ВходРазложение белого света на составные части. Кто из ученых открыл явление дисперсии
Окружающий мир наполнен миллионами разнообразных оттенков. Благодаря свойствам света каждый предмет и объект вокруг нас имеет определенный цвет, воспринимаемый человеческим зрением. Изучение световых волн и их характеристик позволило людям глубже взглянуть на природу света и явления, связанные с ним. Сегодня поговорим о дисперсии.
Природа света
С физической точки зрения свет представляет собой сочетание электромагнитных волн с разными значениями длины и частоты. Глаз человека воспринимает не любой свет, а только лишь тот, длина волн которого колеблется от 380 до 760 нм. Остальные разновидности остаются для нас невидимыми. К ним, например, относятся инфракрасное и ультрафиолетовое излучения. Знаменитый ученый Исаак Ньютон представлял свет как направленный поток самых мелких частиц. И лишь позже было доказано, что он по своей природе является волной. Однако Ньютон все же был отчасти прав. Дело в том, что свет обладает не только волновыми, но и корпускулярными свойствами. Это подтверждается всем известным явлением фотоэффекта. Выходит, что световой поток имеет двоякую природу.
Цветовой спектр
Белый свет, доступный для человеческого зрения, - это совокупность нескольких волн, любая из которых характеризуется определенной частотой и собственной энергией фотонов. В соответствии с этим его можно разложить на волны разного цвета. Каждая из них носит название монохроматической, а определенному цвету соответствует свой диапазон длины, частоты волн и энергии фотонов. Другими словами, энергия, излучаемая веществом (или поглощаемая), распределяется по вышеназванным показателям. Это объясняет существование светового спектра. Например, зеленый цвет спектра соответствует частоте, находящейся в диапазоне от 530 до 600 ТГц, а фиолетовый - от 680 до 790 ТГц.
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.
Первые шаги на пути к открытию дисперсии
Как было сказано выше, световой поток при прохождении через призму разлагается на цветовой спектр, который Исаак Ньютон достаточно детально изучил в свое время. Результатом его исследований стало открытие явления дисперсии в 1672 году. Научный интерес к свойствам света появился еще до нашей эры. Знаменитый Аристотель уже тогда заметил, что солнечный свет может иметь разные оттенки. Ученый утверждал, что характер цвета зависит от «количества темноты», присутствующей в белом свете. Если ее много, то возникает фиолетовый цвет, а если мало, то красный. Великий мыслитель также говорил о том, что основным цветом световых лучей является белый.
Исследования предшественников Ньютона
Аристотелевскую теорию взаимодействия темноты и света не опровергли и ученые 16-17 веков. И чешский исследователь Марци, и английский физик Хариот независимо друг от друга проводили опыты с призмой и были твердо уверены в том, что причиной появления разных оттенков спектра является именно смешивание светового потока с темнотой при прохождении его через призму. На первый взгляд, выводы ученых можно было назвать логичными. Но их эксперименты были достаточно поверхностными, и они не смогли подкрепить их дополнительными исследованиями. Так было, пока за дело не взялся Исаак Ньютон.
Открытие Ньютона
Благодаря пытливому уму этого выдающегося ученого было доказано, что белый свет не является основным, и что остальные цвета возникают вовсе не в результате взаимодействия света и темноты в разных соотношениях. Ньютон опроверг эти убеждения и показал, что белый свет является составным по своей структуре, его образуют все цвета светового спектра, называемые монохроматическими. В результате прохождения светового пучка через призму разнообразие цветов образуется из-за разложения белого света на составляющие его волновые потоки. Такие волны с разной частотой и длиной преломляются в среде по-разному, образуя определенный цвет. Ньютон поставил опыты, которые до сих пор используются в физике. Например, эксперименты со скрещенными призмами, с использованием двух призм и зеркала, а также пропускание света через призмы и перфорированный экран. Теперь нам известно, что разложение света на цветовой спектр происходит вследствие различной скорости прохождения волн с разной длиной и частотой сквозь прозрачное вещество. В результате одни волны выходят из призмы раньше, другие - чуть позже, третьи - еще позже и так далее. Так и происходит разложение светового потока.
