Ανάλυση λευκού φωτός και χρώματα 🌈

Σε αυτή την ενότητα θα δούμε πώς το λευκό φως, που μοιάζει «άχρωμο», στην πραγματικότητα κρύβει μέσα του όλα τα χρώματα. Θα μελετήσουμε γιατί ένα πρίσμα «σπάει» το λευκό φως στα χρώματα της ίριδας, πώς δημιουργείται το ουράνιο τόξο, πώς λειτουργεί το φασματοσκόπιο και τι μας αποκαλύπτουν τα φάσματα. Τέλος, θα γνωρίσουμε δύο αόρατες ακτινοβολίες: την υπεριώδη και την υπέρυθρη.

Διασκεδασμός και πρίσματα

Στην προηγούμενη υποενότητα είδαμε ότι η ταχύτητα του φωτός στο κενό είναι ίδια για όλα τα μήκη κύματος. Μέσα όμως σε ένα υλικό οπτικό μέσο τα πράγματα αλλάζουν: η ταχύτητα του φωτός είναι διαφορετική για διαφορετικά μήκη κύματος. Αυτό σημαίνει ότι ο δείκτης διάθλασης του μέσου δεν είναι σταθερός, αλλά εξαρτάται από το μήκος κύματος του φωτός.

Το ήξερες;

Το φαινόμενο του διασκεδασμού μελετήθηκε για πρώτη φορά τον 17ο αιώνα από τον Ρενέ Ντεκάρτ και τον Νεύτωνα. Ο Νεύτωνας προσπάθησε να αναλύσει περαιτέρω τις μονοχρωματικές ακτίνες του φάσματος σε άλλες απλούστερες, αλλά δεν τα κατάφερε. Το μόνο που παρατήρησε ήταν ότι το χρώμα διαχεόταν περισσότερο, παρέμενε όμως ως είχε. 🔬

Ορισμός του διασκεδασμού

Διασκεδασμός ονομάζεται η εξάρτηση της ταχύτητας του φωτός και του δείκτη διάθλασης ενός οπτικού μέσου από το μήκος κύματος του φωτός.

Δηλαδή, ενώ μιλάμε συχνά για «τον δείκτη διάθλασης» ενός υλικού σαν να είναι ένας αριθμός, στην πραγματικότητα κάθε χρώμα (κάθε μήκος κύματος) «βλέπει» δικό του δείκτη διάθλασης.

Στο σχήμα του σχολικού βιβλίου (Εικόνα 3.4-5) απεικονίζεται η εξάρτηση του δείκτη διάθλασης ενός οπτικού υλικού (χαλαζία) από το μήκος κύματος $\lambda_0$ στο κενό. Η καμπύλη που βλέπουμε είναι φθίνουσα: η τιμή του $n$ μειώνεται καθώς αυξάνεται η τιμή του μήκους κύματος.

Το ήξερες;

Φως μεγαλύτερου μήκους κύματος (π.χ. το ερυθρό) έχει μεγαλύτερη ταχύτητα μέσα σε ένα μέσο από φως μικρότερου μήκους κύματος (π.χ. το ιώδες). Αυτό συμβαίνει επειδή ο μικρότερος δείκτης διάθλασης σημαίνει μεγαλύτερη ταχύτητα, σύμφωνα με τη σχέση $\upsilon = c/n$ . 💡

Συνοπτικά: όσο μεγαλύτερο το μήκος κύματος $\lambda$ , τόσο μικρότερος ο δείκτης διάθλασης $n$ , άρα τόσο μεγαλύτερη η ταχύτητα $\upsilon$ του φωτός στο μέσο.

Ανάλυση του λευκού φωτός

Εκτροπή μιας μονοχρωματικής ακτίνας από πρίσμα

Για να κατανοήσουμε την ανάλυση του λευκού φωτός, ας δούμε πρώτα πώς προκαλείται η εκτροπή (αλλαγή κατεύθυνσης) μιας μονοχρωματικής ακτίνας φωτός από ένα πρίσμα.

Φανταστείτε μια ακτίνα φωτός που προσπίπτει πλάγια στην αριστερή επιφάνεια ενός πρίσματος (όπως στην Εικόνα 3.4-6 του βιβλίου). Επειδή ο δείκτης διάθλασης του πρίσματος είναι μεγαλύτερος από αυτόν του περιβάλλοντος μέσου, συμβαίνουν τα εξής:

Όταν η ακτίνα εισέρχεται στο πρίσμα, διαθλάται πλησιάζοντας την κάθετη $xx'$ (περνά από αραιότερο σε πυκνότερο οπτικά μέσο).
Όταν η ακτίνα εξέρχεται από το πρίσμα, διαθλάται απομακρυνόμενη από την κάθετη (περνά από πυκνότερο σε αραιότερο μέσο).

