Как называется результат разложения дисперсия света на лучи разных цветов

Дисперсия света

Разложение света в спектр вследствие дисперсии при прохождении через призму (опыт Ньютона).

Диспе́рсия све́та (разложение света) — это явление зависимости абсолютного показателя преломления вещества от частоты (или длины волны) излучения, или, что то же самое, зависимость фазовой скорости световых волн 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 оптической среде (в вакууме скорость света всегда одинакова, независимо от длины волны). Обычно чем больше частота волны, тем больше её показатель преломления в среде и меньше скорость распространения в ней:

• у волн длинноволновой (красной) области спектра выше скорость в среде и меньше степень преломления,
• у волн коротковолновой (фиолетовой) области спектра меньше скорость света в среде и больше степень преломления.

Однако в некоторых веществах (например в парах спектр и в результате прохождения через частоту и объективов.

• L — длина волны в вакууме;
• a, b, c, … — постоянные, значения которых для каждого вещества должны быть определены в опыте. В большинстве случаев можно ограничиться двумя первыми членами формулы Коши.

Содержание

Модальная дисперсия [ ]

Модальная дисперсия — механизм искажений, происходящий в многомодовых оптических волокнах и других волноводах, в которых каждый фотон в волоконно-оптической среде распространяется по траектории, отличающейся от траекторий других фотонов в результате чего, каждый фотон (при одинаковых скоростях распространения) проходит различное расстояние внутри одного и того же волокна, вызывая различную задержку в прохождении сигнала или дисперсию.

Дисперсия света: что это такое, причины, примеры

Дисперсия света (разложение света; светорассеяние) — это разложение света в спектр, обусловленное зависимостью показателя преломления среды от частоты световой волны.

Наверное, вы уже наблюдали явление образования разноцветной дуги в небе — радугу. Если нет, то, возможно, вы видели разноцветные капли росы солнечным утром. Если вам не нравится дождь и вы не любите вставать по утрам, поставьте перед собой стакан с газированной минеральной водой так, чтобы его освещали солнечные лучи. Затем вы увидите, что пузырьки газа в стекле меняют свой цвет и светятся. Все эти явления являются проявлениями разложения (дисперсии) света.

Разложение солнечного света с помощью призмы, проведенное Ньютоном в 1665-66 годах, было признано научным миром как один из десяти самых красивых экспериментов в истории физики. Таким образом, ученый продемонстрировал, что белый свет на самом деле представляет собой смесь цветов. При этом повторное соединение всех цветов в спектре дает белый свет.

Разложение белого света

Физиком, который впервые доказал, что белый свет представляет собой смесь различных цветов, был Исаак Ньютон, первооткрыватель закона всемирного тяготения. Именно Ньютон использовал призму в своем эксперименте.

Призма — это твердое тело из оптически прозрачного материала (обычно стекла), представляющее собой призму с треугольным основанием. Когда свет проходит через призму, он преломляется дважды: сначала на границе раздела воздух-стекло (при входе в призму), а затем на границе раздела стекло-воздух (при выходе из призмы). Ход светового луча в призме показан на рисунке 1 ниже.

Рис. 1. Путь луча света в призме

Опыт. Как и почему рассеивается свет?

Проверим гипотезу о том, что белый свет разлагается, потому что он представляет собой смесь основных, простых цветов.

Что вам понадобится?

• источник белого света (светодиодный фонарик, проектор);
• щель;
• призма с подставкой;
• экран.

Инструкция.

1. Расположите щель вертикально непосредственно за источником света.
2. Направьте источник света на одну стенку призмы.
3. Расположите экран так, чтобы свет падал на него после прохождения через призму.

Вывод, который получим в результате опыта.

На экране мы наблюдаем так называемый спектр белого света, который представляет собой набор цветов от фиолетового до красного в результате дисперсии пучка белого света. Таким образом, белый свет представляет собой смесь цветов.

Каков механизм формирования спектра белого света? Луч света, представляющий собой смесь цветов, претерпевает двойное преломление при прохождении через призму (см. рисунок 2). Каждый компонент преломляется под разным углом, поскольку скорость его распространения меняется при переходе из одной среды в другую.