Аномальная дисперсия
В дальнейшем ученые-физики позапрошлого столетия сделали очередное открытие, касающееся дисперсии. Француз Леру обнаружил, что в некоторых средах (в частности, в парах йода) зависимость, выражающая явление дисперсии, нарушается. За изучение этого вопроса взялся живший в Германии физик Кундт. Для своего исследования он позаимствовал один из методов Ньютона, а именно опыт с использованием двух скрещенных призм. Разница состояла лишь в том, что вместо одной из них Кундт применял призматический сосуд с раствором цианина. Оказалось, что показатель преломления при прохождении света через такие призмы увеличивается, а не уменьшается, как это происходило в экспериментах Ньютона с обычными призмами. Немецкий ученый выяснил, что этот парадокс наблюдается вследствие такого явления, как поглощение света веществом. В описанном опыте Кундта поглощающей средой выступал раствор цианина, а дисперсия света для таких случаев была названа аномальной. В современной физике такой термин практически не используют. На сегодняшний день открытую Ньютоном нормальную и обнаруженную позже аномальную дисперсию рассматривают как два явления, относящихся к одному учению и имеющих общую природу.
Низкодисперсные линзы
В фототехнике дисперсия света считается нежелательным явлением. Она становится причиной так называемой хроматической аберрации, при которой на изображениях появляется искажение цветов. Оттенки фотографии при этом не соответствуют оттенкам снимаемого объекта. Особенно неприятным такой эффект становится для фотографов-профессионалов. Из-за дисперсии на фотоснимках не только происходит искажение цветов, но и нередко наблюдается размытие краев или, наоборот, появление чересчур очерченной каймы. Мировые производители фототехники справляются с последствиями такого оптического явления с помощью специально разработанных низкодисперсных линз. Стекло, из которого они производятся, обладает великолепным свойством одинаково преломлять волны с разными значениями длины и частоты. Объективы, в которых устанавливаются низкодисперсные линзы, называются ахроматами.
Дисперсия света (разложение света) — это явление зависимости абсолютного показателя преломления вещества от длины волны света (частотная дисперсия), а также, от координаты (пространственная дисперсия), или, что 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:
Красного цвета максимальная скорость в среде и минимальная степень преломления,
Фиолетового цвета минимальная скорость света в среде и максимальная степень преломления.
Аномальная дисперсия — вид дисперсии света, при которой показатель преломления среды уменьшается с увеличением частоты световых колебаний.
где — показатель преломления среды,
— частота волны.
Согласно современным представлениям и нормальная, и аномальная дисперсии представляют собой явления единой природы. Эта точка зрения основывается на электромагнитной теории света, с одной стороны, и на электронной теории вещества, — с другой. Термин «аномальная дисперсия» сохраняет сегодня лишь исторический смысл, поскольку «нормальная дисперсия» — это дисперсия вдали от длин волн, при которых происходит поглощение света данным веществом, а «аномальная дисперсия» — это дисперсия в области полос поглощения света веществом.
Отличие аномальной дисперсии от нормальной в том, что в некоторых веществах (например в парах иода) при разложении света при прохождении призмы, синие лучи преломляются меньше, чем красные, а другие лучи поглощаются веществом и от наблюдения ускользают. В нормальной дисперсии наоборот, красный свет преломляется на угол, меньший, чем тот, на который преломляется фиолетовый. (подробнее смотри тему "Дисперсия").
Дисперсия света позволила впервые вполне убедительно показать составную природу белого света. Белый свет разлагается на спектр и в результате прохождения через дифракционную решётку или отражения от нее (это не связано с явлением дисперсии, а объясняется природой дифракции). Дифракционный и призматический спектры несколько отличаются: призматический спектр сжат в красной части и растянут в фиолетовой и располагается в порядке убывания длины волны: от красного к фиолетовому; нормальный (дифракционный) спектр — равномерный во всех областях и располагается в порядке возрастания длин волн: от фиолетового к красному.
Поглощение света - явление ослабления яркости света при его прохождении через вещество или при отражении от поверхности. Поглощение света происходит вследствие преобразования энергии световой волны во внутреннюю энергию вещества или в энергию вторичного излучения, имеющего иной спектральный состав и иное направление распространения.