Το αποτέλεσμα είναι ότι η εξερχόμενη ακτίνα έχει εκτραπεί τελικά από την αρχική της πορεία κατά μια γωνία $\varphi$ .

Ορισμός: Η γωνία $\varphi$ κατά την οποία εκτρέπεται μια ακτίνα από την αρχική της πορεία μετά τη διέλευσή της από πρίσμα ονομάζεται γωνία εκτροπής.

Από τη μία ακτίνα στο λευκό φως

Έστω τώρα ότι έχουμε μια δέσμη λευκού φωτός που προσπίπτει πάνω στο πρίσμα (Εικόνα 3.4-7α του βιβλίου). Καθώς οι ακτίνες εξέρχονται από το πρίσμα:

εκτρέπονται και διασκορπίζονται στον χώρο εξόδου, και
ταυτόχρονα το λευκό φως αναλύεται σε μια πολύχρωμη συνεχή ταινία, που περιλαμβάνει γνωστά χρώματα.

Ορισμός: Η πολύχρωμη συνεχής ταινία χρωμάτων στην οποία αναλύεται το λευκό φως ονομάζεται φάσμα του λευκού φωτός.

Τα χρώματα του φάσματος, κατά σειρά μείωσης του μήκους κύματος, είναι:

\text{ερυθρό} \;\rightarrow\; \text{πορτοκαλί} \;\rightarrow\; \text{κίτρινο} \;\rightarrow\; \text{πράσινο} \;\rightarrow\; \text{κυανό} \;\rightarrow\; \text{ιώδες}

Δηλαδή το ερυθρό έχει το μεγαλύτερο μήκος κύματος και το ιώδες το μικρότερο.

Το ήξερες;

Τα χρώματα του φάσματος είναι «καθαρά»: δεν αναλύονται σε άλλα απλούστερα. Και αν τα ανασυνθέσουμε όλα μαζί, θα αναπαραγάγουμε ξανά το λευκό φως! Αυτό αποδεικνύει ότι το λευκό φως είναι στην πραγματικότητα ένα μείγμα όλων αυτών των χρωμάτων. 🌈

Γιατί κάθε χρώμα εκτρέπεται διαφορετικά

Παρατηρώντας προσεκτικά την εικόνα του φάσματος (Εικόνα 3.4-7β) βλέπουμε ότι:

οι ιώδεις ακτίνες εκτρέπονται περισσότερο, ενώ
οι ερυθρές ακτίνες εκτρέπονται λιγότερο

από όλες τις άλλες που βρίσκονται ανάμεσά τους.

Αυτό μας οδηγεί στο σημαντικό συμπέρασμα: η γωνία εκτροπής εξαρτάται από το μήκος κύματος κάθε χρώματος. Το πρίσμα δεν εκτρέπει όλα τα χρώματα το ίδιο, και ακριβώς γι' αυτό το λευκό φως «ανοίγει» σε βεντάλια χρωμάτων.

Προσοχή!

Μην μπερδεύετε τη διεύθυνση της σχέσης. Το ιώδες έχει το μικρότερο μήκος κύματος αλλά τη μεγαλύτερη γωνία εκτροπής. Το ερυθρό έχει το μεγαλύτερο μήκος κύματος αλλά τη μικρότερη γωνία εκτροπής. Όσο μικρότερο το $\lambda$ , τόσο μεγαλύτερη η εκτροπή. ⚠️

Πόρισμα: τα χαρακτηριστικά του φωτός σε οπτικά μέσα

Συμπερασματικά, το φως εμφανίζει τα εξής χαρακτηριστικά σε σχέση με τη διάδοσή του σε οπτικά μέσα:

Ταυτότητα χρώματος: Κάθε μονοχρωματική ακτίνα φωτός, όταν διαδίδεται σε ένα συγκεκριμένο οπτικό μέσο, χαρακτηρίζεται από ένα μοναδικό μήκος κύματος, που είναι η «ταυτότητα» του χρώματος για το μέσο αυτό.
Δείκτης διάθλασης ανά χρώμα: Ο δείκτης διάθλασης του οπτικού μέσου έχει διαφορετική τιμή για κάθε χρώμα.
Γωνία εκτροπής: Η γωνία εκτροπής κάθε χρώματος εξαρτάται από το μήκος κύματός του· όσο μεγαλύτερο το μήκος κύματος, τόσο μικρότερη η γωνία εκτροπής.