Рис. 2. Механизм формирования спектра белого света при прохождении через призму

Помните! При прохождении через призму фиолетовый свет отклоняется от своего первоначального направления в наибольшей степени, а красный — в наименьшей.

Дисперсия света уже происходит, когда белый свет попадает в призму. При выходе из призмы углы преломления, под которыми цветовые компоненты белого света покидают призму, увеличиваются, делая явление более заметным.

Дисперсия света может объяснить многие явления, наблюдаемые в природе, например, образование радуги.

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.

Длины волн и частоты спектральных цветов

Видимый нами диапазон спектра охватывает диапазон длин волн от 390 нм до 780 нм. Это соответствует диапазону частот от 7,7⋅10 14 Гц до 3,8⋅10 14 Гц.

В направлении более длинных волн (более коротких частот) присоединяется инфракрасный свет, а в направлении более коротких волн (более высоких частот) присоединяется ультрафиолетовый свет.

На рисунке 3 приведены частоты и длины волн для шести спектральных цветов. Из данных видно, что каждый спектральный цвет охватывает определенный диапазон длин волн.

Поэтому необходимо проводить различие между светом спектрального цвета (всегда включает в себя диапазон длин волн) и светом определенной длины волны (всегда является частью света спектрального цвета).

Рис. 3. Частоты и длины волн спектральных цветов

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).

Дисперсия света

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Дисперсия света»

Проведём небольшой эксперимент. Возьмём три одинаковые трёхгранные призмы и пропустим через них пучки монохроматического света различных цветов, например, красного, зелёного и фиолетового. Как видим, лучи фиолетового цвета испытают большее преломление по сравнению с зелёными.

А лучи красного цвета преломляются меньше всего. Это говорит нам о том, что угол преломления красных лучей больше, чем для лучей зелёного и фиолетового цветов. Тогда, из закона преломления света следует, что красный свет в среде распространяется быстрее. Но поскольку цвет, воспринимаемый человеческим глазом, определяется только частотой световой волны, то цвет при переходе из вакуума в вещество или из одного вещества в другое не изменяется.

Зависимость скорости распространения световых волн в среде (или зависимость показателя преломления среды) от частоты (или длины волны) света называют дисперсией света.

Впервые подробно исследовал дисперсию света сэр Исаак Ньютон. До Ньютона считалось, что цвет тела — это свойство самого тела. Например, Аристотель объяснял наличие различных цветов смешением белого света с определённым количеством темноты: немного темноты, добавленной к свету, даёт красный свет; большее количество темноты — и вот мы уже видим фиолетовый свет. И эта теория господствовала в плоть до середины XVII века.

В 1666 году Исаак Ньютон, занимаясь усовершенствованием телескопов, обратил внимание на интересный факт: изображение, получаемое с помощью объектива телескопа, по краям было окрашено. Предполагая, что это может быть как-то связано с явлением преломления света, он поставил небольшой эксперимент, который детально описал в трактате «Оптика»: «Я поместил в очень темной комнате у круглого отверстия около трети дюйма шириной в ставне окна стеклянную призму, благодаря чему пучок солнечного света, входившего в это отверстие, мог преломляться вверх к противоположной стене комнаты и образовывал там цветное изображение Солнца состоящее из ряда цветных полос плавно переходящих друг в друга».

Следуя многовековой традиции, согласно которой радуга считалась состоящей из семи основных цветов, Ньютон тоже выделил семь цветов: фиолетовый, синий, голубой, зелёный, жёлтый, оранжевый и красный. Саму же радужную полоску Ньютон назвал спектром.

Казалось бы, простейший опыт Ньютона показал, что белый свет является сложным: пройдя через призму, он разлагается на пучки различных цветов.

Однако не все приняли результаты опыта — слишком уж необычным казалось это предположение. Основные вопросы сводились к следующему: почему белый свет, входящий в призму, выходил из неё в виде цветной полосы, содержащей именно семь цветов; почему круглый в сечении пучок после преломления в призме оказался существенно растянутым в длину; и, может это вещество, из которого изготовлена призма, окрашивает белый свет?

