Какого цвета нет в спектре сиреневый

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).

Какого цвета нет в спектре

Излучение оптического диапазона (видимый свет и ближнее инфракрасное излучение) свободно проходит сквозь атмосферу, может быть легко отражено и преломлено в оптических системах. Источники: тепловое излучение (в том числе Солнца), флюоресценция, химические реакции, светодиоды.

Цвета видимого излучения, соответствующие монохроматическому излучению, называются спектральными. Спектр и спектральные цвета можно увидеть при прохождении узкого светового луча через призму или какую-либо другую преломляющую среду. Традиционно, видимый спектр делится, в свою очередь, на диапазоны цветов:

Цвет	Диапазон длин волн, нм	Диапазон частот, ТГц	Диапазон энергии фотонов, эВ
Фиолетовый	380—440	790—680	2,82—3,26
Синий	440—485	680—620	2,56—2,82
Голубой	485—500	620—600	2,48—2,56
Зелёный	500—565	600—530	2,19—2,48
Жёлтый	565—590	530—510	2,10—2,19
Оранжевый	590—625	510—480	1,98—2,10
Красный	625—740	480—405	1,68—1,98

Ближнее инфракрасное излучение занимает диапазон от 207 ТГц (0,857 эВ) до 405 ТГц (1,68 эВ). Верхняя граница определяется способностью человеческого глаза к восприятию красного света, различной у разных людей. Как правило, прозрачность в ближнем инфракрасном излучении соответствует прозрачности в видимом свете.

Черный цвет и белый цвет относятся к неспектральным цветам.

Данная запись опубликована в 26.02.2010 16:47 и размещена в Кто хочет стать миллионером. ‘Вы можете оставить отклик

Мало букафф? Читайте есчо !

Кто был тренером сборной России по футболу на чемпионате мира 2002?

Главным тренером сборной России по футболу в 2002 г. был Олег Иванович Романцев.

Где находится гора Макалу

1955 год. Французской экспедицией, которая весной 1955 г. была призвана покорить Макалу, вновь руководит Жан Франко, возглавляющий уже много лет Национальную школу альпинизма в Шамони. Другими участниками были семь первоклассных альпинистов: Жан Бувье, .

Какого цвета нет в спектре сиреневый

Введите имя пользователя, чьи записи вы хотите найти

Войти

Авторизуясь в LiveJournal с помощью стороннего сервиса вы принимаете условия Пользовательского соглашения LiveJournal

2.64 Цветовые системы. История вопроса (часть 8)

Тема лекции: Европа 17-19 вв. Опыт Ньютона. Исследования Томаса Юнга.

В это время в истории классификации цвета начинается новый этап. Начинается процесс разделения цвета. Ньютон вводит научную символику разделения цветов. Он берет спектр белого цвета, в котором выделяет все хроматические цвета: Красный, Оранжевый, Зеленый, Голубой (сине-зеленый), Синий, Фиолетовый, добавляя к этому сочетанию Пурпурный (считает этот цвет смешением красного и фиолетового).

Ньютон обратился к исследованиям цветов, наблюдаемых при попытках усовершенствования телескопов. Стремясь получить линзы возможно более хорошего качества, Ньютон убедился, что главным недостатком изображений, получаемых в телескопе, является наличие окрашенных в радужные цвета краев изображений.

В 1666 году Ньютон произвел в Кембридже опыт разложения белого цвета призмой — опыт, который познакомил нас с истинной природой цвета. Через маленькое круглое отверстие в ставне окна в затемненную комнату проникал луч света, а на его пути Ньютон ставил стеклянную трехгранную призму и пучок света преломлялся в призме. На экране, стоявшем за призмой, появлялась разноцветная полоса, которую Ньютон назвал "спектром" (от греческого "спектрум" — смотрю). См. рис. ниже:

Со времен Ньютона принято различать в спектре семь основных цветов:

красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый.

Конечно, разделение спектра именно на семь цветовых зон чисто условно. В действительности, глаз различает в спектре громадное количество промежуточных оттенков, поскольку последовательность цветов спектра непрерывна, и каждый цвет переходит в соседний плавно и постепенно.

