История открытия и выводы Ньютона
История рассказывает о том, что ученый впервые обратил внимание на то, что края изображения в объективе цветные в период, когда занимался усовершенствованием конструкции телескопов. Это его сильно заинтересовала и он задался целью выявить природу появления цветных полос.
В тот период в Великобритании была эпидемия чумы, поэтому Ньютон решил уехать в свою деревню Вулсторп, чтобы ограничить круг общения. И заодно проводить эксперименты, чтобы выяснить, откуда появляются разные оттенки. Для этого он захватил несколько стеклянных призм.
Примерно так выглядел опыт Ньютона, позволивший объяснить явление дисперсии света.
За период исследований он провел множество экспериментов, некоторые из которых проводятся в неизменном виде до сих пор. Основной выглядел так: ученый сделал небольшое отверстие в ставне темной комнаты и поместил на пути луча света призму из стекла. В результате на противоположной стене получилось отражение в виде цветных полосок.
Этот эксперимент можно повторить самостоятельно.
Ньютон выделил из отражения красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. То есть, спектр в его классическом понятии. Но если разобраться подробнее и выделить спектр современным оборудованием, то получается три основных зоны: красная, желто-зеленая и сине-фиолетовая. Остальные занимают незначительные участки между ними.
Вот так выглядит разложение белого света в спектр.
Определение дисперсии света, суть явления, объяснение
Определение 1
Дисперсия света — это совокупность явлений, обусловленных зависимостью абсолютного показателя преломления от частоты колебаний (длины волны) света.
Источник: ru.123rf.com
Явление дисперсии возникает в связи с тем, что световые лучи с разной длиной волны имеют различную скорость распространения в оптической среде.
Формула 1
n=cv,
где n — относительный показатель преломления,
с — скорость света в вакууме,
v — скорость света данной частоты в среде.
Так как скорость распространения волн света в воздухе и вакууме (имеющем абсолютный показатель преломления, равный 1) всегда одинакова, независимо от длины волны и, следовательно, цвета, то относительный показатель преломления зависит от скорости света в среде и обратно пропорционален ей.
Обычно, чем меньше длина световой волны, тем больше показатель преломления среды для нее и тем меньше скорость распространения волны в среде:
- в видимом спектре красный свет имеет максимальную фазовую скорость распространения в среде и минимальную степень преломления;
- у фиолетового цвета фазовая скорость распространения в среде минимальна, а степень преломления — максимальна.
Дисперсионный спектр выглядит растянутым в коротковолновой части. Это связано с тем, что волны разной длины проходят разный путь сквозь призму. Наибольшие отклонение и путь внутри призмы имеют лучи с высокой частотой: соответственно, дисперсионный спектр растянут в фиолетовой части.
Во времена И. Ньютона объяснить дисперсию света было нельзя. Для этого было необходимо понимание природы световых волн, которое тогда только начинало формироваться. Более того, даже электромагнитная теория Дж. Максвелла не объясняла причины дисперсии. Эти причины стали ясны в дальнейшем, с развитием представления о природе света в рамках классической электронной теории Х. Лоренца.
Кратко можно сказать, что электроны внешних оболочек атомов вещества получают энергию падающего излучения, под действием которой совершают вынужденные колебания, и, в свою очередь также излучают. Это вторичное излучение смешивается (и интерферирует) с падающим, и в веществе распространяется результирующая волна в том же направлении, как и падающая. Ее скорость, как следовало из теории Х. Лоренца, зависит от частоты. А скорость распространения света в веществе как раз и определяет коэффициент преломления вещества:
Поскольку скорость красных световых волн в веществе оказалась самой большой, то и коэффициент преломления у красного света получается минимальный. Скорость фиолетовой волны самая маленькая, и преломляется фиолетовый свет наиболее сильно.
Таким образом, коэффициент преломления зависит от частоты излучения, а значит, белый свет, состоящий из излучения различных длин волн, будет преломляться в разной степени, в зависимости от длины волны. В этом и состоит сущность дисперсии.
Причина дисперсии света
Причина разложения белого света через призму заключается в следующем: свет разных цветов и, следовательно, разных длин волн имеет разную скорость распространения в материале, например, в стекле. В том же стекле, например, скорость распространения синего света ниже, чем красного.
Следовательно, согласно закону преломления света, синий свет преломляется сильнее, чем красный. В результате различного преломления разных частей белого света, свет разворачивается веером, образуя спектр. Это также называется спектром призмы. При использовании белого света создается непрерывный спектр.
Применение дисперсии света
Дисперсия в ограненном бриллианте, которую демонстрирует картинка ниже.
На явлении дисперсии основано применение жидких кристаллов, обладающих свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия). Проходя через жидкий кристалл, свет распадается на два луча: распространяющийся обычно и преломленный. С их помощью обнаруживают пары вредных химических соединений, гамма- и ультрафиолетовые излучения.
Применяют в информационной технике (жидкокристаллические индикаторы и экраны), в медицине, в микросхемах, на производстве. Например, жидкие кристаллы применяются в производстве «умного стекла», способного изменять опалесценцию и коэффициенты светопропускания и поглощения тепла.