Для решения всех этих вопросов Ньютон провёл ещё несколько простых, но в то же время гениальных экспериментов. В начале он на пути пучка, прошедшего через призму, поместил собирающую линзу. Пройдя через неё пучок разноцветных лучей в точке схождения вновь становился белым. Такой же результат давала и вторая призма, повёрнутая на 180 о относительно первой. Таким образом было доказано, что свет действительно имеет сложную структуру.

Следующие опыты Ньютона были посвящены изучению влияния вещества призмы на характер окрашивания светового пучка. Закрыв отверстие красным стеклом, Ньютон наблюдал на стене только красное пятно, закрыв синим стеклом — синее пятно и так далее. Это означало, что не призма окрашивает белый свет, так как она не может влиять на цвет светового пучка.

Отдельные цветные лучи, которые после прохождения призмы не разлагались на составляющие, были названы простыми или монохроматическими.

Опытным путём Ньютон нашёл ответ и на ещё один важный вопрос: почему пучки разных цветов по-разному отклоняются призмой? В своём фундаментальном трактате «Оптика» Ньютон так сформулировал полученный им вывод: «Световые пучки, отличающиеся по цвету, отличаются по степени преломляемости. В наибольшей степени преломляются фиолетовые пучки, в наименьшей красные».

Однако и эти опыты не смогли убедить некоторых сторонников Аристотеля. Например, выдающийся немецкий поэт и видный естествоиспытатель Иоганн Гёте писал: «Утверждение Ньютона — это чудовищное предположение. Не может быть, что самый прозрачный, самый чистый цвет — белый — оказался смесью цветных лучей». Поэт считал, что исследованный Ньютоном свет — это свет, «замученный всякого рода орудиями пытки — щелями, призмами и линзами».

Друзья, избегайте тёмной комнаты,

Где вам искажают свет

И самым жалким образом

Склоняются перед искажёнными образами.

Ранее мы с вами показали, что показатель преломления среды зависит от скорости света в веществе. Следовательно, пучок фиолетового цвета преломляется в большей степени потому, что фиолетовый цвет имеет в веществе наименьшую скорость. Красные же лучи преломляются меньше других потому, что их скорость в веществе наибольшая. Это означает, что показатель преломления вещества, из которого сделана призма, зависит не только от свойств самого вещества, но и от частоты проходящего через него света.

С помощью дисперсии света объясняются многие явления природы, например, радуга. Она является одним из самых красивых явлений природы и поэтому поэтизировалась многими народами:

Как неожиданно и ярко,

На влажной неба синеве,

Воздушная воздвиглась арка

В своём минутном торжестве!

Один конец в леса вонзила,

Другим за облака ушла — Она полнеба обхватила

И в высоте изнемогла.

Радуга возникает из-за того, что солнечный свет преломляется и отражается капельками воды, парящими в атмосфере. Эти капельки по-разному отклоняют свет разных цветов, в результате чего белый свет разлагается в спектр.

Наблюдатель, который стоит спиной к источнику света, видит разноцветное свечение, которое исходит из пространства по концентрическим окружностям (дугам). При этом радуга появляется только в том случае, если угловая высота Солнца над горизонтом не превышает 42 о .

Дисперсией света объясняется возникновение и такого явления, как гало. Его можно наблюдать зимой в виде кругов, столбов или крестов вокруг Солнца и Луны. Здесь дисперсия происходит в ледяных кристалликах на высоте около 10 км в верхних слоях тропосферы.

Дисперсия присуща всем средам, кроме вакуума. Её можно представить в виде зависимости показателя преломления вещества от частоты падающего света. Как показали различные опыты, для большинства веществ показатель преломления уменьшается с уменьшением частоты. Причём зависимость эта нелинейная. Дисперсию такого рода называют нормальной.

Однако в парах йода и в некоторых жидкостях учёные наблюдали и аномальную дисперсию. При такой дисперсии показатель преломления увеличивается с увеличением длины волны. Проще говоря, в них скорость распространения красных лучей меньше, чем фиолетовых.