Закон Бугера — Ламберта — Бера — физический закон, определяющий ослабление параллельного монохроматического пучка света при распространении его в поглощающей среде.
Закон выражается следующей формулой:
,
где I0 — интенсивность входящего пучка, l — толщина слоя вещества, через которое проходит свет, kλ — показатель поглощения.
Показатель поглощения — коэффициент, характеризующий свойства вещества и зависящий от длины волны λ поглощаемого света. Эта зависимость называется спектром поглощения вещества.
Цвет — качественная субъективная характеристика электромагнитного излучения оптического диапазона, определяемая на основании возникающего физиологического зрительного ощущения, и зависящая от ряда физических, физиологических и психологических факторов. Индивидуальное восприятие цвета определяется его спектральным составом, а также цветовым и яркостным контрастом c окружающими источниками света, а также несветящимися объектами. Очень важны такие явления, как метамерия; особенности человеческого глаза, и психики.
Спектр поглощения — зависимость интенсивности поглощённого веществом излучения (как электромагнитного, так и акустического) от частоты. Он связан с энергетическими переходами в веществе. Спектр поглощения характеризуется так называемым коэффициентом поглощения который зависит от частоты и определяется как обратная величина к расстоянию, на котором интенсивность прошедшего потока излучения снижается в e раз. Для различных материалов коэффициент поглощения и его зависимость от длины волны различны..
С сегодняшних позиций, нормальная дисперсия — это дисперсия вдали от длин волн, при которых происходит поглощение света данным веществом, тогда как аномальная дисперсия — это дисперсия в области полос поглощения света веществом.
Окружающий мир наполнен миллионами разнообразных оттенков. Благодаря свойствам света каждый предмет и объект вокруг нас имеет определенный цвет, воспринимаемый человеческим зрением. Изучение световых волн и их характеристик позволило людям глубже взглянуть на природу света и явления, связанные с ним. Сегодня поговорим о дисперсии.
Природа света
С физической точки зрения свет представляет собой сочетание электромагнитных волн с разными значениями длины и частоты. Глаз человека воспринимает не любой свет, а только лишь тот, длина волн которого колеблется от 380 до 760 нм. Остальные разновидности остаются для нас невидимыми. К ним, например, относятся инфракрасное и ультрафиолетовое излучения. Знаменитый ученый Исаак Ньютон представлял свет как направленный поток самых мелких частиц. И лишь позже было доказано, что он по своей природе является волной. Однако Ньютон все же был отчасти прав. Дело в том, что свет обладает не только волновыми, но и корпускулярными...
0 0
Разложение света в спектр вследствие дисперсии при прохождении через призму (опыт Ньютона). У этого термина существуют и другие значения, см. Дисперсия.
Диспе рсия све та (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...
0 0
Опыты Ньютона
Первые опыты с дисперсионным разложением света проделал Ньютон. Он направил обычный луч солнечного света на призму и получил то, что многие сегодня видят ежедневно – призма разложила световой пучок на множество разноцветных цветов - от красного до фиолетового. После серии других опытов с линзами и призмой Ньютон сделал вывод, что призма не изменяет солнечного света, а лишь разлагает его на составляющие. Но как же это получается?
Дело в том, что свет имеет определенную скорость. Как показал опыт, световой пучок состоит из множества цветов, вот их-то скорость как раз и различна. То есть каждый цвет спектра имеет свою скорость движения и свою длину волны. Различной оказалась также степень преломления цветовых лучей. Вспомните, как выглядит...
0 0
Глава 1. Световые волны - Урок 5. Дисперсия света
Вернуться к оглавлению
Урок 5. ДИСПЕРСИЯ СВЕТА
Показатель преломления не зависит от угла падения светового пучка, но он зависит от его цвета. Это было открыто Ньютоном.
Занимаясь усовершенствованием телескопов. Ньютон обратил внимание на то. что изображение, даваемое объективом, по краям окрашено. Он заинтересовался этим и первый «исследовал разнообразие световых лучей и проистекающие отсюда особенности цветов, каких до того никто даже не подозревал» (слова из надписи на надгробном памятнике Ньютону). Радужную окраску изображения, даваемого линзой, наблюдали, конечно, и до него. Было замечено также, что радужные края имеют предметы, рассматриваемые через призму. Пучок световых лучей, прошедший через призму, окрашивается по краям.