В «кольце настроения» под слоем стекла или пластика находятся жидкие кристаллы, поэтому оно меняет цвет в зависимости от температуры.
Изучение явления
Спектральный прибор
Спектральный прибор
Видимый белый свет включает монохроматические волны, обладающие разной длиной. Совокупность таких волн называют световым спектром, а прибор, при помощи которого изучают дисперсию света, именуется спектральным. Так, простейшим спектральным прибором, при помощи которого можно произвести разложение света в спектр, является стеклянная призма. Математически явление дисперсии света определяется как зависимость преломления того или иного вещества от длины световой волны.
Дифракционная решетка
Дифракционная решетка на лазер
Для более детального изучения явления дисперсии света были изобретены дифракционные решётки. Эти приборы состоят из большого количества щелей и выступов, которые в периодической последовательности наносятся на специальные (стеклянные или металлические) поверхности. Благодаря применению высоких технологий, удалось создать такие дифракционные решётки, которые на каждом миллиметре своей структуры содержат около 2000 штрихов. Существуют также более грубые дифракционные решётки, содержащие всего лишь 100 штрихов на 1 миллиметр. Однако следует отметить, что функцию этого прибора могут выполнять такие обыденные предметы, как граммофонная пластинка или компакт-диск.
Как глаз различает цвета
Человеческое зрение – очень сложная система, способная различать часть электромагнитного спектра. Глаз человека различает волны длиной от 390 до 700 нм. Электромагнитное излучение в видимом диапазоне и называется видимым светом или просто светом.
По картинке видно, насколько малую часть электромагнитного спектра способно воспринимать человеческое зрение.
Цвета различаются благодаря клеткам-палочкам и клеткам-колбочкам в сетчатке глаз. Первый тип имеет высокую чувствительность, но способен различать только интенсивность света. Второй хорошо различает цвета, но лучше всего действует при ярком освещении.
При этом клетки-колбочки делятся на три вида, в зависимости от того, к каким волнам они более чувствительны – коротким, средним или длинным. Благодаря сочетанию сигналов, поступающих от всех типов колбочек зрение и может различать доступный ему диапазон цвета.
Каждый тип клеток в глазу может воспринимать не отдельный цвет, а разные оттенки в большом диапазоне волн. Поэтому зрение и позволяет выделять мельчайшие детали и видеть все многообразие окружающего мира.
Дисперсия света в свое время показала, что белый цвет это сочетание спектра. Но увидеть это можно только после его отражения через определенные поверхности и материалы.
Дисперсия света: примеры в природе
- Радуга — это результат отражения и дисперсии света в капельках воды. Именно дисперсия ответственна за то, что радуга имеет вид спектра, а не белой дуги. Так как капельки воды могут отличаться только размерами, то расположение радуги всегда примерно одинаково. Центр окружности, которую описывает радуга, всегда лежит на прямой, проходящей через Солнце и глаз наблюдателя, то есть одновременно видеть солнце и радугу без использования зеркал невозможно.
- Дисперсия света в парящих кристаллах льда лежит в основе такого атмосферного оптического явления, как гало. Ледяные кристаллы могут быть разного размера, формы и по-разному ориентированы в воздухе, поэтому гало бывает очень разнообразным. Существует около сотни разных видов гало.
- Световые столбы, ложные солнца (паргелии) по некоторым классификациям также относятся к гало. Их вид обусловлен дисперсией света в ледяных кристаллах.
- «Призрак Броккена». Явление, получившее название «броккенский призрак», представляет собой тень наблюдателя, падающую на нижележащее облако, и обычно наблюдается в горах.
Проблемы, возникающие при дисперсии света
Дисперсия света — красивое и эффектное явление, но оно также может доставлять неприятности. Первые наблюдения за небом проводились с помощью телескопов, которые имели одинарные стеклянные линзы.
Рис. 4. Преломление света в линзах астрономического телескопа
Когда луч света проходит через линзу и преломляется, как в призме, особенно в «толстых» линзах, свет может «расщепляться» на основные цвета. Каждый цвет имеет свою фокусную точку (фокус) — поэтому нет единой точки, в которой сходятся все световые лучи. В результате вы можете заметить цветовую кайму (см. рисунок 4) вокруг наблюдаемых объектов и ощутить снижение остроты зрения.
Рис. 5. Хроматическая аберрация (цветовая кайма)
Это явление называется хроматической аберрацией. Определение этого понятия следующее:
Хроматическая аберрация — это дефект линзы, вызванный разложением белого света на составляющие цвета, так что каждый цвет имеет свой собственный фокус, расположенный на разном расстоянии от линзы.
Хроматическая аберрация влияет на качество изображения как при астрономических наблюдениях, проводимых с помощью простых телескопов, так и в процессе обычной фотосъемки, поскольку фотоаппараты оснащены пластиковыми или стеклянными линзами. Этот эффект можно устранить, используя вместо отдельных линз систему соответствующим образом подобранных линз (ахроматическая система).
Предыдущая