Δείκτης διάθλασης στεφανύαλου (κρύσταλλο crown)

Ο παρακάτω πίνακας δείχνει πώς αλλάζει ο δείκτης διάθλασης ενός κοινού γυαλιού (στεφανύαλου) ανάλογα με το χρώμα. Παρατηρήστε ότι ο δείκτης μειώνεται καθώς πηγαίνουμε από το ιώδες προς το κόκκινο, δηλαδή καθώς αυξάνεται το μήκος κύματος.

Χρώμα	Δείκτης διάθλασης $n$
Ιώδες	$1{,}532$
Μπλε	$1{,}528$
Πράσινο	$1{,}519$
Κίτρινο	$1{,}517$
Πορτοκαλί	$1{,}514$
Κόκκινο	$1{,}513$

Το ήξερες;

Το μονοχρωματικό φως δεν αναλύεται σε άλλες απλούστερες ακτινοβολίες. Σε σχετικό πείραμα (Εικόνα 3.4-8) ένα πρίσμα $\Pi_1$ αναλύει το λευκό φως σε χρώματα. Αν όμως πάρουμε μόνο μία κίτρινη ακτίνα από αυτό το φάσμα και την περάσουμε από δεύτερο πρίσμα $\Pi_2$ , αυτό απλώς την εκτρέπει — δεν την «σπάει» σε νέα χρώματα. Το κίτρινο παραμένει κίτρινο. ✨

Ουράνιο τόξο — Τα χρώματα της φύσης

Έχουμε δει πολλές φορές, τις βροχερές μέρες με λίγο Ήλιο, να εμφανίζεται στον ουρανό το ουράνιο τόξο. Εκείνη τη στιγμή η φύση συνδυάζει δύο φαινόμενα:

τον διασκεδασμό, και
την ολική ανάκλαση.

Πώς δημιουργείται

Το ηλιακό φως έρχεται από πίσω μας (ο παρατηρητής έχει τον Ήλιο στην πλάτη του). Το φως μπαίνει στις μικρές σταγόνες της βροχής, όπου:

διαθλάται καθώς εισέρχεται στη σταγόνα,
υφίσταται ολική ανάκλαση στο εσωτερικό της σταγόνας, και
εξέρχεται ξανά διαθλώμενο, κατευθυνόμενο τελικά προς τα μάτια μας (Εικόνα 3.4-9).

Ο διασκεδασμός προκαλεί τη διάθλαση των διαφορετικών χρωμάτων σε διαφορετικές γωνίες. Έτσι το λευκό ηλιακό φως αναλύεται και βλέπουμε τα χρώματα της ίριδας απλωμένα στον ουρανό.

Το ήξερες;

Κάθε σταγόνα λειτουργεί σαν ένα μικροσκοπικό πρίσμα και καθρέφτης ταυτόχρονα. Το ουράνιο τόξο που βλέπετε είναι αποκλειστικά «δικό σας»: δύο άνθρωποι σε διαφορετικές θέσεις βλέπουν το φως από διαφορετικές σταγόνες! 🌧️☀️

Το φασματοσκόπιο

Ορισμός: Το φασματοσκόπιο (ή φασματογράφος) πρίσματος είναι ένα όργανο με το οποίο γίνεται η ανάλυση μιας δέσμης φωτός και η μελέτη του φάσματός της.

Τα τρία βασικά μέρη

Το φασματοσκόπιο αποτελείται από τρία βασικά μέρη (Εικόνα 3.4-11):

Μέρος	Ρόλος
Κατευθυντήρας	Το φως της πηγής εισέρχεται εδώ και εξέρχεται έτσι ώστε οι ακτίνες να είναι παράλληλες μεταξύ τους.
Πρίσμα	Δέχεται τις παράλληλες ακτίνες και αναλύει το φως στο φάσμα του.
Διόπτρα	Με αυτήν παρατηρούμε τις εξερχόμενες ακτίνες και τα διάφορα χρώματα του φάσματος.

Περιστρέφοντας το πρίσμα ή τη διόπτρα μπορούμε να παρατηρήσουμε τα διάφορα μήκη κύματος ένα προς ένα.