Основной опыт Ньютона был гениально прост. Ньютон догадался направить на призму световой пучок малого поперечного сечения. Пучок солнечного света проходил в затемненную...
0 0
Гимназия № 26 ДИСПЕРСИЯ СВЕТА Выполнил: ученик 11 В класса Шелепов Дмитрий Руководитель: Пылкова Л.В. Томск-2011 В 17 веке начинает развиваться представление о волновой природе света. Первое открытие, свидетельствующее о волновой природе света, было сделано итальянским учёным Франческо Гримальди. Он заметил, что если на пути очень узкого пучка света поставить предмет, то на экране не получается резкой тени. Края тени размыты, кроме того, вдоль тени появляются цветные полосы. Открытое явление Гримальди назвал дифракцией, но объяснить правильно не сумел. Он понимал, что наблюдаемое им явление находится в противоречии с корпускулярной теорией света, однако не решился полностью отказаться от этой теории. Правильное объяснение открытого явления связано с теорией цветного зрения, основы которой были заложены замечательным английским учёным Исааком Ньютоном. Дисперсия света (разложение света) - это явление зависимости абсолютного показателя преломления вещества от длины волны света...
0 0
Диспе рсия све та (разложение света) - это явление зависимости абсолютного показателя преломления вещества от длины волны света (частотная дисперсия) , а также, от координаты (пространственная дисперсия) , или, что 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:
у красного цвета максимальная скорость в среде и минимальная степень преломления,...
0 0
Урок физики "Дисперсия света"
Разделы: Физика
Задачи урока:
Образовательные: ввести понятия спектр, дисперсия света; ознакомить учащихся с историей открытия данного явления. наглядно продемонстрировать процесс разложение узкого светового луча на составляющие различных цветовых оттенков. выявить различия этих элементов луча света. продолжить формирование научного мировоззрения учащихся. Развивающие: развитие внимания, образного и логического мышления, памяти при изучении данной темы. стимулирование познавательной мотивации учащихся. развитие критического мышления. Воспитательные: воспитание интереса к предмету; воспитание чувства прекрасного, красоты окружающего мира.
Тип урока: урок изучения и первичного закрепления новых знаний.
Методы обучения: беседа, рассказ, объяснение, эксперимент. (Информационно-развивающий)
Требования к...
0 0
Министерство науки и образования Украины
Украинская инженерно-педагогическая академия
Доклад на тему:
Дисперсия света
Выполнил студент гр. ДРЭ-С5-1
Фесенко А.В.
Харьков 2006
Явление дисперсии
Дисперсия света. В яркий солнечный день закроем окно в комнате плотной шторой, в ко торой сделаем маленькое отверстие. Через это отвер стие будет проникать в комнату узкий солнечный луч, образующий на противоположной стене светлое пятно. Если на пути луча поставить
стеклянную призму, то пятно на стене превратится в разноцветную по лоску, в которой будут представлены все цвета ра дуги-от фиолетового до красного (рис. 1,ф– фиолетовый, С - синий, Г - голубой, 3 - зеленый, Ж -желтый, О -оранжевый, К - красный).
Дисперсия света – зависимость показателя преломления n вещества от частоты f (длины волны) света или зависимость...
0 0
Слайд 1
Слово “дисперсия” происходит от латинского слова dispersio , что в буквальном переводе означает “рассеяние, развеивание ”. Дисперсия света Работу выполнила ученица 11 «Э» класса Адельшина Ильвира
Слайд 2
История открытия Определение Опыт Ньютона Особенность прохождения светового пучка через призму Основные свойства Следствия Условия возникновения радуги Вопросы Выводы Содержание
Слайд 3
Световой поток при прохождении через призму разлагается на цветовой спектр, который Исаак Ньютон достаточно детально изучил в свое время. Результатом его исследований стало открытие явления дисперсии в 1672 году. Первые шаги на пути к открытию дисперсии
Слайд 4
Около 300 лет назад Исаак Ньютон пропустил солнечные лучи через призму. Недаром на его надгробном памятнике, поставленном в 1731 году и украшенном фигурами юношей, которые держат в руках эмблемы его главнейших открытий, одна фигура держит призму, а в надписи на памятнике есть слова: «Он...