Описанное наблюдение Ньютона показывает, что лучи разного цвета по-разному преломляются призмой. Это важное заключение Ньютон проверил многими опытами. Важнейший из них состоял в определении показателя преломления лучей различного цвета, выделенных из спектра. Для этой цели в экране, на котором получается спектр, прорезалось отверстие, перемещая экран. Можно было выпустить через отверстие узкий пучок лучей того или иного цвета. Опыты обнаружили, что такой выделенный пучок, преломляясь во второй призме, уже не растягивается в полоску. Такому пучку соответствует определенный показатель преломления, значение которого зависит от цвета выделенного пучка. Зависимость показателя преломления от цвета получила название "дисперсия цвета" (от лат. dispergo — разбрасываю).

Ньютон установил также, что можно наоборот, смешав семь цветов спектра, вновь получить белый цвет. Для этого он поместил на пути разложенного призмой цветного пучка (спектра) двояковыпуклую линзу, которая снова налагает различные цвета один на другой; сходясь, они образуют на экране белое пятно. Если же поместить перед линзой (на пути цветных лучей) узкую непрозрачную полоску, чтобы задержать какую-либо часть спектра, то пятно на экране станет цветным.

Описанные опыты показывают, что для узкого цветного пучка, выделенного из спектра, показатель преломления имеет вполне определенное значение, тогда как преломление белого света можно только очень грубо охарактеризовать одним каким-то значением. Сопоставляя подобные наблюдения, Ньютон сделал вывод, что существуют простые цвета, не различающиеся при прохождении через призму, и сложные, представляющие собой совокупность простых, имеющих разные показатели преломления. В частности, белый солнечный свет есть такая совокупность цветов, которая при помощи призмы разлагается на спектральные (простые). Таким образом, в основных опытах Ньютона заключались два важных открытия:

1) свет различного цвета (длина волны) характеризуется разными показателями преломления в данном веществе (дисперсия);

2) белый цвет есть совокупность простых цветов.

В чем же состоит основное различие между цветами спектра? Ньютон утверждал, что различные цвета состоят из частиц разного размера: красные лучи — из самых больших частиц, фиолетовые – из самых маленьких. С другой стороны Томас Юнг предполагал, что цвета соответствуют волнам различной длины, при чем в красных лучах волны самые длинные, в фиолетовых – самые короткие. Эти два объяснения представляются настолько важными, что необходимо несколько более подробно остановиться на них. В науке мы объясняем явления посредством аналогий с другими явлениями. Мы можем, поэтому, представлять себе луч света, как поток частиц, выбрасываемых источником света. Подобно пулям, выбрасываемым пулеметом. Эти частицы чрезвычайно малы, так что они могут долгое время испускаться источником света, не вызывая в нем сколько-нибудь заметной потери веса. Они распространяются по прямым линиям, что очень просто и естественно объясняет прямолинейность лучей света. Частицы отражаются зеркалом подобно тому, как резиновый мяч отскакивает от пола и бильярдный шар от борта. Когда частицы ударяют в сетчатку глаза, они вызывают ощущение света. Этот способ объяснения световых явлений называется теорией истечения (или корпускулярной теорией). Ньютон в первой части своей "Оптики" говорит: "В этой книге я не намереваюсь объяснять свойства света гипотезами, но предполагаю только устанавливать их и проверять рассуждением и опытом". В соответствии с этим намерением Ньютон очень осторожен в своих утверждениях, свободных, насколько это возможно, от гипотез. Он постоянно употребляет слово "луч", мысленно представляя его себе как поток частиц, причем стекло призмы притягивает частицы луча, падающего на него, и это притяжение является причиной отклонения луча от первоначального направления; маленькие частицы притягиваются сильнее больших и испытывают, следовательно, большее отклонение, что и является причиной образования спектра. Принимая теорию истечения, Ньютон высказывал сомнения в ее верности. Он спрашивает сам себя: "Не производят ли различные лучи колебания различной частоты, которые, сообразно их частоте, вызывают ощущения различных цветов, подобно тому, как колебания воздуха вызывают ощущения различных звуков, соответствующих их частоте?" Ньютон в этом вопросе не становится на точку зрения чистой волновой теории, но предполагает компромисс – соединение теории истечения и волновой: "Световые корпускулы, ударяясь о вещество, вызывают в нем волны".

