Разложение белого цвета в спектр. Опыты Ньютона
Опыты Ньютона : пучок белого света при прохождении через призму разлагается в спектр – разноцветно окрашенный луч, в котором цвета плавно переходят друг в друга.
Из своих опытов Ньютон заключил, что пучок белого света является смесью лучей всех цветов, которые по-разному преломляются призмой. Лучи красного цвета преломляются меньше, а лучи фиолетового цвета – сильнее.
Семь главных цветов в спектре также выделил Ньютон: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый.
Разложение белого света на цвета. Дисперсия света
Белый свет — это смесь всех цветов радужного спектра, которые мы видим в радуге. Когда белый свет проходит через прозрачную среду, например, стекло или вода, он разлагается на все цвета спектра. Это явление называется дисперсией света.
Один из первых ученых, который изучал дисперсию света, был Исаак Ньютон. Он проводил эксперименты с помощью призмы и показал, что белый свет состоит из всех цветов радужного спектра. Ньютон также показал, что каждый цвет имеет свою длину волны и что длина волны определяет цвет света.
Существует несколько способов разложения белого света на цвета. Один из наиболее распространенных методов — это использование призмы. Когда белый свет проходит через призму, он разлагается на все цвета радужного спектра — красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. Каждый цвет имеет свою длину волны и может быть разделен на отдельные лучи.
Другой способ разложения белого света на цвета — это использование дифракционной решетки. Дифракционная решетка — это прозрачная пластина с множеством узких параллельных щелей. Когда белый свет проходит через дифракционную решетку, он разлагается на все цвета радужного спектра, которые можно увидеть на экране.
Дисперсия света имеет множество практических применений. Например, она используется в оптике для создания приборов, таких как спектрометры, которые позволяют измерять спектры света. Также дисперсия света играет важную роль в фотографии и кино, где она используется для создания эффектов освещения и цветовых фильтров.
В заключение, разложение белого света на цвета и дисперсия света — это важные явления в оптике и физике. Они позволяют ученым изучать свойства света и создавать новые приборы и технологии.
§ 20-1. Дисперсия света. Спектр. Спектральные приборы
Классический опыт Ньютона по разложению белого света на цветные компоненты с использованием призмы привел к появлению приборов и устройств, позволяющих анализировать состав излучения. Как они работают?
Обратите внимание (рис. 143-4), что если на призму падает луч белого света, то за призмой наблюдается разноцветная полоска — набор цветов — от красного до фиолетового. Ньютон, впервые проделавший данный эксперимент, назвал ее спектром. Разложение пучка белого света в спектр за призмой является следствием дисперсии (от лат. dispersio — рассеяние) света — зависимости скорости волны в среде от его частоты v ( ν ). Так как скорость света в веществе v = , то абсолютный показатель преломления вещества оказывается зависящим от частоты n(ν) или длины волны n(λ) распространяющегося излучения. Вследствие явления дисперсии призма различным образом преломляет световые волны разных цветов.
Источником оптического излучения называется физическое тело, преобразующее любой вид энергии в энергию электромагнитных излучений оптического диапазона. Любой источник света характеризуется полной энергией, которую он излучает в единицу времени. Эта энергия распределяется неравномерно между волнами различной длины. В общем случае произвольный электромагнитный сигнал состоит из набора различных электромагнитных волн, длины волн (или частоты) которых можно установить.
Подобную процедуру называют спектральным анализом сигнала, а совокупность полученных «простейших» электромагнитных волн — спектром. Таким образом, спектр — распределение энергии, излучаемой или поглощаемой веществом, по частотам или длинам волн. Если направить пучок белого света на призму, то мы обнаружим за призмой на экране разноцветную полоску (см. рис. 166).
Цвет зависит от частоты световой волны, подобно тому, как различным высотам звука соответствуют различные частоты звуковых волн.
Дисперсия веществ может быть существенно различной. В таблице 8-1 приведены в качестве примера значения абсолютных показателей преломления некоторых прозрачных веществ
Таблица 8-1. Зависимость абсолютных показателей преломления n веществ от длины волны
| λ, нм | Цвет | Стекло, n | Кварц, n | Алмаз, n | Лед, n |
| 410 | Фиолетовый | 1,5380 | 1,5570 | 2,4580 | 1,3170 |
| 470 | Голубой | 1,5310 | 1,5510 | 2,4439 | 1,3136 |
| 530 | Зеленый | 1,5260 | 1,5468 | 2,4260 | 1,3110 |
| 590 | Желтый | 1,5225 | 1,5438 | 2,4172 | 1,3087 |
| 610 | Оранжевый | 1,5216 | 1,5432 | 2,4150 | 1,3080 |
| 670 | Красный | 1,5200 | 1,5420 | 2,4100 | 1,3060 |
Дисперсия веществ может быть существенно различной. В таблице 8-1 приведены в качестве примера значения абсолютных показателей преломления некоторых прозрачных веществ.
Дисперсия присуща всем средам, кроме вакуума. Если абсолютный показатель преломления среды уменьшается с ростом длины волны, то такая дисперсия называется нормальной, в противоположном случае — аномальной.
