Dispersia luminii, a culorii și a omului. Care om de știință a descoperit fenomenul de dispersie

Un fascicul de lumină care trece printr-o prismă triunghiulară este deviat către o față opusă unghiului refractat al prismei. Cu toate acestea, dacă aceasta este o grindă lumină albă, apoi, după ce trece prin prismă, nu numai că se va abate, ci și se va descompune în fascicule colorate. Acest fenomen se numește dispersie luminoasă. A fost studiat pentru prima dată într-o serie de experimente remarcabile.

Sursa de lumină în experimentele lui Newton a fost o mică gaură rotundă situată în obloanele unei ferestre iluminate de razele Soarelui. Când o prismă a fost plasată în fața găurii, în loc de o pată rotundă, a apărut o bandă colorată pe perete, numită spectrul lui Newton. Un astfel de spectru este format din șapte culori principale: roșu, portocaliu, galben, verde, albastru, indigo și violet, care s-au trecut treptat una în alta. Fiecare dintre ele ocupă un spațiu de dimensiuni diferite în spectru. Dunja violet este cea mai lungă, iar banda roșie cea mai scurtă.

Următorul experiment a constat în faptul că dintr-un fascicul larg de raze colorate obținut cu ajutorul unei prisme, fascicule înguste de o anumită culoare ieșeau în evidență printr-un ecran cu un mic orificiu și erau îndreptate către o a doua prismă.

Prisma care le deviază nu schimbă culoarea acestor raze. Astfel de raze se numesc simple sau monocromatice (o singură culoare).

Experiența arată că razele roșii simt mai puțină deviație decât cele violete, de exemplu. Razele de culori diferite sunt refractate diferit de o prismă.

Colectând fascicule de raze care au ieșit din prismă, Newton a primit pe un ecran alb în loc de o bandă colorată. imagine albă găuri.

Din toate experimentele efectuate, Newton a tras următoarele concluzii:

• lumina albă este în mod inerent lumină complexă, care constă din raze colorate;
• razele de lumină de diferite culori au și indici diferiți de refracție ai substanței; ca urmare, atunci când un fascicul de lumină albă este deviat de o prismă, acesta se descompune într-un spectru;
• dacă combinați razele colorate ale spectrului, atunci din nou veți obține lumină albă.

Astfel, dispersia luminii este un fenomen care se datorează dependenței unei substanțe de lungimea de undă (sau frecvența).

Dispersia luminii este observată nu numai atunci când lumina trece printr-o prismă, ci și în diverse alte cazuri de refracție a luminii. Deci, în special, refracția luminii soarelui în picăturile de apă este însoțită de descompunerea acesteia în raze multicolore, ceea ce explică formarea unui curcubeu.

Pentru a obține spectrul, Newton a direcționat un fascicul cilindric destul de larg de lumină solară printr-o gaură rotundă făcută în obturator pe o prismă.

Spectrul obținut în acest fel este o serie de imagini multicolore ale unei găuri rotunde, parțial suprapuse una peste alta. Pentru a obține un spectru mai pur, atunci când studiază un astfel de fenomen precum dispersia luminii, Newton a sugerat să se folosească nu o gaură rotundă, ci o fantă îngustă paralelă cu marginea de refracție a prismei. Folosind o lentilă, pe ecran se obține o imagine clară a fantei, după care se instalează o prismă în spatele lentilei, care dă spectrul.

Cele mai pure și mai strălucitoare spectre sunt obținute folosind dispozitive speciale- spectroscoape și spectrografe.

Absorbția luminii este un fenomen în care energia unei unde luminoase scade pe măsură ce trece printr-o substanță. Acest lucru se datorează transformării energiei unei unde de lumină în energia radiației secundare sau, cu alte cuvinte, a unei substanțe care are o compoziție spectrală diferită și alte direcții de propagare.

Absorbția luminii poate provoca încălzirea unei substanțe, ionizarea sau excitarea moleculelor sau atomilor, reacții fotochimice și alte procese într-o substanță.