Φασματογράφος — αποτύπωση του φάσματος

Αν στη διόπτρα προσαρμόσουμε τον φακό μιας φωτογραφικής μηχανής, το φάσμα αποτυπώνεται στο φιλμ. Τότε το όργανο ονομάζεται φασματογράφος. Έτσι μπορούμε να μελετήσουμε τα μήκη κύματος που εκπέμπει μια πηγή, λόγου χάρη το πυρακτωμένο νήμα ενός λαμπτήρα φωτισμού (λαμπτήρας πυρακτώσεως) ή μια λυχνία ατμών νατρίου.

Το ήξερες;

Στις αρχές του 19ου αιώνα ανακαλύφθηκε ότι κάθε χημικό στοιχείο παρουσιάζει ένα συγκεκριμένο, μοναδικό σύνολο μηκών κύματος στο γραμμικό του φάσμα — σαν ένα «δαχτυλικό αποτύπωμα». Η αναγνώριση στοιχείων από τα φάσματά τους εξελίχθηκε σε ισχυρή τεχνική ανάλυσης. Η πλήρης εξήγηση του φαινομένου δόθηκε μόνο αργότερα, με την εισαγωγή της κβαντομηχανικής, που άλλαξε ριζικά τις απόψεις μας για τη φύση της ακτινοβολίας και την αλληλεπίδρασή της με την ύλη. ⚛️

Φάσματα εκπομπής

Ορισμός: Το φάσμα της ακτινοβολίας που εκπέμπει μια φωτεινή πηγή ονομάζεται φάσμα εκπομπής της πηγής αυτής.

Τα φάσματα εκπομπής των διάφορων πηγών διακρίνονται σε συνεχή και γραμμικά.

(α) Συνεχή φάσματα εκπομπής

Συνεχή φάσματα παίρνουμε όταν εξετάζουμε με τον φασματογράφο το φως που εκπέμπουν στερεά και υγρά σώματα σε πολύ μεγάλη θερμοκρασία (διάπυρα σώματα).

Για παράδειγμα, αν η πηγή είναι ο λαμπτήρας πυρακτώσεως, το φάσμα είναι μια συνεχής ταινία χρωμάτων, ακριβώς όπως το περιγράψαμε στην ανάλυση του λευκού φωτός. Συνεχές φάσμα εκπέμπουν επίσης ο λιωμένος σίδηρος, ο λιωμένος χαλκός κ.τ.λ.

Προσοχή!

Τα συνεχή φάσματα διαφορετικών διάπυρων σωμάτων δεν διαφέρουν μεταξύ τους. Επομένως η μελέτη ενός συνεχούς φάσματος δεν μας λέει από ποιο υλικό αποτελείται το σώμα (αν είναι σίδηρος, χαλκός κ.λπ.). Η μοναδική πληροφορία που παίρνουμε είναι η θερμοκρασία του υλικού. 🌡️

(β) Γραμμικά φάσματα εκπομπής

Αν εξετάσουμε με το φασματοσκόπιο το φως που εκπέμπουν θερμά αέρια ή ατμοί, διαπιστώνουμε ότι το φάσμα τους αποτελείται από διακριτές χρωματιστές γραμμές, χαρακτηριστικές για το είδος των αερίων ή των ατμών. Κάθε γραμμή αντιστοιχεί σε συγκεκριμένο μήκος κύματος (ή συχνότητα).

Παράδειγμα: στη φασματοσκοπική ανάλυση του φωτός μιας λυχνίας ατμών νατρίου, παρατηρούμε ότι το φάσμα αποτελείται από δύο κίτρινες γραμμές πολύ κοντά μεταξύ τους (Εικόνα 3.4-12).

Το ήξερες;

Επειδή κάθε στοιχείο δίνει το δικό του μοναδικό γραμμικό φάσμα, οι αστρονόμοι μπορούν να μάθουν από ποια στοιχεία αποτελείται ένα μακρινό αστέρι, χωρίς ποτέ να το αγγίξουν — απλώς αναλύοντας το φως που μας στέλνει! ⭐

Φάσματα απορρόφησης

Ας κάνουμε ένα νέο πείραμα. Ανάμεσα σε μια φωτεινή πηγή λευκού φωτός και στον κατευθυντήρα ενός φασματογράφου παρεμβάλλουμε ένα υλικό μέσο — π.χ. ένα δοχείο με έγχρωμο υγρό ή μια έγχρωμη γυάλινη πλάκα (Εικόνα 3.4-13). Τότε διαπιστώνουμε ότι ορισμένες περιοχές του συνεχούς φάσματος λείπουν και στη θέση τους εμφανίζονται σκοτεινές περιοχές.

