Дисперсия света представляет собой явление разложения луча белого света на цветные лучи. Это происходит при прохождении света через трёхгранную призму.
Явление дисперсии света было открыто в 1672 году известным учёным Ньютоном, который путём серии экспериментов доказал прямую зависимость между цветом световой волны и её частотой. Самым наглядным природным подтверждением проделанного учёным опыта является появление радуги после дождя. В этом случае белый свет преломляется через множество капель, образуя целый спектр света, от красного к фиолетовому цвету. Во многом именно благодаря открытию явления дисперсии света удалось доказать волновую природу света.
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.
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.
В том случае, если свет внутри дождевой капли преломляется только один раз, появляется так называемая первичная радуга. Однако при двух отражениях на небе появляется двойная радуга, которая представляет собой более редкое природное явление. Та радуга, диаметр которой меньше, более яркая и обладает стандартным порядком цветов. Вторая радуга, напротив, менее заметна и обладает обратным порядком цветов спектра. Таким образом, необычно красивое явление радуги после дождя можно объяснить простыми физическими законами.
Дисперсия света
Разложение света в спектр вследствие дисперсии при прохождении через призму (опыт Ньютона).
Диспе́рсия све́та (разложение света) - это явление, обусловленное зависимостью абсолютного показателя преломления вещества от частоты (или длины волны) света (частотная дисперсия), или, то же самое, зависимость фазовой скорости света в веществе от длины волны (или частоты). Экспериментально открыта Ньютоном около 1672 года , хотя теоретически достаточно хорошо объяснена значительно позднее.
Один из самых наглядных примеров дисперсии - разложение белого света при прохождении его через призму (опыт Ньютона). Сущностью явления дисперсии является неодинаковая скорость распространения лучей света c различной длиной волны в прозрачном веществе - оптической среде (тогда как в вакууме скорость света всегда одинакова, независимо от длины волны и следовательно цвета). Обычно чем больше частота волны, тем больше показатель преломления среды и меньше ее скорость света в ней:
Однако в некоторых веществах (например в парах йода) наблюдается эффект аномальной дисперсии , при котором синие лучи преломляются меньше, чем красные, а другие лучи поглощаются веществом и от наблюдения ускользают. Говоря строже, аномальная дисперсия широко распространена, например, она наблюдается практически у всех газов на частотах вблизи линий поглощения, однако у паров йода она достаточно удобна для наблюдения в оптическом диапазоне, где они очень сильно поглощают свет.
Дисперсия света позволила впервые вполне убедительно показать составную природу белого света.
По аналогии с дисперсией света, также дисперсией называются и сходные явления зависимости распространения волн любой другой природы от длины волны (или частоты). По этой причине, например, термин закон дисперсии , применяемый как название количественного соотношения, связывающего частоту и волновое число , применяется не только к электромагнитной волне , но к любому волновому процессу.
Дисперсией объясняется факт появления радуги после дождя (точнее тот факт, что радуга разноцветная, а не белая).
Дисперсия является причиной хроматических аберраций - одних из аберраций оптических систем , в том числе фотографических и видео-объективов .
Коши пришел к формуле, выражающей зависимость показателя преломления среды от длины волны:
…,
Из-за дисперсии можно наблюдать разные цвета.
Wikimedia Foundation . 2010 .