0 0
10
Изучение дисперсии света в 11-м классе
Тишкова Светлана Анатольевна, учитель физикиСтатья отнесена к разделу: Преподавание физики
Этот урок проводится в конце изучения темы “волновые свойства света” в классах физико-математического профиля.
А. Учащиеся должны усвоить:
Пучок белого света, при прохождении через вещество, имеющее преломляющий угол, разлагается на пучки различной цветности. Это явление называется дисперсией света.
При падении на границу раздела двух сред световые пучки разной цветности преломляются по-разному: красные - меньше, а фиолетовые - больше.
Объективная характеристика цветности – частота электромагнитной волны.
Б. Учащиеся должны научиться:
Создавать понятие “дисперсия света”.
Распознавать дисперсию света среди других явлений.
Воспроизводить дисперсию света в конкретной ситуации.
0 0
11
Дисперсия света рассматривается как результат взаимодействия электромагнитных волн с заряженными частицами, входящими в состав веществ. Частицы вещества совершают вынужденные колебания в переменном электромагнитном поле волны.
Дисперсия света – зависимость абсолютного показателя преломления вещества n от частоты...
0 0
12
Наблюдение явления дисперсии света лабораторная
В физике дисперсией света называется зависимость показателя преломления вещества от длины световой волны. Наиболее наглядно демонстрирует явление дисперсии света его разложение под действием какой-либо призмы.
1.3. Первые опыты с призмами. Представления о при чинах возникновения цветов до Ньютона.
1.4. Опыты Ньютона с призмами. Ньютоновская теория возникновения цветов
1.5. Открытие аномальной дисперсии света. Опыты Кундта
Глава II . Дисперсия в природе
2.1. Радуга
Глава III . Экспериментальная установка для наблюдения смешения цветов
3.1. Описание установки
3.2. Устройство экспериментальной установки
Заключение
Литература
Введение.
Дисперсия света. Мы всегда сталкиваемся с этим явлением в жизни, но не всегда замечаем этого. Но если быть внимательным, то явление дисперсии всегда нас окружает. Одно из таких явлений это обычная радуга. Наверное, нет человека, который не...
0 0
13
МАОУ «Средняя школа №28 имени Г. Ф. Кирдищева»
Петропавловск-Камчатского городского округа
Дисперсия света и цвета тел
Конспект урока физики в 11 классе
Урок изучения нового материала, закрепления и контроля
Учитель физики МАОУ «Средняя школа №28 имени Г. Ф. Кирдищева» Юрьева О. Л.
Сергей ЕСЕНИН
Не жалею, не зову, не плачу,
Все пройдет, как с белых яблонь дым.
Увяданья золотом охваченный,
Я не буду больше молодым.
Ты теперь не так уж будешь биться,
Сердце, тронутое холодком,
И страна березового ситца
Не заманит шляться босиком.
Дух бродяжий! ты все реже, реже
Расшевеливаешь пламень уст
О, моя утраченная свежесть,
Буйство глаз и половодье чувств!
Я теперь скупее стал в желаньях,
Жизнь моя, иль ты приснилась мне?
Словно я весенней гулкой ранью
Проскакал на розовом коне.
Все мы, все мы в этом мире тленны,
Тихо льется...
0 0
14
Какие волны называются когерентными?
волны, имеющие одинаковую частоту
волны, имеющие одинаковую амплитуду
волны, имеющие одинаковую частоту и постоянную разность фаз
Поляризация света доказывает, что свет –
поток нейтральных частиц
поперечная волна
продольная волн
Что называется дифракцией света?
разложение белого света в спектр при помощи стеклянной призмы
усиление или ослабление света при наложении двух когерентных волн
огибание светом препятствий
Цвета спектра (красный – к, оранжевый – о, синий – с, желтый – ж, голубой – г, зеленый – з, фиолетовый – ф) в порядке убыли длины волны правильно указаны в ответе:
1.ф, с, г, з, ж, о, к
к, о, ж, з, г, с, ф
ф, г, з, с, ж, о, к
Радужная окраска тонких пленок нефтепродуктов в лужах вызвана явлением
дифракции
дисперсии
интерференции
Просветление линз объясняется за счет...