Ορισμός: Τα φάσματα στα οποία εμφανίζονται σκοτεινές περιοχές, επειδή οι ακτίνες ορισμένων χρωμάτων έχουν απορροφηθεί κατά τη διέλευσή τους από ένα υλικό μέσο, ονομάζονται φάσματα απορρόφησης.

Όπως και τα φάσματα εκπομπής, τα φάσματα απορρόφησης διακρίνονται σε συνεχή και γραμμικά.

(α) Συνεχή φάσματα απορρόφησης

Δίνονται από τα έγχρωμα διαφανή στερεά και υγρά.

Παράδειγμα: αν το υλικό που φωτίζουμε είναι μια κόκκινη γυάλινη πλάκα, παρατηρούμε ότι έχουν απορροφηθεί ορισμένες περιοχές του συνεχούς φάσματος εκπομπής. Συγκεκριμένα, από την κόκκινη πλάκα διέρχονται μόνο οι ακτίνες που βρίσκονται στην περιοχή του ερυθρού (Εικόνα 3.4-13β).

Το ήξερες;

Να γιατί ένα κόκκινο τζάμι φαίνεται κόκκινο: απορροφά όλα τα άλλα χρώματα και αφήνει να περάσει μόνο το κόκκινο. Το χρώμα ενός διαφανούς αντικειμένου είναι το χρώμα που δεν απορρόφησε! 🔴

(β) Γραμμικά φάσματα απορρόφησης

Δίνονται από τα αέρια ή τους ατμούς. Αποτελούνται από ένα συνεχές φάσμα μέσα στο οποίο υπάρχουν σκοτεινές γραμμές.

Παράδειγμα: αν ανάμεσα σε μια πηγή λευκού φωτός και στον κατευθυντήρα παρεμβάλλουμε ένα διαφανές δοχείο με ατμούς νατρίου (Εικόνα 3.4-13γ), τότε στο συνεχές φάσμα του λευκού φωτός θα εμφανιστούν σκοτεινές γραμμές ακριβώς στις θέσεις όπου θα εμφανίζονταν οι κίτρινες γραμμές του φάσματος εκπομπής των ατμών νατρίου.

Με άλλα λόγια: οι ατμοί νατρίου απορροφούν ακριβώς τις ίδιες κίτρινες ακτινοβολίες που εκπέμπουν όταν θερμανθούν.

Προσοχή!

Κρατήστε αυτή τη βαθιά σύνδεση: ένα στοιχείο απορροφά τα ίδια ακριβώς μήκη κύματος που εκπέμπει. Οι σκοτεινές γραμμές του φάσματος απορρόφησης πέφτουν στις ίδιες θέσεις με τις φωτεινές γραμμές του φάσματος εκπομπής του ίδιου στοιχείου. 🔑

Σύγκριση των τύπων φάσματος

Τύπος φάσματος	Πηγή	Εμφάνιση
Συνεχές εκπομπής	Διάπυρα στερεά / υγρά	Συνεχής ταινία όλων των χρωμάτων
Γραμμικό εκπομπής	Θερμά αέρια / ατμοί	Διακριτές φωτεινές χρωματιστές γραμμές
Συνεχές απορρόφησης	Έγχρωμα διαφανή στερεά / υγρά	Συνεχές φάσμα με σκοτεινές περιοχές που λείπουν
Γραμμικό απορρόφησης	Αέρια / ατμοί	Συνεχές φάσμα με σκοτεινές γραμμές

Υπεριώδης και υπέρυθρη ακτινοβολία

Το συνεχές φάσμα που παίρνουμε όταν αναλύουμε το λευκό φως τελειώνει στο ένα άκρο με ιώδες φως και στο άλλο με ερυθρό. Το ορατό φως, δηλαδή τα μήκη κύματος που αντιλαμβάνεται το μάτι μας, έχει όρια:

400\ \text{nm} \;(\text{ιώδες}) \;\;\leq\;\; \lambda_{\text{ορατό}} \;\;\leq\;\; 700\ \text{nm} \;(\text{ερυθρό})

Όμως — και αυτό είναι το κρίσιμο — το φάσμα που εκπέμπει στην πραγματικότητα η φωτεινή πηγή δεν περιορίζεται σε αυτά τα όρια. Πέρα από τα δύο άκρα του ορατού υπάρχουν αόρατες ακτινοβολίες (Εικόνα 3.4-14).