Немного великих открытий пользовались таким почетом и были оценены их современниками в такой степени, как открытия Ньютона. Когда в 1727 году в возрасте 84 лет он скончался, он с величайшими почестями был похоронен в Вестминстерском аббатстве. В течение последних 20 лет его жизни в огромном кругу учеников и почитателей он считался непогрешимым авторитетом, и его воззрения на свет получили чрезвычайно широкое распространение.

На рубеже 19 века Томас Юнг установил принцип интерференции света, согласно которому можно, сложив свет со светом, получить темноту, то есть взаимно погасить свет. Юнг исследовал различные приложения принципа интерференции и пришел к заключению, что свет должен распространяться волновым движением. Объяснить полосы интерференции с точки зрения истечения оказалось совершенно невозможным. Он вычислил также среднюю длину волны света различных цветов. Его результаты даны в следующей таблице. Они представляют интерес, как первые определения длины световых волн, которые когда-либо были сделаны. Следует отметить, что его цифры вполне пригодны и для современного употребления:

Весь спектр можно разделить по цветовым оттенкам на две части. В одну часть входят красные, оранжевые, желтые и желто-зеленые цвета, а в другую – фиолетовые, синие, голубые и зеленые цвета. Цвета первой части спектра связываются у нас с представлением о цвете накаленных тел — огня, поэтому их называют теплыми цветами. Цвета второй части спектра связываются у нас с цветом воды, льда, металла и называются холодными цветами.

Чем же определяется цвет окружающих нас предметов? Какой физический смысл соответствует нашим представлениям о том, что трава зеленая, цветок мака красный, а небо голубое и т.д.? Цвет предметов, окружающих нас, зависит, во-первых, от их способности отражать или пропускать падающий на них световой поток и, во-вторых, от распределения светового потока в спектре освещающего их источника света. Когда мы говорим, что поверхность имеет зеленый цвет (при освещении белым светом), то это означает, что из всей совокупности лучей, составляющих белый свет, данная поверхность отражает преимущественно зеленые лучи. Прозрачная среда (стекло, жидкость), представляющаяся нам окрашенной в зеленый цвет (при освещении белым светом), пропускает из всей совокупности лучей преимущественно зеленые лучи. Соответственно, отраженные или пропущенные лучи воздействуют на наши глаза и у нас создается ощущение зеленого цвета. Всем известно, что окраска комнаты и находящихся в ней предметов воспринимается нами по-разному при дневном (естественном) и вечернем (искусственном) освещении, осуществляемом лампами накаливания. Причины этого – различное распределение светового потока в спектрах дневного света и лампы накаливания, наличие в спектре дневного света всех видимых излучений почти в равном количестве и почти полное отсутствие синих и фиолетовых лучей в спектре лампы накаливания. При освещении лампами накаливания красные цвета становятся более сочными, а оранжевые краснеют. При этом и красные, и оранжевые цвета становятся более светлыми. Голубые цвета зеленеют, а синие и фиолетовые несколько краснеют, приобретая при этом пурпурный оттенок, а значит – темнеют.

Все цвета, встречающиеся в природе, разделяются на ахроматические и хроматические. К ахроматическим цветам относятся белый и черный цвета, а также серый цвет, являющийся промежуточным между белым и черным цветами. Ахроматические цвета в спектре отсутствуют – они бесцветны. Хроматическими цветами являются все цвета, имеющие тот или иной цветовой оттенок. Прибавляя к спектральному свету все большее количество белого света, мы получаем множество цветов одного тона, но различных по степени разбавления их белым светом.

Длина волны спектрального цвета, который при разбавлении белым светом дает данный цвет, носит наименование цветового тона, или доминирующей длины волны. Цветовой тон обозначается греческой буквой λd (лямбда) с индексом и выражается в нанометрах.