DEFINIȚIE

Dispersia luminii numiți dependența indicelui de refracție al unei substanțe (n) de frecvența () sau lungimea de undă () a luminii în vid (deseori indicele 0 este omis):

Uneori, dispersia este definită ca dependența vitezei de fază (v) a undelor luminoase de frecvență.

O consecință binecunoscută a dispersiei este descompunerea luminii albe într-un spectru atunci când trece printr-o prismă. I. Newton a fost primul care a înregistrat observațiile sale despre dispersia luminii. Dispersia este o consecință a dependenței de frecvență a polarizării atomilor.

Dependența grafică a indicelui de refracție de frecvență (sau lungime de undă) - curba de dispersie.

Dispersia apare ca urmare a oscilațiilor electronilor și ionilor.

Dispersia luminii într-o prismă

Dacă un fascicul de lumină monocromatic lovește o prismă, al cărei indice de refracție este egal cu n, sub un unghi (Fig. 1), atunci, după dublă refracție, fasciculul se abate de la direcția inițială cu un unghi:

Dacă unghiurile A, sunt mici, atunci toate celelalte unghiuri din formula (2) sunt mici. În acest caz, legea refracției poate fi scrisă nu în termenii sinusurilor acestor unghiuri, ci direct în termenii unghiurilor în sine în radiani:

Știind asta, avem:

Prin urmare, unghiul de deviere al razelor folosind o prismă este direct proporțional cu unghiul de refracție al prismei:

si depinde de valoare. Și știm că indicele de refracție este o funcție a lungimii de undă. Se dovedește că razele cu lungimi de undă diferite, după ce trec printr-o prismă, sunt deviate în unghiuri diferite. Devine clar de ce un fascicul de lumină albă se va descompune într-un spectru.

Dispersia unei substanțe

Valoarea (D) egală cu:

numit dispersia substanței. Arată cât de repede se modifică indicele de refracție cu lungimea de undă.

Indicele de refracție pentru substanțele transparente crește monoton odată cu scăderea lungimii de undă, ceea ce înseamnă că valoarea lui D în valoare absolută crește odată cu scăderea lungimii de undă. Această dispersie se numește normală. Fenomenul de dispersie normală stă la baza funcționării spectrografelor cu prismă, care pot fi folosite pentru a studia compoziția spectrală a luminii.

Exemple de rezolvare a problemelor

EXEMPLUL 1

EXEMPLUL 2

Uneori când după ploaie torentiala soarele strălucește din nou, poți vedea curcubeul. Acest lucru se datorează faptului că aerul este saturat cu praf fin de apă. Fiecare picătură de apă din aer joacă rolul unei prisme minuscule, zdrobind lumina în diferite culori.

Cu aproximativ 300 de ani în urmă, I. Newton a trecut razele soarelui printr-o prismă. El a descoperit că lumina albă este un „amestec minunat de culori”.

Acesta este interesant… De ce există doar 7 culori în spectrul luminii albe?

Deci, de exemplu, Aristotel a indicat doar trei culori ale curcubeului: roșu, verde, violet. Newton a identificat mai întâi cinci culori în curcubeu, iar mai târziu zece. Cu toate acestea, mai târziu, s-a hotărât pe șapte culori. Alegerea se explică, cel mai probabil, prin faptul că numărul șapte era considerat „magic” (șapte minuni ale lumii, șapte săptămâni etc.).

Dispersia luminii a fost observată pentru prima dată experimental de Newton în 1666, când un fascicul îngust de lumină a fost trecut printr-o prismă de sticlă. În spectrul de lumină albă pe care a obținut-o, el a evidențiat șapte culori: Din această experiență, Newton a concluzionat că „razele de lumină care diferă ca culoare diferă în gradul de refracție”. Razele violete sunt cel mai puternic refractate, cele roșii sunt cel mai puțin refractate.

Lumina albă este o lumină complexă formată din unde de diferite lungimi de undă (frecvență). Fiecare culoare are propria lungime de undă și frecvență: roșu, portocaliu, verde, albastru, albastru, violet - această descompunere a luminii se numește spectru.