Υπεριώδης ακτινοβολία

Αν παρατηρήσουμε με ειδικό φασματογράφο τη φωτογραφική πλάκα στην οποία αποτυπώνεται το φάσμα, διαπιστώνουμε ότι πέρα από το όριο της ιώδους περιοχής η πλάκα έχει αμαυρωθεί (έχει «μαυρίσει»). Αυτό σημαίνει ότι εκεί υπάρχει αόρατη ακτινοβολία.

Ορισμός: Η αόρατη ακτινοβολία που βρίσκεται πέρα από την ιώδη περιοχή του φάσματος ονομάζεται υπεριώδης ακτινοβολία.

Η υπεριώδης ακτινοβολία αποτελείται από ακτινοβολίες με μήκη κύματος:

1\ \text{nm} \;\;\lesssim\;\; \lambda_{\text{υπεριώδες}} \;\;<\;\; 400\ \text{nm}

δηλαδή μικρότερα των $400\ \text{nm}$ και μεγαλύτερα του $1\ \text{nm}$ περίπου.

Ιδιότητες της υπεριώδους ακτινοβολίας. Αν και δεν είναι ορατή με γυμνό μάτι, κάποιες ιδιότητές της μάς αποκαλύπτουν την ύπαρξή της:

Προκαλεί αμαύρωση των φωτογραφικών πλακών.
Προκαλεί φθορισμό σε διάφορα σώματα: όταν προσπίπτει σε ορισμένα σώματα, αυτά εκπέμπουν χαρακτηριστικές ορατές ακτινοβολίες.
Συμμετέχει στη μετατροπή του οξυγόνου της ατμόσφαιρας σε όζον.
Όταν απορροφάται από υλικά σώματα (όπως άλλωστε και οι ακτίνες οποιουδήποτε χρώματος), προκαλεί τη θέρμανσή τους.
Υπεριώδης ακτινοβολία με πολύ μικρό μήκος κύματος προκαλεί βλάβες στα κύτταρα του δέρματος, οι οποίες μπορεί να οδηγήσουν ακόμη και σε καρκίνο.
Χρησιμοποιείται στην Ιατρική για πλήρη αποστείρωση εργαλείων.

Το ήξερες;

Το μαύρισμα του δέρματος κατά την ηλιοθεραπεία δεν είναι βλάβη: οφείλεται στη μελανίνη που παράγει ο οργανισμός για να προστατευθεί από την υπεριώδη ακτινοβολία. Είναι ουσιαστικά μια άμυνα του σώματος! ☀️🛡️

Προσοχή!

Στο φάσμα, καθώς μετακινούμαστε προς το ιώδες και πέρα από αυτό (υπεριώδες), το μήκος κύματος μικραίνει. Πέρα από το ερυθρό (υπέρυθρο) το μήκος κύματος μεγαλώνει. Τα όρια μεταξύ των ζωνών του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος είναι κάπως αυθαίρετα. ⚠️

Υπέρυθρη ακτινοβολία

Ας κάνουμε ένα πείραμα από την άλλη άκρη του φάσματος. Αναλύουμε το λευκό φως ενός λαμπτήρα πυρακτώσεως πάνω σε ένα πέτασμα (οθόνη) και παίρνουμε το φάσμα του. Τοποθετούμε ένα ευαίσθητο θερμόμετρο πάνω στο πέτασμα και το μετακινούμε από το ιώδες προς το ερυθρό. Παρατηρούμε ότι η θερμοκρασία αυξάνεται. Και — εκπληκτικά — πιο πέρα από το ερυθρό, εκεί που δεν φαίνεται κανένα χρώμα, η ένδειξη είναι ακόμη μεγαλύτερη.

Ορισμός: Η αόρατη ακτινοβολία που βρίσκεται μετά την ερυθρή περιοχή του φάσματος και προκαλεί έντονη αύξηση της θερμοκρασίας των στερεών και υγρών σωμάτων ονομάζεται υπέρυθρη ακτινοβολία.

Επειδή είναι αόρατη, για την ανίχνευσή της χρησιμοποιούμε ειδικά όργανα, τους φωρατές υπερύθρου. Η αρχή λειτουργίας τους βασίζεται στην απορρόφηση της ενέργειας των υπέρυθρων ακτινοβολιών και στη μετατροπή της σε άλλες μορφές.