Количество цветов одного и того же тона безгранично, поскольку безгранична возможность прибавления разного количества белого света к данному спектральному цвету. Из сказанного следует, что один цветовой тон не характеризует полностью цвета. Надо учесть степень его разбавления, то есть степень его белесости по отношению к спектральному цвету. В спектральных цветах нет примеси белого, они являются самыми чистыми цветами. Параметр цвета, который учитывает степень разбавления спектрального цвета белым, называют чистотой цвета и обозначают буквой ρ. Чистота цвета выражается в долях единицы или процентах. Спектральные цвета имеют чистоту цвета, равную 100%. Все ахроматические цвета имеют чистоту цвета, равную нулю.

Цветовой тон λd и чистота цвета ρ характеризуют качество цвета. Совокупность цветового тона и чистоты цвета, то есть качественный параметр цвета, носит название цветности. Но и цветность не характеризует цвет полностью. Для оценки цвета необходимо указывать кроме цветности и его яркость (В). То есть количественный его параметр, так как розовый цвет, например, при малых яркостях будет нам казаться цветом бордо, желтый – коричневым, а голубой – синим. Два цвета тождественны, если они имеют одинаковую цветность и одинаковую яркость.

Из множества цветов одинакового цветового тона наш глаз может отличить друг от друга лишь ограниченное их число. Для спектральных цветов разного цветового тона это число составляет от четырех (желтый цвет) до двадцати пяти (красный цвет). Наименьшее воспринимаемое глазом различие в цвете носит название порога цветоразличения. Число таких порогов характеризует насыщенность различных цветов. Чем больше порогов цветоразличения имеет место для данного цвета от белого до спектрального, тем более насыщенным является данный цвет. Наиболее насыщенными являются красный и синий цвета. Наименее насыщенным – желтый цвет. Таким образом, не следует отождествлять насыщенность и чистоту цвета, являющихся различными понятиями.

Спектральные цвета являются самыми чистыми цветами, которые нам приходится наблюдать, так как в них отсутствует примесь белого цвета. Однако они не исчерпывают существующего в природе разнообразия цветов. В спектре нет белых, черных и серых цветов, кроме того, в спектре отсутствуют малиновый, вишневый, сиреневый и другие подобные цвета, называемые пурпурными. Полный набор, встречающихся в природе цветов, может быть получен при смешении спектральных цветов между собой в различной пропорции, а также смешением спектральных цветов с ахроматическими (белым и серым).

Под смешиванием цветов понимают явление образования новых цветов путем составления из двух или нескольких других цветов. Многочисленными опытами установлено, что некоторые пары хроматических цветов, смешанные в определенной пропорции, образуют ахроматический цвет. Два цвета, образующие при смешивании ахроматический цвет, называют дополнительными. В природе существует бесчисленное количество пар дополнительных цветов, в том числе и спектральных. Ниже ориентировочно указаны названия взаимно дополнительных цветов.

Гениальный русский ученый М.В. Ломоносов в 1856 году впервые высказал мысль о том, что в нашем глазу есть три рода светочувствительных элементов, которые по-разному реагируют на свет разного спектрального состава. Первые — чувствительны преимущественно к красному, вторые – преимущественно к зеленому, и третьи – к синему цветам. Если же в глаз попадает сложный световой поток, состоящий из ряда составляющих световых потоков разного цвета, то на него реагируют все три рода светочувствительных элементов. В зависимости от соотношения их реакции мы ощущаем результирующий цвет, соответствующий спектральному составу света, попадающему в глаз.

Эта трехцветная теория цветового зрения, которая после М.В. Ломоносова была значительно развита Юнгом и Гельмгольцем, полностью подтвердилась фактами оптического смешения цветов. В самом деле, все возможные цвета могут быть получены смешением в разных пропорциях трех взаимно независимых цветов – красного (700 нм), зеленого (546,1 нм) и синего (435,8 нм). Однако глаз человека не способен анализировать состав цвета, то есть определять без приборов из каких частей этот свет состоит.