Undele de culori diferite sunt refractate diferit într-o prismă: mai puțin roșu, mai mult violet. O prismă deviază undele de culori diferite în unghiuri diferite.. Comportamentul lor se explică prin faptul că, în timpul tranziției undelor luminoase de la aer la o prismă de sticlă, viteza undelor „roșii” se schimbă mai puțin decât cea a „violetului”. Astfel, cu cât lungimea de undă este mai mică (cu cât frecvența este mai mare), cu atât este mai mare indicele de refracție al mediului pentru astfel de unde.

Dispersia este dependența indicelui de refracție al luminii de frecvența de oscilație (sau lungimea de undă).

Pentru undele de cromaticitate diferită, indicii de refracție ai unei substanțe date sunt diferiți; ca urmare, atunci când este deviată de o prismă, lumina albă se descompune în gamă.

Când o undă de lumină monocromatică trece din aer în materie, lungimea de undă a luminii scade, frecvența de oscilație rămâne neschimbată. Culoarea rămâne neschimbată.

Când toate culorile spectrului sunt suprapuse, se formează lumină albă.

De ce vedem obiecte colorate? Vopseaua nu creează culoare, absoarbe sau reflectă selectiv lumina.

Rezumat de bază:

Întrebări pentru autocontrol pe tema „Dispersia luminii”

1. Care este dispersia luminii?
2. Desenați diagrame pentru obținerea spectrului luminii albe folosind o prismă de sticlă.
3. De ce trece lumina albă printr-o prismă eliberând un spectru?
4. Comparați indicii de refracție pentru lumina roșie și violetă.
5. Care lumină călătorește mai repede într-o prismă, roșie sau violetă?
6. Cum să explic diversitatea culorilor din natură în ceea ce privește optica undelor?
7. Ce culoare va fi vizibilă prin filtrul de lumină roșie din jurul obiectelor? De ce?

(sau lungimea de undă) a luminii (dispersia de frecvență) sau, același lucru, dependența vitezei de fază a luminii în materie de lungimea de undă (sau frecvența). Descoperit experimental de Newton în jurul anului 1672, deși teoretic bine explicat mult mai târziu.

• Dispersia spațială este dependența tensorului de permitivitate dielectric al unui mediu de vectorul de undă. Această dependență provoacă o serie de fenomene numite efecte de polarizare spațială.

Una dintre cele mai exemple bune dispersie - descompunerea luminii albe pe măsură ce trece printr-o prismă (experiența lui Newton). Esența fenomenului de dispersie este viteza inegală de propagare a razelor de lumină cu lungimi de undă diferite într-o substanță transparentă - un mediu optic (în timp ce în vid viteza luminii este întotdeauna aceeași, indiferent de lungimea de undă și deci de culoare). De obicei, cu cât frecvența undei este mai mare, cu atât este mai mare indicele de refracție al mediului și cu atât viteza luminii este mai mică în el:

• roșu are viteza maximă în mediu și gradul minim de refracție,
• violetul are viteza minima a luminii in mediu si gradul maxim de refractie.

Cu toate acestea, în unele substanțe (de exemplu, în vapori de iod), se observă un efect de dispersie anormal, în care razele albastre sunt refractate mai puțin decât cele roșii, iar alte raze sunt absorbite de substanță și scapă de observație. Strict vorbind, dispersia anormală este larg răspândită, de exemplu, se observă în aproape toate gazele la frecvențe apropiate liniilor de absorbție, dar în vaporii de iod este destul de convenabil pentru observare în domeniul optic, unde absorb lumina foarte puternic.

Dispersia luminii a făcut posibil pentru prima dată să se arate destul de convingător natura compozită a luminii albe.

• Lumina albă este, de asemenea, descompusă într-un spectru ca urmare a trecerii printr-un rețele de difracție sau a reflectării din acesta (acest lucru nu are legătură cu fenomenul de dispersie, dar se explică prin natura difracției). Spectrele de difracție și prismatice sunt oarecum diferite: spectrul prismatic este comprimat în partea roșie și întins în violet și este aranjat în ordinea descrescătoare a lungimii de undă: de la roșu la violet; spectrul normal (difracție) este uniform în toate zonele și este aranjat în ordinea crescătoare a lungimilor de undă: de la violet la roșu.