В настоящее время, для получения хороших и ярких дисперсионных спектров используются специальные оптические приборы — спектроскопы и спектрографы. Первый спектроскоп был изобретён в 1815 году немецким физиком Йозефом Фраунгофером. Он состоял из окуляра, зрительной трубы, двух объективов, коллиматора и дифракционной щели.

В оригинальном дизайне спектроскопа свет, прошедший через щель, расположенную в фокальной плоскости коллиматорной линзы, преобразовывался в тонкий световой пучок и попадал на призму. Из призмы выходят уже параллельные пучки разного направления, которые, преломившись в линзе зрительной трубы, образуют в её фокальной плоскости изображение щели. Если исследуется белый свет, то изображения щели сливаются в одну цветную полосу всех основных цветов. Если же исследуемый свет является монохроматическим, то спектр получается в виде узких линий, разделённых широкими тёмными промежутками.

Таким образом, с помощью призмы, как и с помощью дифракционной решётки, можно получить спектр некоторого излучения. Однако в дисперсионном и дифракционном спектрах имеются различия:

1) для дифракционного спектра можно создать равномерную шкалу по λ. Для дисперсионного спектра этого сделать нельзя, так как зависимость показателя преломления от длины волны является нелинейной функцией.

2) в дисперсионном спектре большее отклонение от первоначального направления испытывают фиолетовые лучи, в дифракционном же — красные.

3) в дифракционном спектре наблюдается несколько порядков спектра, в дисперсионном — один.

Итак, мы уже выяснили, что окружающий нас мир является красочным именно потому, что солнечный свет является сложным. Но всё же пока не ясно, почему же окружающий нас мир пестрит различными красками. И почему различные предметы, освещённые одним и тем же солнечным светом, имеют разный цвет?

Чтобы разобраться в этом, получим на экране спектр белого света. Теперь возьмём цветную бумажную полоску (например, зелёного цвета) и закроем ей часть спектра. Обратите внимание на то, что цвет полоски остался зелёным только в той области спектра, где на неё падают зелёные лучи. В жёлтой области спектра наша бумажка изменила оттенок. А в остальных частях спектра она выглядит тёмной.

Это говорит нам о том, что тела, имеющие зелёную окраску, способны отражать в основном лучи зелёного цвета, а остальные поглощают. Аналогично тела, имеющие красную окраску, в основном отражают красные лучи. Белые тела, которые освещаются дневным светом, в равной степени отражают лучи всех цветов, поэтому мы их и видим белыми. Чёрные же тела, наоборот, поглощают практически все падающие на них лучи. Что касается прозрачных тел, то их цвет обусловлен составом того цвета, который прошёл через них.

Дисперсия света

Дисперсией света называется явление зависимости абсолютного показателя преломления вещества n от частоты ν падающего на вещество света (или от длины волны в вакууме λ₀=с/ν, где с — скорость света в вакууме):

Так как n=c/υ, то дисперсию света можно определить как явление зависимости скорости υ распространения световой волны в веществе от ее частоты:

Следствием дисперсии является разложение белого света в спектр при прохождении его через призму (лучи разных длин волн после прохождения через призму отклоняются на разные углы от первоначального направления).

Зависимость абсолютного показателя преломления от частоты света экспериментально обнаружена в серии опытов Ньютона. Он показал, что при прохождении через призму немонохроматического белого света на экране, установленном позади призмы, наблюдается видимая радужная полоска, состоящая из семи цветов, которая называется дисперсионным спектром. Таким образом, следствием дисперсии является разложение белого, немонохроматического света на монохроматические составляющие, каждая из которых имеет определенную частоту (или длину волны).

Отличие дисперсионного спектра от дифракционного:

В дифракционном спектре красные лучи отклоняются сильнее, чем фиолетовые, в дисперсионном – наоборот.

В дифракции длину волны можно определить по значениям синусов углов отклонения, в дисперсии – зная зависимость n(λ).