Огромное разнообразие цветов и оттенков, воспринимаемых зрением, в нашу эпоху развитой техники и разветвленной науки порождает необходимость точной номенклатуры цвета. Это значит, что всякий цвет мы должны уметь точно назвать и обозначить, и притом так, чтобы наше обозначение выражало его весьма детально, позволяя уверенно различать самые тонкие нюансы оттенков одного и того же цвета. Такая задача разрешается в специальном разделе экспериментальной оптики, называемом колориметрией – термин составлен из латинского корня "колор" (цвет) и греческого "метрон" (мера). Таким образом, колориметрия представляет собой искусство измерения цвета, позволяющее любой цвет выразить в виде некоторого числа или, вернее, комбинации чисел. Трехцветная колориметрическая система может быть представлена графически в виде так называемого цветового треугольника.

Основные цвета помещаются в вершинах треугольника. Цвет, получаемый при смешивании двух цветов в равных количествах, изображается равностоящей от них точкой. Дополнительные цвета – маджента, желтый и голубой (cyan) – лежат в середине сторон треугольника. Белый, который получается при сложении зеленого, синего и красного в равных количествах, изображается точкой, лежащей в центре треугольника на равном расстоянии от его углов. Спектральные цвета (красный, оранжевый, желтый, желтовато-зеленый, зеленый, голубой, синий) лежат вдоль первой и затем вдоль второй стороны треугольника. Цвета, лежащие вдоль его основания, по порядку следующие: красный, розовый, гвоздичный, маджента, пурпурный, синий. Насыщенные цвета лежат вдоль сторон треугольника, а цвета бледные – внутри, вокруг белого. Так, например, если мы будем двигаться вдоль медианы из красного угла, красный будет становиться все бледнее до тех пор, пока не перейдет в белый. Белый, при дальнейшем движении, приобретает легкий голубой оттенок, который будет становиться все более насыщенным, пока мы полностью не перейдем в синий угол. Этот треугольник, идея построения которого также принадлежит Ньютону, может служить для установления приблизительного соотношения между цветами. Поскольку в спектре белого цвета отсутствуют пурпурные цвета, то и в этом треугольнике для них нет места. Для того чтобы все реально существующие цвета, в том числе пурпурные (малиновый, вишневый, сиреневый и т.п.) лежали внутри цветового треугольника, его математически перестраивают в так называемую "цветовую диаграмму" в удобных для использования прямоугольных координатах.

Преимущество треугольника цветов в том, что он дает возможность точно описывать цвета посредством соответствующих им точек в треугольнике. Способ этот естественно гораздо точнее словесного описания, так как большинство людей плохо умеет передавать словами тонкие оттенки. Он позволяет с одного взгляда определять результат смешения любых двух цветов в какой угодно пропорции.

Надо сказать, что и при жизни и после смерти у Ньютона было много оппонентов, в том числе и такие именитые ученые, как Гюйгенс, Гук, Юнг, Френель. Их работы не опровергли, а, несомненно обогатили теорию Ньютона, но среди "оппонентов" Ньютона особенно выделяется Иоганн Гете, известный поэт. Его учение "О цветах", появившееся в 1810 году, то есть через 150 лет после "Оптики" Ньютона, было написано со старой аристотелевской точки зрения, примером которой могут служить воззрения д-ра Барроу. Все бы ничего, но его "учение" проникнуто большим презрением к работам Ньютона по спектру. Находясь под впечатлением, что он разрушил теорию Ньютона, Гете утверждает: "пока существовала ньютоновская теория, было невозможно написать или даже подготовить путь к написанию истории теории цветов; никогда еще аристократическое предубеждение не заставляло смотреть с такой надменной нетерпимостью сверху вниз на лиц, иначе мыслящих, чем это практиковалось в школе Ньютона, и по отношению к тому, что было сделано в оптике в прежние времена или делалось заново".