Prin analogie cu dispersia luminii, fenomenele similare ale dependenței propagării undelor de orice altă natură de lungimea de undă (sau frecvența) sunt numite și dispersie. Din acest motiv, de exemplu, termenul de lege de dispersie, aplicat ca denumire a unei relații cantitative care raportează frecvența și numărul de undă, se aplică nu numai unei unde electromagnetice, ci și oricărui proces de undă.

Dispersia explică faptul că curcubeul apare după ploaie (mai precis, faptul că curcubeul este multicolor, nu alb).

Dispersia este cauza aberațiilor cromatice - una dintre aberațiile sistemelor optice, inclusiv a obiectivelor fotografice și video.

Cauchy a venit cu o formulă care exprimă dependența indicelui de refracție al mediului de lungimea de undă:

Dispersia luminii în natură și artă

Datorită dispersiei, pot fi observate culori diferite.

• Curcubeul, ale cărui culori se datorează dispersării, este una dintre imaginile cheie ale culturii și artei.
• Datorită dispersiei luminii, se poate observa culoarea „joc de lumină” pe fațetele unui diamant și a altor obiecte sau materiale fațetate transparente.
• Într-o oarecare măsură, efectele irizate se găsesc destul de des atunci când lumina trece prin aproape orice obiect transparent. În artă, ele pot fi special amplificate, subliniate.
• Descompunerea luminii într-un spectru (datorită dispersiei) în timpul refracției într-o prismă este un subiect destul de comun în Arte Frumoase. De exemplu, coperta albumului lui Pink Floyd Dark Side Of The Moon descrie refracția luminii într-o prismă cu descompunere într-un spectru.

Vezi si

Literatură

• Yashtold-Govorko V. A. Fotografie și procesare. Shot, formule, termeni, retete. - Ed. a 4-a, abr. - M .: Art, 1977.

Legături

Fundația Wikimedia. 2010 .

Vedeți ce este „Dispersia luminii” în alte dicționare:

Dependența indicelui de refracție n în VA de frecvența n (lungimea de undă l) a luminii sau dependența vitezei de fază a undelor luminoase de frecvența lor. Consecință D. s. descompunerea într-un spectru de fascicul de lumină albă atunci când trece printr-o prismă (vezi SPECTRE ... ... Enciclopedia fizică

dispersia luminii- Fenomene datorate dependenţei vitezei de propagare a luminii de frecvenţa vibraţiilor luminii. [Culegere de termeni recomandați. Problema 79. Optica fizică. Academia de Științe a URSS. Comitetul de terminologie științifică și tehnică. 1970] Subiecte… … Manualul Traducătorului Tehnic

dispersia luminii- šviesos skaida statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: engl. dispersia luminii vok. Dispersia luminii, f; Zerteilung des Lichtes, f rus. dispersia luminii, fpranc. dispersia luminii, f… Radioelectronica terminų žodynas

dispersia luminii- šviesos dispersija statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. dispersia luminii vok. Dispersia luminii, f; Zerlegung des Lichtes, f rus. dispersia luminii, fpranc. dispersion de la lumière, f … Fizikos terminų žodynas

Dependența indicelui de refracție n al unei substanțe de frecvența ν (lungimea de undă λ) a luminii sau dependența vitezei de fază (vezi Viteza de fază) a undelor luminoase de frecvență. Consecință D. s. descompunerea în spectrul unui fascicul de lumină albă în timpul trecerii de ...... Marea Enciclopedie Sovietică

Dependența indicelui de refracție n in va de frecvența luminii v. În regiunea frecvențele luminii, pentru care ryh este transparent, n crește odată cu creșterea v normală D. s. În regiunea frecvențele corespunzătoare benzilor de absorbție intensă a luminii în voi, n scade cu ...... Marele dicționar politehnic enciclopedic

Dependenta indicator absolut refracția materiei de la lungimea de undă a luminii... Dicţionar astronomic

Doriți să îmbunătățiți acest articol?: Adăugați ilustrații. Găsiți și publicați sub formă de note de subsol link-uri către surse autorizate care confirmă ceea ce a fost scris. Pune jos un șablon de card care creaturi... Wikipedia