Зависимость преломления показателя n в ва от частоты n (длины волны l) света или зависимость фазовой скорости световых волн от их частоты. Следствие Д. с. разложение в спектр пучка белого света при прохождении его сквозь призму (см. СПЕКТРЫ… … Физическая энциклопедия
дисперсия света - Явления, обусловленные зависимостью скорости распространения света от частоты световых колебаний. [Сборник рекомендуемых терминов. Выпуск 79. Физическая оптика. Академия наук СССР. Комитет научно технической терминологии. 1970 г.] Тематики… … Справочник технического переводчика
дисперсия света - šviesos skaida statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. dispersion of light vok. Lichtdispersion, f; Zerteilung des Lichtes, f rus. дисперсия света, f pranc. dispersion de la lumière, f … Radioelektronikos terminų žodynas
дисперсия света - šviesos dispersija statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. dispersion of light vok. Lichtdispersion, f; Zerlegung des Lichtes, f rus. дисперсия света, f pranc. dispersion de la lumière, f … Fizikos terminų žodynas
Зависимость показателя преломления n вещества от частоты ν (длины волны λ) света или зависимость фазовой скорости (См. Фазовая скорость) световых волн от частоты. Следствие Д. с. разложение в спектр пучка белого света при прохождении… … Большая советская энциклопедия
Зависимость показателя преломления п в ва от частоты света v. В обл. частот света, для к рых в во прозрачно, п возрастает с увеличением v нормальная Д. с. В обл. частот, соответствующих полосам интенсивного поглощения света в вом, п убывает с… … Большой энциклопедический политехнический словарь
Зависимость абсолютного показателя преломления вещества от длины волны света … Астрономический словарь
Для улучшения этой статьи желательно?: Добавить иллюстрации. Найти и оформить в виде сносок ссылки на авторитетные источники, подтверждающие написанное. Проставить шаблон карточку, который существ … Википедия
Зависимость фазовой скорости гармонических волн в среде от частоты их колебаний. дисперсия волн наблюдается для волн любой природы. Наличие дисперсии волн приводит к искажению формы сигнала (напр., звукового импульса) при распространении в среде … Большой Энциклопедический словарь
В 1665–1667 гг. в Англии свирепствовала эпидемия чумы, и молодой Исаак Ньютон решил укрыться от нее в своем родном Вулсторпе. Перед отъездом в деревню он приобрел стеклянные призмы, чтобы «произвести опыты со знаменитыми явлениями цветов».
Разложение белого света с помощью призмы.
Синтез белого света с помощью призмы.
Уже в I в. н. э.было известно, что при прохождении через прозрачный монокристалл с формой шестиугольной призмы солнечный свет разлагается в цветную полоску - спектр. Еще раньше, в IV в. до н. э., древнегреческий ученый Аристотель выдвинул свою теорию цветов. Он полагал, что основным является солнечный (белый) свет, а все остальные цвета получаются из него добавлением к нему различного количества темного цвета. Таким образом, по этой теории выходило, что цвета радуги сложные, а солнечный свет простой. Несмотря на создание стеклянных призм и опыты по разложению солнечного света, проводимые с их помощью различными естествоиспытателями, в науке вплоть до XVII в. продолжало господствовать учение Аристотеля о цвете.
Исследуя природу цветов, Ньютон придумал и выполнил целый комплекс различных оптических экспериментов. Замечательно, что некоторые из них пережили столетия, и их методика без существенных изменений используется в физических лабораториях до сих пор. Рассмотрим некоторые из них.
Первый опыт был традиционным. Проделав небольшое отверстие в ставне окна затемненной комнаты, Ньютон поставил на пути пучка лучей, проходивших через это отверстие, стеклянную призму. На противоположной стене он получил изображение в виде полоски чередующихся цветов. Полученный таким образом спектр солнечного света Ньютон разделил на семь цветов радуги - красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Установление именно семи основных цветов спектра в известной степени произвольно: Ньютон стремился провести аналогию между спектром солнечного света и музыкальным звукорядом. Если же рассматривать спектр без подобного предубеждения, то полоса спектра, скорее, распадается на три главные части - красную, желто‑зеленую и сине‑фиолетовую. Остальные цвета занимают сравнительно узкие области между этими основными. Вообще же человеческий глаз может различить в спектре солнечного света до 160 различных цветовых оттенков.
В последующих опытах Ньютону удалось соединить цветные лучи в белый свет. Для этого он пропустил лучи солнечного света сквозь призму (см. рис.), а затем вышедшие из нее цветовые лучи собрал с помощью собирающей линзы. Оказалось, что в месте соединения цветовых лучей, действительно, луч стал белого цвета. По прохождению этой точки цветовые лучи снова расходятся и располагаются в порядке, обратном обычному спектру.
В результате своих исследований Ньютон, в противоположность Аристотелю, пришел к убеждению, что при смешении «белизны и черноты никакого цвета не возникает…» Все цвета спектра содержатся в самом солнечном свете, а стеклянная призма лишь разделяет их, так как различные цвета по‑разному преломляются стеклом. Таким образом, Ньютон внёс поправку к известному ранее закону преломления света: показатели преломления на самом деле постоянны для двух заданных сред при любых углах падения, но они меняются при изменении цвета падающего луча. Наиболее сильно преломляются фиолетовые лучи, слабее всего - красные. Впоследствии ученые установили тот факт, что, рассматривая свет как волну, каждому цвету следует сопоставлять свою длину волны. Очень важно, что эти длины волн меняются непрерывным образом, соответствуя различным оттенкам каждого цвета.