0 0
15
Реферат: Тема урока: «Свет это поток частиц»
Учитель Пылкова Л.В., МОУ гимназия № 26
Тема урока: «Свет это поток частиц»
Тип урока: Модифицированные дебаты
Организация «модифицированных» дебатов допускает некоторые изменения правил, можно увеличить или уменьшить количество игроков в командах; допустимы вопросы аудитории, организуются группы поддержки, к которым команды могут обращаться во время игры, группа экспертов осуществляет функции судейства, вырабатывает компромиссное решение, когда это необходимо для реализации учебных целей. Основными этапами организации учебного процесса на основе использования методики дебатов являются: ориентация (выбор темы); подготовка к проведению; проведение дебатов; обсуждение игры.
^ Цели урока:
Обобщение и систематизация знаний
17. 18. Взаимодействие света с веществом. Дисперсия и поглощение света. Нормальная и аномальная дисперсия. Закон Бугера-Ламберта.
Дисперсией света называют явление зависимости абсолютного показателя преломления вещества n от частоты света ω (или длины волны λ):
Следствием дисперсии света является разложение в спектр пучка белого света при прохождении его через призму. Первое экспериментальное исследование дисперсии света в стеклянной призме было выполнено И. Ньютоном в 1672 г.
Дисперсия света называется нормальной в случае, если показатель преломления монотонно возрастает с увеличением частоты (убывает с увеличением длины волны); в противном случае дисперсия называется аномальной , рис.1.
Величина
называется дисперсией вещества и характеризует скорость изменения показателя преломления при изменении длины волны.
Нормальная дисперсия света наблюдается вдали от полос или линий поглощения света веществом, аномальная – в пределах полос или линий поглощения.
Рассмотрим дисперсию света в призме, рис.2.
Пусть монохроматический пучок света падает на прозрачную призму с преломляющим углом θ и показателем преломления n под углом α 1 . После двукратного отклонения (на левой и правой гранях призмы) луч оказывается отклоненным от первоначального направления на угол φ. Из геометрических преобразований следует, что
т.е. угол отклонения лучей призмой тем больше, чем больше преломляющий угол и показатель преломления вещества призмы. Поскольку n = f(λ), то лучи разных длин волн после прохождения призмы окажутся отклоненными на разные углы, т.е. пучок белого света, падающий на призму, за призмой разлагается в спектр, что и наблюдалось впервые Ньютоном. Значит, с помощью призмы, так же как и с помощью дифракционной решетки, разлагая свет в спектр, можно определить его спектральный состав.
Следует помнить, что составные цвета в дифракционном и призматическом спектрах располагаются различно. В дифракционном спектре синус угла отклонения пропорционален длине волны, следовательно, красные лучи, имеющие большую длину волны, чем фиолетовые, отклоняются дифракционной решеткой сильнее. В призме же для всех прозрачных веществ с нормальной дисперсией показатель преломления n с увеличением длины волны уменьшается, поэтому красные лучи отклоняются призмой слабее, чем фиолетовые.
На явлении нормальной дисперсии основано действие призменных спектрометров , широко используемых в спектральном анализе. Это объясняется тем, что изготовить призму значительно проще, чем дифракционную решетку. Призменные спектрометры имеют также большую светосилу.
Электронная теория дисперсии света. Из макроскопической электромагнитной теории Максвелла следует, что
но в оптической области спектра для всех веществ μ ≈ 1, поэтому
n
=
ε. (1)
Формула
(1) противоречит опыту, т.к. величина n,
являясь переменной n = f(λ),
равняется в то же время определенной
постоянной
ε
(постоянной в теории Максвелла). Кроме
того, полученные из этого выражения
значения n
не согласуются с экспериментальными
данными.
Для объяснения дисперсии света была предложена электронная теория Лоренца, в которой дисперсия света рассматривается как результат взаимодействия электромагнитных волн с заряженными частицами, входящими в состав вещества и совершающими вынужденные колебания в переменном электромагнитном поле волны.
