отражение вышеупомянутой щели, образованной двумя лезвиями. Если сделать щель потоньше, то и изображение полосы станет гораздо тоньше. Но и яркость упадет пропорционально. На таких низких яркостях, как в этом эксперименте, автофокус фотоаппарата не работает. Приходится фокусироваться вручную, что тоже тяжело, опять же из-за низкой яркости. Из-за всего этого, приходится ставить очень узкую диафрагму (1/13-1/20) для того, чтобы фотография все же получилась четкой, даже с учетом плохой фокусировки. И соответственно выдержку от 10 до 30 секунд. При более узкой щели я бы просто не сфокусировался, а фокусироваться на широкой щели, и сделать потом узкую - трогать и так не очень устойчивую конструкцию.
В общем, спектр все же виден, хотя полосы и наезжают друг на друга.
Гораздо лучше полосы разделяются на втором дифракционном максимуме - последние 3 и 4 фото. Там уже совершенно четко видна структура спектра. Но зато не весь спектр влезает в кадр.
Таким образом, за пару часов удалось собрать с нуля спектроскоп из подручных средств и снять спектр неоновой лампы. Хорошо видно, что это спектр неона. Спектральных линий ртути - очень ярких зеленых и синих линий - не видно. 2 зеленые полосы принадлежат неону.
Таким образом, неоновые лампочки безопасны для экологии.
Хорошо разбираетесь в звездах и юморе?
Тогда этот вызов для вас! Мы зашифровали звездных капитанов команд нового юмористического шоу, ваша задача — угадать, кто возглавил каждую из них.
Переходите по ссылке и проверьте свою юмористическую интуицию!