Τα μήκη κύματος της υπέρυθρης ακτινοβολίας κυμαίνονται:

700\ \text{nm} \;\;<\;\; \lambda_{\text{υπέρυθρο}} \;\;\lesssim\;\; 10^{6}\ \text{nm}

Ιδιότητες της υπέρυθρης ακτινοβολίας:

Απορροφώνται επιλεκτικά από διάφορα σώματα και προκαλούν αύξηση της θερμοκρασίας τους.
Διέρχονται μέσα από την ομίχλη και τα σύννεφα (δεν απορροφώνται από τα αέρια).
Δεν έχουν χημική δράση και δεν προκαλούν φωσφορισμό.

Εφαρμογές. Η χρήση των υπερύθρων βασίζεται στην επιλεκτικότητά τους να απορροφώνται από την ύλη:

Στην Ιατρική, δέσμη υπέρυθρης ακτινοβολίας μεταδίδει θερμότητα σε ορισμένη περιοχή του σώματος.
Με ειδικές φωτογραφικές μηχανές επιτυγχάνεται φωτογράφιση ακόμη και με συννεφιά ή ομίχλη — ή και στο απόλυτο σκοτάδι (Εικόνες 3.4-16 και 3.4-17).

Το ήξερες;

Οι κάμερες θερμικής απεικόνισης («θερμοκάμερες») «βλέπουν» την υπέρυθρη ακτινοβολία που εκπέμπει το σώμα μας λόγω της θερμοκρασίας του. Γι' αυτό μπορούν να εντοπίσουν ανθρώπους μέσα στο σκοτάδι ή πίσω από καπνό. 🔥📷

Σύνοψη βασικών μεγεθών

Χρώμα / Ακτινοβολία	Μήκος κύματος $\lambda$	Σχόλιο
Υπεριώδης	$1\ \text{nm}$ έως $400\ \text{nm}$	Αόρατη, πέρα από το ιώδες
Ιώδες	$\approx 400\ \text{nm}$	Όριο ορατού, μέγιστη εκτροπή
Ερυθρό	$\approx 700\ \text{nm}$	Όριο ορατού, ελάχιστη εκτροπή
Υπέρυθρη	$700\ \text{nm}$ έως $10^{6}\ \text{nm}$	Αόρατη, πέρα από το ερυθρό, θερμική

Λυμένα παραδείγματα

Παράδειγμα 1 — Ταχύτητα φωτός στο στεφανύαλο για δύο χρώματα

Εκφώνηση. Χρησιμοποιώντας τον πίνακα δεικτών διάθλασης του στεφανύαλου, να βρείτε την ταχύτητα του ιώδους και του κόκκινου φωτός μέσα στο γυαλί. Ποιο χρώμα κινείται γρηγορότερα; Δίνεται $c = 3 \times 10^{8}\ \text{m/s}$ .

Λύση.

Η ταχύτητα του φωτός σε ένα μέσο δίνεται από τη σχέση του δείκτη διάθλασης:

n = \frac{c}{\upsilon} \;\;\Rightarrow\;\; \upsilon = \frac{c}{n}

Για το ιώδες ( $n_{\text{ιώδες}} = 1{,}532$ ):

\upsilon_{\text{ιώδες}} = \frac{3 \times 10^{8}}{1{,}532} \approx 1{,}96 \times 10^{8}\ \text{m/s}

Για το κόκκινο ( $n_{\text{κόκκινο}} = 1{,}513$ ):

\upsilon_{\text{κόκκινο}} = \frac{3 \times 10^{8}}{1{,}513} \approx 1{,}98 \times 10^{8}\ \text{m/s}

Απάντηση. Το κόκκινο φως κινείται γρηγορότερα μέσα στο γυαλί, αφού έχει μικρότερο δείκτη διάθλασης. Αυτό συμφωνεί με τον κανόνα: μεγαλύτερο μήκος κύματος → μικρότερο $n$ → μεγαλύτερη ταχύτητα. ✅

Παράδειγμα 2 — Κατάταξη χρωμάτων ως προς τη γωνία εκτροπής

Εκφώνηση. Δέσμη λευκού φωτός περνά από πρίσμα και αναλύεται. Να κατατάξετε τα χρώματα ερυθρό, πράσινο και ιώδες κατά αύξουσα σειρά γωνίας εκτροπής.

Λύση.