Изменение показателя преломления среды в зависимости от длины распространяющейся в ней волны и называется дисперсией (от латинского глагола «рассеивать»). Для обычного стекла показатель преломления близок к 1,5 для всех длин волн видимого света. При этом его дисперсия такова, что при переходе от красного (λ ≃ 0,65 мкм) к фиолетовому (λ ≃ 0,44 мкм) цвету коэффициент преломления увеличивается от 1,514 до 1,534, т. е, всего на 1,3%.
Тем не менее этот один процент позволил ученым с помощью специальных приборов - спектрографов - получать важнейшую информацию о составе и свойствах различных веществ, изучая их спектры излучения и поглощения.
Опыты Ньютона и других ученых показывали, что с увеличением длины волны света показатель преломления исследуемых веществ монотонно уменьшается. Однако в 1860 г., измеряя показатель преломления паров иода, французский физик Леру обнаружил, что красные лучи преломляются этим веществом сильнее, чем синие. Это явление он назвал аномальной дисперсией света; в дальнейшем оно было обнаружено и во многих других веществах. В современной физике как нормальная, так и аномальная дисперсия света объясняются единым образом. Отличие этих двух явлений друг от друга заключается в том, что нормальная дисперсия происходит с лучами света, длина волны которых далека от области поглощения излучения данным веществом, а аномальная дисперсия наблюдается именно в области поглощения.
Дисперсия света
Каждый из нас когда-нибудь видел, как переливаются лучи на граненых изделиях из стекла или, например, на бриллиантах. Наблюдать это можно благодаря такому явлению, как дисперсия света. Это эффект, отражающий зависимость показателя преломления предмета (вещества, среды) от длины (частоты) световой волны, которая проходит через этот предмет. Следствием такой зависимости является разложение луча на цветовой спектр, например, при прохождении через призму.
Дисперсия света выражается следующим равенством:
где n – показатель преломления, ƛ – частота, а ƒ – длина волны. Показатель преломления увеличивается с ростом частоты и уменьшением длины волны. Дисперсию мы нередко наблюдаем в природе.
Самым красивым ее проявлением является радуга, которая образуется благодаря рассеиванию солнечных лучей при прохождении их через многочисленные капли дождя.
История открытия и исследований.
В 1665-1667 годах в Англии свирепствовала эпидемия чумы, и молодой Исаак Ньютон решил укрыться от неё в своём родном Вулсторпе. Перед отъездом в деревню он приобрёл стеклянные призмы, чтобы «произвести опыты со знаменитыми явлениями цветов».
Уже в 1 веке новой эры было известно, что при прохождении через прозрачный монокристалл с формой шестиугольной призмы солнечный свет разлагается в цветную полоску – спектр. Ещё раньше, в 4 веке до новой эры, древнегреческий учёный Аристотель выдвинул свою теорию цветов. Он полагал, что основным является солнечный (белый) свет, а все остальные цвета получаются из него добавлением к нему различного количества тёмного света. Такое представление о свете господствовало в науке вплоть до 17 века, несмотря на то, что были проведены многочисленные опыты по разложению солнечного света с помощью стеклянных призм.
Исследуя природу цветов, Ньютон придумал и выполнил целый комплекс различных оптических экспериментов. Некоторые из них без существенных изменений в методике, используются в физических лабораториях до сих пор.
Первый опыт по дисперсии был традиционным. Проделав небольшое отверстие в ставне окна затемнённой комнаты, Ньютон поставил на пути пучка лучей, проходивших через это отверстие, стеклянную призму. На противоположной стене он получил изображение в виде полоски чередующихся цветов. Полученный таким образом спектр солнечного света Ньютон разделил на семь цветов радуги – красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый.
Установление именно семи основных цветов спектра в известной степени произвольно: Ньютон стремился провести аналогию между спектром солнечного света и музыкальным звуковым рядом. Если же рассматривать спектр без подобного предубеждения, то полоса спектра возникающего из-за дисперсии распадается на три главные части – красную, желто-зелёную и сине-фиолетовую. Остальные цвета занимают сравнительно узкие области между этими основными. Вообще же человеческий глаз способен различать в спектре солнечного света до 160 различных цветовых оттенков.
В последующих опытах по дисперсии Ньютону удалось соединить цветные лучи в белый свет.
В результате своих исследований Ньютон, в противоположность Аристотелю, пришёл к выводу, что при смешивании «белизны и черноты никакого цвета не возникает…». Все цвета спектра содержатся в самом солнечном свете, а стеклянная призма лишь разделяет их, так как различные цвета по-разному преломляются стеклом. Наиболее сильно преломляются фиолетовые лучи, слабее всего – красные.
