Дисперсия на светлината: история на откритието и описание на явлението

13.03.2020

Светът наоколо е изпълнен с милиони различни нюанси. Поради свойствата на светлината, всеки обект и обект около нас има определен цвят, възприеман от човешкото зрение. Изследването на светлинните вълни и техните характеристики позволиха на хората да погледнат по-задълбочено на природата на светлината и свързаните с нея явления. Днес нека поговорим за вариацията.

Природа на светлината

От физическа гледна точка светлината е комбинация от електромагнитни вълни с различна дължина и честота. Човешкото око не възприема никаква светлина, а само тази, чиято дължина на вълната варира от 380 до 760 nm. Останалите видове остават невидими за нас. Те включват, например, инфрачервена връзка и ултравиолетова радиация. Известен учен Исак Нютон представлява светлина като насочен поток от най-малките частици. И едва по-късно е доказано, че е по природа вълна. Нютон обаче все още бе частично прав. Факт е, че светлината притежава не само вълнови, но и корпускуларни свойства. Това се потвърждава от добре познатия феномен на фотоелектричния ефект. Оказва се, че светлинен поток има двоен характер.

Дисперсията на светлината е

Цветен спектър

Бялата светлина, достъпна за човешкото зрение, е съвкупност от няколко вълни, всяка от които се характеризира с определена честота и самостоятелна енергия на фотоните. В съответствие с това, той може да бъде разложен на вълни с различни цветове. Всеки от тях се нарича монохроматичен, а определен цвят има свой диапазон на дължина, честота на вълните и фотонна енергия. С други думи, енергията, излъчвана от веществото (или абсорбираната) се разпределя съгласно горните показатели. Това обяснява съществуването на светлинния спектър. Например зелен цвят спектърът съответства на честота в диапазона от 530 до 600 THz, а виолетовата - от 680 до 790 THz.

Дисперсия на светлина

Дисперсия на светлина

Всеки от нас някога е виждал лъчи блещукащи по фасетирани стъклени продукти или например за диаманти. Това може да се наблюдава поради явлението дисперсия на светлината. Този ефект отразява зависимостта на коефициента на пречупване на даден обект (субстанция, среда) от дължината (честотата) на светлинната вълна, която преминава през този обект. Последицата от тази зависимост е разлагането на лъча в цветен спектър, например, когато преминава през призма. Дисперсията на светлина се изразява чрез следното уравнение:

n = ƒ (ƛ)

където n е коефициентът на пречупване, ƛ е честотата, а ƒ е дължината на вълната. Индексът на пречупване се увеличава с увеличаване на честотата и намаляване на дължината на вълната. Често наблюдаваме дисперсия в природата. Неговата най-красива проява е дъгата, която се формира поради разсейването на слънчевата светлина при преминаване през многобройни дъждовни капки.

Абсорбция на светлината

Първи стъпки към откриване на дисперсия

Както бе споменато по-горе, при преминаване през призма, светлинният поток се разлага в цветовия спектър, който Исак Нютон е проучил в подробности своевременно. Резултатът от неговите изследвания е откриването на явлението дисперсия през 1672 година. Научният интерес към свойствата на светлината се появи преди нашата ера. Известният Аристотел вече беше забелязал, че слънчевата светлина може да има различни нюанси. Ученият твърди, че природата на цвета зависи от "количеството тъмнина", което се намира в бялата светлина. Ако има много, тогава има лилав цвят, а ако е малък, тогава червен. Великият мислител също така каза, че основният цвят на светлинните лъчи е бял.

Изследване на предшественика на Нютон

Аристотеловата теория за взаимодействието на тъмнината и светлината не беше опровергана от учени от 16-17 век. Чешкият изследовател Марси и английският физик Хариот независимо провеждат експерименти с призма и са твърдо убедени, че причината за появата на различни нюанси на спектъра е именно смесването на светлинния поток с тъмнината, докато преминава през призмата. На пръв поглед констатациите на учените биха могли да се нарекат логични. Но техните експерименти бяха доста повърхностни и не можеха да ги подкрепят с допълнителни изследвания. Това беше, докато Исак Нютон пое.

Дисперсия на светлина

Откритието на Нютон

Благодарение на любознателния ум на този изключителен учен, беше доказано, че бялата светлина не е основната светлина и че други цветове не възникват в резултат на взаимодействието на светлината и тъмнината в различни съотношения. Нютон опроверга тези убеждения и показа, че бялата светлина е съставена в своята структура, тя се формира от всички цветове на светлинния спектър, наречени монохроматични. В резултат на преминаването на светлинния лъч през призмата се формира разнообразие от цветове, дължащи се на разлагането на бялата светлина в нейните съставни вълнови потоци. Такива вълни с различна честота и дължина се пречупват в средата по различни начини, образувайки определен цвят. Нютон поставя експерименти, които все още се използват във физиката. Например, експерименти с кръстосани призми, използвайки две призми и огледало, както и преминаване на светлина през призми и перфориран екран. Сега знаем, че разлагането на светлината в цветовия спектър възниква поради различни скорости на преминаване на вълни с различна дължина и честота през прозрачно вещество. В резултат на това някои вълни излизат от призмата по-рано, други - малко по-късно, други - дори по-късно и т.н. Така е и разлагането на светлинния поток.

Дисперсията на светлината е

Анормална дисперсия

Впоследствие физиците на предишния век правят друго откритие относно дисперсията. Французинът Леру открил, че в някои среди (по-специално в йодните пари) е нарушена зависимостта, изразяваща явлението дисперсия. Физикът Кундт, който е живял в Германия, се занимава с проучването на този въпрос. За неговото изследване той заимства един от методите на Нютон, а именно опит с използване на две пресечени призми. Единствената разлика е, че вместо една от тях, Kundt използва призматичен съд с разтвор на цианин. Оказа се, че коефициентът на пречупване, когато светлината минава през такива призми, се увеличава, а не намалява, както го направи в експериментите на Нютон с обикновени призми. Немски учен установи, че този парадокс се наблюдава в резултат на феномена на абсорбция на светлина от веществото. В описания експеримент на Kundt, цианинов разтвор действа като абсорбираща среда и дисперсията на светлината за такива случаи се нарича аномална. В съвременната физика този термин почти никога не се използва. Към днешна дата нормалният Нютон открил и по-късно открил аномална дисперсия, се разглеждат като две явления, принадлежащи към една и съща доктрина и имащи общ характер.

Дисперсия на светлина

Ниско диспергирани лещи

При фотографията дисперсията на светлината се счита за нежелано явление. Тя става причина за т.нар хроматична аберация където изображенията се появяват изкривени цветове. Нюансите на снимките не съответстват на нюансите на обекта, който ще се отстранява. Този ефект е особено неприятно за професионалните фотографи. Поради дисперсията на снимките не само цветът се изкривява, но и ръбовете често са замъглени или, обратно, появата на прекалено дефинирана граница. Световните производители на фотографска техника се справят с последствията от такова оптично явление с помощта на специално проектирани нискодисперсни лещи. Стъклото, от което са изработени, притежава отлично свойство да се разчупват вълни с различна дължина и честота. Лещи, в които се монтират ниско диспергирани лещи, се наричат ​​ахромати.