Γνωρίζουμε ότι η γωνία εκτροπής αυξάνεται όσο μειώνεται το μήκος κύματος. Τα μήκη κύματος των τριών χρωμάτων κατατάσσονται:

\lambda_{\text{ιώδες}} < \lambda_{\text{πράσινο}} < \lambda_{\text{ερυθρό}}

Επομένως οι γωνίες εκτροπής $\varphi$ είναι αντίστροφα διατεταγμένες:

\varphi_{\text{ερυθρό}} < \varphi_{\text{πράσινο}} < \varphi_{\text{ιώδες}}

Απάντηση. Κατά αύξουσα γωνία εκτροπής: ερυθρό, πράσινο, ιώδες. Το ιώδες εκτρέπεται περισσότερο. ✅

Παράδειγμα 3 — Αναγνώριση τύπου φάσματος

Εκφώνηση. Παρατηρούμε με φασματογράφο τρεις πηγές και βλέπουμε:

(α) φως λαμπτήρα πυρακτώσεως,
(β) φως από λυχνία ατμών νατρίου,
(γ) λευκό φως που πέρασε μέσα από δοχείο με ατμούς νατρίου.

Τι τύπο φάσματος δίνει η καθεμία;

Λύση.

(α) Ο λαμπτήρας πυρακτώσεως είναι διάπυρο στερεό (νήμα). Δίνει συνεχές φάσμα εκπομπής — μια αδιάκοπη ταινία όλων των χρωμάτων.
(β) Η λυχνία ατμών νατρίου είναι θερμό αέριο / ατμός. Δίνει γραμμικό φάσμα εκπομπής — δύο χαρακτηριστικές κίτρινες γραμμές.
(γ) Το λευκό (συνεχές) φως που διέρχεται από ατμούς νατρίου χάνει ορισμένα μήκη κύματος. Δίνει γραμμικό φάσμα απορρόφησης — συνεχές φάσμα με σκοτεινές γραμμές ακριβώς στις θέσεις των κίτρινων γραμμών του νατρίου.

Απάντηση. (α) συνεχές εκπομπής, (β) γραμμικό εκπομπής, (γ) γραμμικό απορρόφησης. Παρατηρήστε ότι στα (β) και (γ) οι θέσεις των γραμμών (φωτεινών ή σκοτεινών) είναι οι ίδιες, γιατί το νάτριο απορροφά ό,τι εκπέμπει. ✅

Παράδειγμα 4 — Ταξινόμηση ακτινοβολιών ως προς το μήκος κύματος

Εκφώνηση. Δίνονται οι ακτινοβολίες με μήκη κύματος $\lambda_1 = 250\ \text{nm}$ , $\lambda_2 = 550\ \text{nm}$ και $\lambda_3 = 1500\ \text{nm}$ . Να χαρακτηρίσετε καθεμία (ορατή, υπεριώδης ή υπέρυθρη).

Λύση.

Συγκρίνουμε με τα όρια του ορατού ( $400\ \text{nm}$ έως $700\ \text{nm}$ ):

\lambda_1 = 250\ \text{nm} < 400\ \text{nm} \;\Rightarrow\; \text{υπεριώδης}

400\ \text{nm} < \lambda_2 = 550\ \text{nm} < 700\ \text{nm} \;\Rightarrow\; \text{ορατή (πρασινοκίτρινη περιοχή)}

\lambda_3 = 1500\ \text{nm} > 700\ \text{nm} \;\Rightarrow\; \text{υπέρυθρη}

Απάντηση. $\lambda_1$ : υπεριώδης, $\lambda_2$ : ορατή, $\lambda_3$ : υπέρυθρη. ✅

Ολοκληρώσαμε την ενότητα της ανάλυσης του λευκού φωτός και των χρωμάτων. Μάθαμε ότι ο διασκεδασμός (η εξάρτηση του $n$ από το $\lambda$ ) είναι η αιτία που ένα πρίσμα αναλύει το λευκό φως στα χρώματα του φάσματος, ότι ο ίδιος μηχανισμός μαζί με την ολική ανάκλαση δημιουργεί το ουράνιο τόξο, πώς το φασματοσκόπιο μάς αποκαλύπτει τα φάσματα εκπομπής και απορρόφησης (συνεχή και γραμμικά), και ότι πέρα από το ορατό υπάρχουν οι αόρατες υπεριώδης και υπέρυθρη ακτινοβολίες με τις δικές τους ιδιότητες και εφαρμογές. 🌈🔬