Впоследствии учёные установили то факт, что, рассматривая свет как волну, каждому цвету следует сопоставить свою длину волны. Очень важно, что эти длины волн меняются непрерывным образом, соответствуя различным оттенкам каждого цвета.
Изменение показателя преломления среды в зависимости от длины распространяющейся в ней волны называется дисперсией (от латинского глагола «рассеивать»). Показатель преломления обычного стекла близок к 1.5 для всех длин волн видимого света.
Опыты Ньютона и других учёных показывали, что с увеличением длины волны света показатель преломления исследуемых веществ монотонно уменьшается. Однако в 1860 году, измеряя показатель преломления паров йода, французский физик Леру обнаружил, что красные лучи преломляются этим веществом сильнее, чем синие. Это явление он назвал аномальной дисперсией света. В дальнейшем аномальная дисперсия была обнаружена во многих других веществах.
В современной физике как нормальная, так и аномальная дисперсия света объясняются единым образом. Отличие нормальной дисперсии от аномальной заключается в следующем. Нормальная дисперсия происходит с лучами света, длина волны которых далека от области поглощения волн данным веществом. Аномальная дисперсия наблюдается только в области поглощения.
Если внимательно присмотреться к дисперсии света, то можно обнаружить её связь с проникающей способностью электромагнитных излучений. Действительно, чем короче длина волны электромагнитного излучения, тем больше шансов у излучения проникнуть сквозь вещество, в пространстве между атомами. Именно поэтому, рентгеновское и гамма-излучение обладают очень большой проникающей способностью.
Дисперсия света в природе и искусстве
Из-за дисперсии можно наблюдать разные цвета света.
Радуга, чьи цвета обусловлены дисперсией, – один из ключевых образов культуры и искусства.
Благодаря дисперсии света, можно наблюдать цветную «игру света» на гранях бриллианта и других прозрачных гранёных предметов или материалов.
В той или иной степени радужные эффекты обнаруживаются достаточно часто при прохождении света через почти любые прозрачные предметы. В искусстве они могут специально усиливаться, подчеркиваться.
Разложение света в спектр (вследствие дисперсии) при преломлении в призме – довольно распространенная тема в изобразительном искусстве. Например, на обложке альбома Dark Side Of The Moon группы Pink Floyd изображено преломление света в призме с разложением в спектр.
Открытие дисперсии стало в истории науки весьма значительным. На надгробии ученого есть надпись с такими словами: «Здесь покоится сэр Исаак Ньютон, дворянин, который… первый с факелом математики объяснил движения планет, пути комет и приливы океанов.
Он исследовал различие световых лучей и проявляющиеся при этом различные свойства цветов, чего ранее никто не подозревал. …Пусть смертные радуются, что существовало такое украшение рода человеческого ».
Каждый охотник желает знать, где сидит фазан. Как мы помним, эта фраза означает последовательность цветов спектра: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. Кто показал, что белый цвет это совокупность всех цветов, какое отношение имеет к этому радуга, красивые закаты и восходы солнца, блеск драгоценных камней? На все эти вопросы отвечает наш урок, тема которого: «Дисперсия света».
До второй половины XVII века не было полной ясности, что же такое цвет. Некоторые ученые говорили, что это свойство самого тела, некоторые заявляли, что это различные сочетания светлого и темного, тем самым путая понятия цвета и освещенности. Такой цветовой хаос царил до того времени, пока Исаак Ньютон не провел опыт по пропусканию света сквозь призму (рис. 1).
Рис. 1. Ход лучей в призме ()
Вспомним, что луч, проходящий через призму, терпит преломление при переходе из воздуха в стекло и потом еще одно преломление - из стекла в воздух. Траектория луча описывается законом преломления, а степень отклонения характеризуется показателем преломления. Формулы, описывающие эти явления:
Рис. 2. Опыт Ньютона ()
В темной комнате сквозь ставни проникает узкий пучок солнечного света, на его пути Ньютон разместил стеклянную трехгранную призму. Пучок света, проходя через призму, преломлялся в ней, и на экране, стоявшем за призмой, появлялась разноцветная полоса, которую Ньютон назвал спектром (от латинского «spectrum» - «видение»). Белый цвет превратился сразу во все цвета (рис. 2). Какие же выводы сделал Ньютон?
1. Свет имеет сложную структуру (говоря современным языком - белый свет содержит электромагнитные волны разных частот).