Порядок следования цветов в спектре легко запомнить с помощью известной фразы:
красный — 770—630 нм каждый
оранжевый — 630—590 нм охотник
желтый — 590—570 нм желает
зеленый — 570—495 нм знать,
голубой, синий — 495—435 нм где сидят
фиолетовый — 435—390 нм фазаны
Измерения и наблюдения оптических спектров производятся с помощью специальных приборов. Приборы для визуального наблюдения спектров называются спектроскопами, приборы с фотографической регистрацией спектров — спектрографами (применяются в различных областях спектра с соответствующей чувствительностью фотоматериалов), приборы с фотоэлектрическими и тепловыми приемниками излучения — спектрометрами или спектрофотометрами (рис. 143-5).
Первый спектроскоп сконструировал в 1815 г . немецкий физик Иозеф Фраунгофер.
Любой спектральный прибор имеет входной коллиматор, диспергирующий элемент (призма, дифракционная решетка) и выходной коллиматор.
Входной коллиматор 1 (рис. 143-6) представляет собой трубу, на одном конце которой имеется ширма с узкой щелью, а на другом — собирающая линза 4. Входная щель, освещенная исследуемым излучением, устанавливается в фокусе собирающей линзы 4, которая образует параллельный пучок света и направляет его на диспергирующий элемент 2.
Диспергирующий элемент преобразует исходный пучок в систему параллельных монохроматических пучков, выходящих из элемента под разными углами, зависящими от длины волны излучения. Собирающая линза 5 выходного коллиматора 3 (см. рис. 143-6) создает на экране (фотопластинке), расположенном в фокальной плоскости линзы, совокупность монохроматических изображений входной щели. В итоге на экране получается пространственное разложение излучения в спектр.
Назначение спектральных приборов — регистрировать зависимость интенсивности спектральных линий от частоты (длины) волны излучения, т.е. фактически определять, из каких монохроматических волн состоит данное излучение.
Напомним, что в качестве диспергирующих элементов спектральных приборов используются призма или дифракционная решетка, причем в наиболее совершенных спектральных приборах используются именно дифракционные решетки.
Вполне логично предположить, что если смешать все цвета, то получится белый свет. Такое смешение цветов можно легко получить с помощью круга Ньютона (рис. 143-7). Если достаточно быстро вращать диск, то в результате смешения цветов он будет восприниматься глазом как диск серого цвета.
Интересно, что в ряде случаев для получения белого света достаточно смешения двух цветов, таких, например, как желтый — фиолетовый, красный — зеленый, синий — оранжевый (рис. 143-8). Такие пары цветов называются дополнительными.
Явления дисперсии и полное отражение приводят к образованию радуги, вследствие преломления солнечных лучей на мельчайших водяных капельках во время дождя, к нежелательному «окрашиванию» изображений в оптических системах (хроматическая аберрация) и т. д.
Английский ученый Томас Юнг в 1807 г. указал, что три цвета (синий, зеленый и красный) (см.рис. 143-9) в правильных пропорциях могут давать ощущения всех остальных цветов. На основании этого немецкий физиолог Герман Гельмгольц развил теорию, согласно которой цветовое восприятие обеспечивается тремя типами колбочек с различной цветовой чувствительностью. Одни из них чувствительны к красному цвету, другие — к зеленому, а третьи — к синему.
Всякий цвет оказывает действие на все три цветоощущающих элемента, но в разной степени. Эта теория подтверждена в экспериментах, где микроспектрофотометром измеряли поглощение излучений с разной длиной волны у одиночных колбочек сетчатки человека.
Этот же набор цветов используется в современном телевидении (см. рис. 143-9)
Вопросы к параграфу
1. Что называют спектром? Что такое дисперсия света?
2. Почему стеклянная призма разлагает пучок белого света в спектр?
3. Какие приборы применяются для наблюдения и регистрации спектров?
4. Каковы назначение, принцип устройства и работы спектральных приборов?
5. Почему в спектроскопии предпочтительнее использовать дифракционную решетку, а не призму?
6. Определите наименьшую длину световой волны, воспринимаемой глазом человека, если ее частота ν = 4,0 · 10 14 Гц. Какого цвета будут эти лучи?
7. Чем будут различаться спектры, полученные от одного и того же источника излучения при помощи дифракционной решетки и призмы?
8. Почему освещенный столб дыма на темном фоне кажется синеватым, а на фоне светлого неба — желтым или красноватым?
9. Почему в ясную погоду зимой тени деревьев на снегу имеют голубоватый оттенок?
10. Каким образом из набора цветов можно получить белый свет?
11. Какого цвета будут буквы, написанные на листе бумаги зеленой ручкой, если рассматривать их через красное стекло?
Разложение белого света в спектр
Давайте получим из белого света все цвета радуги!
Разложение белого света в спектр можно наблюдать разными способами. Это может быть отражение света от поверхности компакт-дисков или радуга после дождя (явление дифракции). Ещё данное явление можно наблюдать при прохождении лучей белого света через прозрачную треугольную призму (дисперсия).
Явление дисперсии было открыто Исааком Ньютоном более 300 лет назад и считается одной из важнейших его заслуг. Ньютон пропустил солнечные лучи через треугольную стеклянную призму и увидел, что белый цвет — это «чудесная смесь цветов».
Ньютон был ярым приверженцем корпускулярной теории света и отрицал его волновую природу. Но так случилось, что именно ему было суждено сделать открытие, указывающее на волновые свойства света.
Предлагаем вам повторить опыт великого учёного и исследовать явление дисперсии света.