Dependența vitezei de fază a undelor armonice într-un mediu de frecvența oscilațiilor acestora. dispersia undelor se observă pentru unde de orice natură. Prezența dispersiei undelor duce la o distorsiune a formei semnalului (de exemplu, un impuls sonor) atunci când se propagă într-un mediu ... Dicţionar enciclopedic mare

Lumea din jurul nostru este plină de milioane de nuanțe diferite. Datorită proprietăților luminii, fiecare obiect și obiect din jurul nostru are culoare specifică perceput de ochiul uman. Studiul undelor luminoase și al caracteristicilor lor a permis oamenilor să arunce o privire mai profundă asupra naturii luminii și a fenomenelor asociate cu aceasta. Să vorbim astăzi despre dispersie.

Natura luminii

Din punct de vedere fizic, lumina este o combinație undele electromagnetice Cu valori diferite lungime si frecventa. Ochiul uman nu percepe nicio lumină, ci doar una a cărei lungime de undă variază de la 380 la 760 nm. Restul soiurilor rămân invizibile pentru noi. Acestea includ, de exemplu, radiațiile infraroșii și ultraviolete. Celebrul om de știință Isaac Newton și-a imaginat lumina ca pe un flux direcționat al celor mai multe particule mici. Și abia mai târziu s-a dovedit că este din fire un val. Cu toate acestea, Newton avea încă parțial dreptate. Faptul este că lumina are nu numai val, ci și proprietăți corpusculare. Acest lucru este confirmat de binecunoscutul fenomen al efectului fotoelectric. Se dovedește că fluxul luminos are o natură dublă.

Spectrul de culori

Lumina albă accesibilă vederii umane este o combinație de mai multe unde, fiecare dintre acestea fiind caracterizată de o anumită frecvență și de propria energie fotonică. În consecință, poate fi descompus în valuri culoare diferita. Fiecare dintre ele se numește monocromatic, iar o anumită culoare corespunde propriei game de lungime, frecvență a undelor și energie fotonică. Cu alte cuvinte, energia emisă de o substanță (sau absorbită) este distribuită conform indicatorilor de mai sus. Aceasta explică existența spectrului luminii. De exemplu, culoarea verde a spectrului corespunde unei frecvențe în intervalul de la 530 la 600 THz, iar violet - de la 680 la 790 THz.

Fiecare dintre noi a văzut vreodată cum razele strălucesc pe sticla fațetată sau, de exemplu, pe diamante. Acest lucru poate fi observat datorită unui astfel de fenomen precum dispersia luminii. Acesta este un efect care reflectă dependența indicelui de refracție al unui obiect (substanță, mediu) de lungimea (frecvența) undei luminoase care trece prin acest obiect. Consecința acestei dependențe este descompunerea fasciculului într-un spectru de culori, de exemplu, la trecerea printr-o prismă. Dispersia luminii este exprimată prin următoarea ecuație:

unde n este indicele de refracție, ƛ este frecvența și ƒ este lungimea de undă. Indicele de refracție crește odată cu creșterea frecvenței și scăderea lungimii de undă. Observăm adesea dispersie în natură. Cea mai frumoasă manifestare a sa este curcubeul, care se formează din cauza împrăștierii razelor solare atunci când acestea trec prin numeroase picături de ploaie.

Primii pași spre descoperirea dispersiei

După cum am menționat mai sus, atunci când trece printr-o prismă, fluxul de lumină se descompune într-un spectru de culori, pe care Isaac Newton l-a studiat suficient de detaliat în timpul său. Rezultatul cercetărilor sale a fost descoperirea fenomenului de dispersie în 1672. Interesul științific pentru proprietățile luminii a apărut chiar înainte de epoca noastră. Celebrul Aristotel a observat deja atunci că lumina soarelui poate avea diferite nuanțe. Omul de știință a susținut că natura culorii depinde de „cantitatea de întuneric” prezentă în lumina albă. Dacă există multe, atunci există Violet, iar dacă nu este suficient, atunci roșu. Marele gânditor a mai spus că culoarea principală a razelor de lumină este albul.