2. Свет различного цвета отличается степенью преломляемости (характеризуется разными показателями преломления в данной среде).
3. Скорость света зависит от среды.
Эти выводы Ньютон изложил в своем знаменитом трактате «Оптика». Какова же причина такого разложения света в спектр?
Как показывал опыт Ньютона, слабее всего преломлялся красный цвет, а сильнее всего - фиолетовый. Вспомним, что степень преломления световых лучей характеризует показатель преломления n. Красный цвет от фиолетового отличается частотой, у красного частота меньше, чем у фиолетового. Раз показатель преломления становится все больше при переходе от красного конца спектра к фиолетовому, можно сделать вывод: показатель преломления стекла увеличивается с возрастанием частоты света. В этом и состоит суть явления дисперсии.
Вспомним, как показатель преломления связан со скоростью света:
n ~ ν; V ~ => ν =
n - показатель преломления
С - скорость света в вакууме
V - скорость света в среде
ν - частота света
Значит, чем больше частота света, тем с меньшей скоростью свет распространяется в стекле, таким образом, наибольшую скорость внутри стеклянной призмы имеет красный цвет, а наименьшую скорость - фиолетовый.
Различие скоростей света для разных цветов осуществляется только при наличии среды, естественно, в вакууме любой луч света любого цвета распространяется с одной и той же скоростью м/с. Таким образом мы выяснили, что причиной разложения белого цвета в спектр является явление дисперсии.
Дисперсия - зависимость скорости распространения света в среде от его частоты.
Открытое и исследованное Ньютоном явление дисперсии ждало своего объяснения более 200 лет, лишь в XIX веке голландским ученым Лоренсом была предложена классическая теория дисперсии.
Причина этого явления - во взаимодействии внешнего электромагнитного излучения, то есть света со средой: чем больше частота этого излучения, тем сильнее взаимодействие, а значит, тем сильнее будет отклоняться луч.
Дисперсия, о которой мы говорили, называется нормальной, то есть показатель частоты растет, если частота электромагнитного излучения растет.
В некоторых редко встречающихся средах возможна аномальная дисперсия, то есть показатель преломления среды растет, если частота падает.
Мы увидели, что каждому цвету соответствует определенная длина волны и частота. Волна, соответствующая одному и тому же цвету, в разных средах имеет одну и ту же частоту, но разные длины волн. Чаще всего, говоря о длине волны, соответствующей определенному цвету, имеют в виду длину волны в вакууме или воздухе. Свет, соответствующий каждому цвету, является монохроматическим. «Моно» - один, «хромос» - цвет.
Рис. 3. Расположение цветов в спектре по длинам волн в воздухе ()
Самый длинноволновый - это красный цвет (длина волны - от 620 до 760 нм), самый коротковолновый - фиолетовый (от 380 до 450 нм) и соответствующие частоты (рис. 3). Как видите, белого цвета в таблице нет, белый цвет - это совокупность всех цветов, этому цвету не соответствует какая-то строго определенная длина волны.
Чем же объясняются цвета тел, которые нас окружают? Объясняются они способностью тела отражать, то есть рассеивать падающее на него излучение. Например, на какое-то тело падает белый цвет, который является совокупностью всех цветов, но это тело лучше всего отражает красный цвет, а остальные цвета поглощает, то оно нам будет казаться именно красного цвета. Тело, которое лучше всего отражает синий цвет, будет казаться синего цвета и так далее. Если же тело отражает все цвета, оно в итоге будет казаться белым.
Именно дисперсией света, то есть зависимостью показателя преломления от частоты волны, объясняется прекрасное явление природы - радуга (рис. 4).
Рис. 4. Явление радуги ()
Радуга возникает из-за того, что солнечный свет преломляется и отражается капельками воды, дождя или тумана, парящими в атмосфере. Эти капельки по-разному отклоняют свет разных цветов, в результате белый цвет разлагается в спектр, то есть происходит дисперсия, наблюдатель, который стоит спиной к источнику света, видит разноцветное свечение, которое исходит из пространства по концентрическим дугам.
Также дисперсией объясняется и замечательная игра цвета на гранях драгоценных камней.
1. Явление дисперсии - это разложение света в спектр, обусловленное зависимостью показателя преломления от частоты электромагнитного излучения, то есть частоты света. 2. Цвет тела определяется способностью тела отражать или рассеивать ту или иную частоту электромагнитного излучения.
Список литературы
Домашнее задание
