Навколишній світ наповнений мільйонами різноманітних відтінків. Завдяки властивостям світла кожен предмет і об`єкт навколо нас має певний колір, що сприймається людським зором. Вивчення світлових хвиль і їх характеристик дозволило людям глибше поглянути на природу світла і явища, пов`язані з ним. Сьогодні поговоримо про дисперсії.
природа світла
З фізичної точки зору світло являє собою поєднання електромагнітних хвиль з різними значеннями довжини і частоти. Око людини сприймає не будь-яке світло, а тільки лише той, довжина хвиль якого коливається від 380 до 760 нм. Решта різновиди залишаються для нас невидимими. До них, наприклад, відносяться інфрачервоне і ультрафіолетове випромінювання. Знаменитий учений Ісаак Ньютон представляв світло як спрямований потік найдрібніших частинок. І лише пізніше було доведено, що він за своєю природою є хвилею. Однак Ньютон все ж був частково має рацію. Справа в тому, що світло має не тільки хвильовими, але і корпускулярним властивостями. Це підтверджується всім відомим явищем фотоефекту. Виходить, що світловий потік має двояку природу.
колірний спектр
Білий світ, доступний для людського зору, - це сукупність декількох хвиль, кожна з яких характеризується певною частотою і власною енергією фотонів. Відповідно до цього його можна розкласти на хвилі різного кольору. Кожна з них носить назву монохроматичної, а певного кольору відповідає свій діапазон довжини, частоти хвиль і енергії фотонів. Іншими словами, енергія, яку випромінює речовиною (або поглинається), розподіляється по вищезгаданим показниками. Це пояснює існування світлового спектру. наприклад, зелений колір спектра відповідає частоті, що знаходиться в діапазоні від 530 до 600 ТГц, а фіолетовий - від 680 до 790 ТГц.
дисперсія світла
Кожен з нас коли-небудь бачив, як переливаються промені на гранованих виробах зі скла або, наприклад, на діамантах. Спостерігати це можна завдяки такому явищу, як дисперсія світла. Це ефект, що відображає залежність показника заломлення предмета (речовини, середовища) від довжини (частоти) світлової хвилі, яка проходить через цей предмет. Наслідком такої залежності є розкладання променя на колірний спектр, наприклад, при проходженні через призму. Дисперсія світла виражається наступним рівністю:
n = fnof- ( ),
де n - показник заломлення, - частота, а fnof- - довжина хвилі. Показник заломлення збільшується зі зростанням частоти і зменшенням довжини хвилі. Дисперсію ми нерідко спостерігаємо в природі. Найкрасивішим її проявом є веселка, яка утворюється завдяки розсіюванню сонячних променів при проходженні їх через численні краплі дощу.
Перші кроки на шляху до відкриття дисперсії
Як було сказано вище, світловий потік при проходженні через призму розкладається на колірний спектр, який Ісаак Ньютон досить детально вивчив свого часу. Результатом його досліджень стало відкриття явища дисперсії в 1672 році. Науковий інтерес до властивостей світла з`явився ще до нашої ери. Знаменитий Аристотель вже тоді помітив, що сонячне світло може мати різні відтінки. Вчений стверджував, що характер кольору залежить від «кількості темряви», яка присутня в білому світі. Якщо її багато, то виникає фіолетовий колір, а якщо мало, то червоний. Великий мислитель також говорив про те, що основним кольором світлових променів є білий.
Дослідження попередників Ньютона
Аристотелевську теорію взаємодії темряви і світла не спростували і вчені 16-17 століть. І чеський дослідник Марци, і англійський фізик Харіот незалежно один від одного проводили досліди з призмою і були твердо впевнені в тому, що причиною появи різних відтінків спектру є саме змішування світлового потоку з темрявою при проходженні його через призму. На перший погляд, висновки вчених можна було назвати логічними. Але їх експерименти були досить поверхневими, і вони не змогли підкріпити їх додатковими дослідженнями. Так було, поки за справу не взявся Ісаак Ньютон.
відкриття Ньютона
Завдяки допитливому розуму цього видатного вченого було доведено, що біле світло не є основним, і що інші кольори виникають зовсім не в результаті взаємодії світла і темряви в різних співвідношеннях. Ньютон спростував ці переконання і показав, що біле світло є складовим за своєю структурою, його утворюють всі кольори світлового спектру, звані монохроматичними. В результаті проходження світлового пучка через призму різноманітність кольорів утворюється через розкладання білого світла на складові його хвильові потоки. Такі хвилі з різною частотою і довжиною переломлюються в середовищі по-різному, утворюючи певний колір. Ньютон поставив досліди, які до сих пір використовуються в фізиці. Наприклад, експерименти зі схрещеними призмами, з використанням двох призм і дзеркала, а також пропускання світла через призми і перфорований екран. Тепер нам відомо, що розкладання світла на колірний спектр відбувається внаслідок різної швидкості проходження хвиль з різною довжиною і частотою крізь прозоре речовина. В результаті одні хвилі виходять з призми раніше, інші - трохи пізніше, треті - ще пізніше і так далі. Так і відбувається розкладання світлового потоку.
аномальна дисперсія
Надалі вчені-фізики позаминулого століття зробили чергове відкриття, що стосується дисперсії. Француз Леру виявив, що в деяких середовищах (зокрема, в парах йоду) залежність, що виражає явище дисперсії, порушується. За вивчення цього питання взявся жив в Німеччині фізик Кундт. Для свого дослідження він запозичив один з методів Ньютона, а саме досвід з використанням двох схрещених призм. Різниця полягала лише в тому, що замість однієї з них Кундт застосовував призматичний посудину з розчином ціаніна. Виявилося, що показник заломлення при проходженні світла через такі призми збільшується, а не зменшується, як це відбувалося в експериментах Ньютона зі звичайними призмами. Німецький вчений з`ясував, що цей парадокс спостерігається внаслідок такого явища, як поглинання світла речовиною. В описаному досвіді Кундта поглинає середовищем виступав розчин ціаніна, а дисперсія світла для таких випадків була названа аномальною. У сучасній фізиці такий термін практично не використовують. На сьогоднішній день відкриту Ньютоном нормальну і виявлену пізніше аномальну дисперсію розглядають як два явища, які стосуються одного вченню і мають загальну природу.
низькодисперсні лінзи
У фототехніку дисперсія світла вважається небажаним явищем. Вона стає причиною так званої хроматичної аберації, при якій на зображеннях з`являється спотворення кольорів. Відтінки фотографії при цьому не відповідають відтінкам, що знімається. Особливо неприємним такий ефект стає для фотографів-професіоналів. Через дисперсії на фотознімках не тільки відбувається спотворення квітів, а й нерідко спостерігається розмиття країв або, навпаки, поява надто окресленої облямівки. Світові виробники фототехніки справляються з наслідками такого оптичного явища за допомогою спеціально розроблених нізкодісперсних лінз. Скло, з якого вони виробляються, володіє прекрасним властивістю однаково заломлювати хвилі з різними значеннями довжини і частоти. Об`єктиви, в яких встановлюються низькодисперсні лінзи, називаються ахроматамі.