Дисперсия света называется нормальной, если показатель преломления n монотонно убывает с увеличением длины волны (возрастает с увеличением частоты) (рис. 15.2.1, a); в обратном случае дисперсия называется аномальной (рис.15.2.1, b). На рис. 15.2.1, b область АВ (мелкий пунктир) соответствует аномальной дисперсии; кривые А и В – нормальной дисперсии. ��₀ – собственная частота колебаний электрона.

называемая дисперсией вещества, показывает, как быстро меняется показатель преломления при изменении длины волны.

Тепловое излучение

Все тела излучают электромагнитные волны за счет преобразования энергии хаотического, теплового движения частиц тела в энергию излучения. Тепловым (температурным) равновесным излучением называются электромагнитные волны, которые излучаются телом — источником теплового излучения, находящимся в состоянии термодинамического равновесия. Тепловое равновесное излучение создается источником при постоянной его температуре. Источником равновесного теплового излучения является Солнце, у которого постоянная температура поддерживается выделением энергии при термоядерных реакциях.

Тепловое неравновесное излучение происходит, когда источник излучения нагревают. Например, в лампах накаливания в энергию электромагнитных волн преобразуется малая часть тепла, выделяющегося при пропускании электрического тока.

Лучеиспускательной способностью тела R_ν,Т называется физическая величина, численно равная энергии теплового излучения данной частоты ν, которая испускается при температуре Т единицей площади поверхности тела за единицу времени. Лучеиспускательная способность тела R_ν,Т показывает, какую долю составляет тепловое излучение данной частоты ν в общем тепловом излучении источника.

Закон Стефана-Больцмана:

где σ – постоянная Стефана-Больцмана, σ = 5,67 · 10  8 Вт/(м 2 ·К 4 ). Закон Стефана-Больцмана устанавливает зависимость лучеиспускательной способностью тела R_e от его температуры: лучеиспускательная способность тела пропорциональна четвертой степени его термодинамической температуры.

Поглощательной способностью тела A_ν,Т называется физическая величина, которая показывает, какая часть энергии электромагнитной волны данной частоты ν, падающей за единицу времени на единицу площади поверхности тела, поглощается этим телом.

Лучеиспускательная и поглощательная способности кроме частоты ν и термодинамической температуры T зависят от материала тела и состояния его поверхности.

Абсолютно черным называется такое тело, которое при любой температуре, независимо от материала тела и состояния его поверхности, полностью поглощает электромагнитные волны любых частот ν, т. е. все лучи, падающие на тело: A_ν,Т = 1.

Закон Кирхгофа: для произвольных частоты ν и температуры T отношение лучеиспускательной способности R_ν,Т любого непрозрачного тела к его поглощательной способности A_ν,Т одинаково:

Универсальная функция Кирхгофа r_,T есть не что иное, как лучеиспускательная способность абсолютно черного тела (для абсолютно черного тела A_ν,Т = 1 => A_ν,Т = r_,T). Значение r_ν,Т зависит только от частоты и температуры абсолютно черного тела.

Так как поглощательная способность A_ν,Т любого тела меньше единицы то, согласно (16.1.2), R_ν,Т < r_,T. То есть из закона Кирхгофа следует, что лучеиспускательной способностью любого тела в любой области спектра всегда меньше лучеиспускательная способность абсолютно черного тела (при тех же  и T). Кроме того, из (16.1.2) вытекает, что если тело при данной температуре не поглощает электромагнитные волны частоты , то оно не может и излучать их.

Зависимость лучеиспускательной способности r_ν,Т абсолютно черного тела от частоты ν излучения при постоянной температуре Т называется кривой распределения энергии в спектре абсолютно черного тела. Эта зависимость имеет характер непрерывной кривой (рис. 16.1.1). Все кривые имеют явно выраженный максимум. Из рисунка видно, что с повышением температуры максимум функции r_,T() смещается в область больших частот. Зависимость частоты _max, соответствующей максимальному значению лучеиспускательной способности абсолютно черного тела определяется законом смещения Вина:

где b – постоянная Вина, экспериментальное значение которой равно 2,9 · 10  3 м·К.