Studii ale predecesorilor lui Newton

Teoria aristotelică a interacțiunii între întuneric și lumină nu a fost respinsă de oamenii de știință din secolele al XVI-lea și al XVII-lea. Atât cercetătorul ceh Marzi, cât și fizicianul englez Khariot au efectuat în mod independent experimente cu o prismă și au fost ferm convinși că motivul apariției diferitelor nuanțe ale spectrului este tocmai amestecarea fluxului de lumină cu întuneric atunci când acesta trece prin prismă. La prima vedere, concluziile oamenilor de știință ar putea fi numite logice. Dar experimentele lor au fost destul de superficiale și nu le-au putut susține cu cercetări suplimentare. Asta până când Isaac Newton a preluat conducerea.

Descoperirea lui Newton

Datorită minții iscoditoare a acestui om de știință remarcabil, s-a dovedit că lumina albă nu este cea principală și că alte culori nu apar deloc ca urmare a interacțiunii luminii și întunericului în proporții diferite. Newton a infirmat aceste credințe și a arătat că lumina albă este compusă în structura sa, este formată din toate culorile spectrului luminos, numite monocromatice. Ca urmare a trecerii unui fascicul de lumină printr-o prismă, se formează o varietate de culori datorită descompunerii luminii albe în fluxurile sale constitutive de undă. Astfel de unde cu frecvențe și lungimi diferite sunt refractate în mediu în moduri diferite, formând o anumită culoare. Newton a creat experimente care sunt încă folosite în fizică. De exemplu, experimente cu prisme încrucișate, folosind două prisme și o oglindă, precum și trecerea luminii prin prisme și un ecran perforat. Acum știm că descompunerea luminii într-un spectru de culori are loc datorită vitezelor diferite de trecere a undelor cu lungimi și frecvențe diferite printr-o substanță transparentă. Ca urmare, unele valuri părăsesc prisma mai devreme, altele puțin mai târziu, altele mai târziu și așa mai departe. Așa are loc descompunerea fluxului luminos.

Dispersie anormală

În viitor, fizicienii din secolul înainte au făcut o altă descoperire cu privire la dispersie. Francezul Leroux a descoperit că în unele medii (în special, în vapori de iod) este încălcată dependența care exprimă fenomenul de dispersie. Fizicianul Kundt, care locuia în Germania, s-a ocupat de studiul acestei probleme. Pentru cercetările sale, a împrumutat una dintre metodele lui Newton, și anume experimentul folosind două prisme încrucișate. Singura diferență a fost că, în loc de unul dintre ele, Kundt a folosit un vas prismatic cu o soluție de cianină. S-a dovedit că indicele de refracție atunci când lumina trece prin astfel de prisme crește mai degrabă decât scade, așa cum sa întâmplat în experimentele lui Newton cu prisme convenționale. Omul de știință german a aflat că acest paradox se observă datorită unui astfel de fenomen precum absorbția luminii de către materie. În experimentul descris de Kundt, mediul absorbant a fost o soluție de cianină, iar dispersia luminii pentru astfel de cazuri a fost numită anormală. În fizica modernă, acest termen practic nu este folosit. Astăzi, dispersia normală descoperită de Newton și dispersia anormală descoperită mai târziu sunt considerate ca două fenomene legate de aceeași doctrină și având o natură comună.

Lentile cu dispersie redusă

În fotografie, dispersia luminii este considerată un fenomen nedorit. Provoacă așa-numita aberație cromatică, în care culorile apar distorsionate în imagini. Nuanțele fotografiei nu se potrivesc cu nuanțele subiectului fotografiat. Acest efect devine deosebit de neplăcut pentru fotografi profesioniști. Datorită dispersiei din fotografii, nu doar culorile sunt distorsionate, ci marginile sunt adesea neclare sau, dimpotrivă, aspectul unui chenar prea definit. Producătorii mondiali de echipamente foto fac față consecințelor unui astfel de fenomen optic cu ajutorul lentilelor special concepute cu dispersie redusă. Sticla din care sunt fabricate are o proprietate excelentă de a refracta în mod egal undele cu diferite valori de lungime și frecvență. Obiectivele cu lentile cu dispersie redusă se numesc acromate.