Ознакомимся с этой теорией на примере однородного изотропного диэлектрика, предположив формально, что дисперсия света является следствием зависимости ε от частоты ω световых волн. Диэлектрическая проницаемость вещества равна
ε = 1 + χ = 1 + Р/(ε 0 Е),
где χ – диэлектрическая восприимчивость среды, ε 0 – электрическая постоянная, Р – мгновенное значение поляризованности (наведенный дипольный момент единицы объема диэлектрика в поле волны напряженностью Е). Тогда
n 2 = 1 + Р/(ε 0 Е), (2)
т.е. зависит от Р. Для видимого света частота ω~10 15 Гц столь велика, что существенны лишь вынужденные колебания внешних (наиболее слабо связанных) электронов атомов, молекул или ионов под действием электрической составляющей поля волны, а ориентационной поляризации молекул при такой частоте не будет. Эти электроны наз. оптическими электронами.
Для простоты рассмотрим колебания одного оптического электрона в молекуле. Наведенный дипольный момент электрона, совершающего вынужденные колебания, равен р = ех, где е – заряд электрона, х – смещение электрона из положения равновесия под действием электрического поля световой волны. Пусть n 0 – концентрация атомов в диэлектрике, тогда
Р = р n 0 = n 0 е х. (3)
Подставив (3) в (2) получим
n 2 = 1 + n 0 е х /(ε 0 Е), (4)
т.е. задача сводится к определению смещения х электрона под действием внешнего электрического поля Е = Е 0 cos ωt.
Уравнение вынужденных колебаний электрона для простейшего случая
d 2 x/dt 2 +ω 0 2 x = (F 0 /m)cos ωt = (e/ m) E 0 cos ωt, (5)
где F 0 = еE 0 –амплитудное значение силы, действующей на электрон со стороны поля волны, ω 0 = √k/m – собственная частота колебаний электрона, m – масса электрона. Решив уравнение (5), найдем ε = n 2 в зависимости от констант атома (е, m, ω 0) и частоты внешнего поля ω, т.е. решим задачу дисперсии.
Решением (5) является
Х = А cos ωt, (6)
А = еЕ 0 /m(ω 0 2 – ω 2). (7)
Подставим (6) и (7) в (4) и получим
n 2 = 1 + n 0 e 2 /ε 0 m(ω 0 2 – ω 2). (8)
Из (8) видно, что показатель преломления вещества зависит от частоты ω внешнего поля, и что в области частот от ω = 0 до ω = ω 0 значение n 2 больше 1 и возрастает с увеличением частоты ω (нормальная дисперсия ). При ω = ω 0 значение n 2 = ± ∞; в области частот от ω = ω 0 до ω = ∞ значение n 2 меньше 1 и возрастает от - ∞ до 1 (нормальная дисперсия). Перейдя от n 2 к n, получим график зависимости n = n(ω), рис.1. Область АВ – область аномальная дисперсии . Изучение аномальной дисперсии – Д.С. Рождественский.
Поглощением света – называется уменьшение энергии световой волны при ее распространении в веществе вследствие преобразования энергии волны в другие виды энергии.
С точки зрения электронной теории, взаимодействие света и вещества сводится к взаимодействию электромагнитного поля световой волны с атомами и молекулами вещества. Электроны, входящие в состав атомов, могут колебаться под действием переменного электрического поля световой волны. Часть энергии световой волны затрачивается на возбуждение колебаний электронов. Частично энергия колебаний электронов вновь переходит в энергию светового излучения, а также переходит в другие формы энергии, например, в энергию теплового излучения.
Поглощение светового излучения можно в общих чертах описать с энергетической точки зрения, не входя в детали механизма взаимодействия световых волн с атомами и молекулами поглощающего вещества.
Формальное описание поглощения света веществом было дано Бугером, который установил связь между интенсивностью света, прошедшего через конечный слой поглощающего вещества, и интенсивностью падающего на него света
I lλ = I 0λ e -K l (1)
где I 0 λ – интенсивность светового излучения с длиной волны λ, падающего на поглощающий слой; I lλ - интенсивность светового излучения, прошедшего поглощающий слой вещества толщиной l ; К λ – коэффициент поглощения, зависящий от λ, т.е. К λ = f(λ).
Если поглотителем является вещество в растворе, то поглощение света тем больше, чем больше молекул растворенного вещества свет встречает на своем пути. Поэтому коэффициент поглощения зависит от концентрации С. В случае слабых растворов, когда взаимодействием молекул растворенного вещества можно пренебречь, коэффициент поглощения пропорционален С:
К λ = c λ С (2)
где c λ – коэффициент пропорциональности, который также зависит от λ. Учитывая (2), можно закон Бугера (1) переписать в виде:
I λ = I 0λ e - c C l (3)
c λ – показатель поглощения света на единицу концентрации вещества. Если концентрация растворенного вещества выражается в [моль/литр], то c λ называют молярным коэффициентом поглощения .
Соотношение (3) носит название закона Бугера-Ламберта-Бера. Отношение величины светового потока, вышедшего из слоя I lλ , к вошедшему I 0λ носит название коэффициента оптического (или свето-) пропускания слоя Т :
Т = I lλ /I 0 λ = e - c C l (4)
или в процентах
Т = I lλ /I 0λ 100%. (5)
Поглощение слоя равно отношению
Л
огарифм
величины 1/Т называетсяоптической
плотностью слоя
D
D = lg 1/T = lg I 0 λ /I l λ = 0,43c λ Сl (6)
т.е. оптическая плотность характеризует поглощение света средой. Соотношение (6) может быть использовано как для определения концен- трации растворов, так и для характеристики спектров поглощения веществ.
Зависимость оптической плотности от длины волны D = f(λ) является спектральной характеристикой поглощения данного вещества, а кривая, выражающая эту зависимость, называется спектром поглощения. Спектры поглощения, как и спектры испускания, бывают линейчатые, полосатые и сплошные, рис. 3. Cогласно модели атома Бора кванты света испускаются и поглощаются при переходе системы (атома) из одного энергетического состояния в другое. Если при этом в оптических переходах меняется только электронная энергия системы, как это имеет место в атомах, то в спектре линия поглощения будет резкой.
Рис.3.а)линейчатый спектр поглощения, б)полосатый спектр поглощения, в) сплошной спектр поглощения.
Однако для сложных молекул, энергия которых слагается из электронной Е эл, колебательной Е кол и вращательной Е вр энергии (Е =Е эл + Е кол + Е вр) при поглощении света изменяется не только электронная энергия, но обязательно колебательная и вращательная. Причем поскольку ∆Е эл >>∆E кол >>∆Е вр, то в результате этого набор линий, соответствующих электронному переходу, в спектре поглощения растворов выглядит как полоса поглощения.
Коэффициент поглощения для диэлектриков невелик (примерно 10 -3 – 10 -5 см -1), для них наблюдаются широкие полосы поглощения, т.е. диэлектрики имеют сплошной спектр поглощения . Это связано с тем, что в диэлектриках нет свободных электронов и поглощение света обусловлено явлением резонанса вынужденных колебаниях электронов в атомах и атомов в молекулах диэлектрика.
Коэффициент поглощения для металлов имеет большие значения (примерно 10 3 - 10 5 см -1) и поэтому металлы являются непрозрачными для света. В металлах из-за наличия свободных электронов, движущихся под действием электрического поля световой волны, возникают быстропеременные токи, сопровождающиеся выделением джоулевой теплоты. Поэтому энергия световой волны быстро уменьшается, превращаясь во внутреннюю энергию металла. Чем выше проводимость металла, тем сильнее в нем поглощается свет. На рис. 1 показана типичная зависимость коэффициента поглощения света от частоты в области полосы поглощения. Видно, что внутри полосы поглощения наблюдается аномальная дисперсия. Однако поглощение света веществом должно быть значительным, чтобы повлиять на ход показателя преломления.
Зависимостью коэффициента поглощения от длины волны (частоты) объясняется окрашенность поглощающих тел. Например, стекло, слабо поглощающее красные и оранжевые лучи и сильно поглощающее зеленые и синие, при освещении белым светом будет казаться красным. Если на такое стекло направить зеленый и синий свет, то из-за сильного поглощения этих длин волн стекло будет казаться черным. Это явление используется при изготовлении светофильтров , которые в зависимости от хим. состава стекол пропускают свет только определенных длин волн, поглощая остальные.
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 ».