На самом деле Гете не опроверг Ньютона и не разрушил его теорию. Нам кажется, что именно он, а не Ньютон "с надменной нетерпимостью", "сверху вниз" выразил "аристократическое предубеждение" против объективной реальности, обнаруженной Ньютоном. Ньютон создал теорию, объясняющую свойства световых лучей. Это была удивительная теория, в которой считалось, что свет состоит из частиц, сопровождаемых волнами, и которая объясняла на основе этого предвидения законы распространения света и его действия на вещество. Теперь, 250 лет спустя, наука располагает четкими доказательствами того, что свет сочетает в себе свойства и волн, и корпускул, это особая совокупность электромагнитных волн и квантов ("волна-пилот" или "волновой пакет" по выражению выдающегося физика, лауреата Нобелевской премии Луи де Бройля).

Однако надо всегда помнить, что Ньютон в своих работах писал: "Лучи света не являются цветными. В них нет ничего, кроме определенной способности и предрасположения вызывать у нас ощущение того или иного цвета". Цвет, таким образом, не является объективной физической величиной, существующей независимо от органа зрения. Независимо от человека существует излучение, имеющее свойство, называемое цвет. Это свойство возникает только при воздействии излучения на глаз. В этом смысле, взгляд Гете на цвет, как на нечто единое целое, неразложимое, имеет право на существование в психологии и тому подобных областях науки и жизнедеятельности человека, где физическая природа света и цвета не имеет значения.

Дисперсия света в физике — основные понятия, формулы и определения с примерами

Солнечный летний день. И вдруг на небе появилась тучка. пошел дождик, который будто бы «не замечает», что солнце продолжает светить. Такой дождь в народе называют слепым. Дождик еще не успел закончиться, а на небе уже засияла разноцветная радуга (рис. 3.45). Почему она появилась? Ответ вы узнаете из следующего параграфа.

Разложение белого света в спектр

Оказывается, что и в лабораторных условиях можно наблюдать удивительное явление, подобное радуге. Для этого направим узкий пучок белого света на стеклянную призму (рис. 3.46). Проходя сквозь призму, пучок белого света преломляется, и на экране образуется радужная полоска — спектр.

Появление спектра объясняется тем, что пучок белого света представляет собой совокупность световых пучков разных цветов, а световые пучки разных цветов распространяются к одной и той же среде с разной скоростью.
Зависимость скорости распространения пучка света в определенной среде от цвета пучка называют дисперсией света.
Обычно пучки света, имеющие меньшую скорость распространения, преломляются боль-

Например, в средах, с которыми вы знакомитесь в школе, фиолетовые очки имеют меньшую скорость, чем красные, и, значит, преломляются сильнее. Кстати, именно поэтому полоска фиолетового цвета в спектре расположена ниже красной (рис. 3.46).

Сравним рис. 3.45 и 3.46: цвета радуги — это и есть цвета спектра, что не удивительно, так как на самом деле радуга — это огромный спектр солнечно-) света. Мириады маленьких капелек воды (помните, что радуга всегда обрабатывается во время или после дождя?), действуя вместе подобно множеству призм*, преломляют белый солнечный свет и создают разноцветную дугу.

Характеризуем цвета

В спектре обычно выделяют семь цветов: красный, оранжевый, желтый. зеленый, голубой, синий, фиолетовый.

Световые пучки двух разных спектральных цветов в случае наложения фуг на друга образуют другие цвета. Это явление называют наложением спектральных цветов. Так, направив на экран пучки оранжевого и зелено-‘О цветов таким образом, чтобы они перекрывали друг друга, получим на экране желтый цвет.

Некоторые спектральные цвета в случае наложения друг на друга образуют белый цвет. Такие пары спектральных цветов называют дополнительными (рис. 3.47). На рисунке цвета участков А и Б являются дополнительными, так как они дополняют друг друга до белого цвета.

Особое же значение для нашего зрения имеют три основных спектральных цвета: красный, зеленый и синий. Накладывая эти три цвета друг на друга в разных пропорциях, можно получать различные цвета и оттенки (рис. 3.48). При этом зеленый, красный и синий цвета нельзя получить комбинацией других цветов спектра.

На наложении трех основных спектральных цветов в разных пропорциях основывается, например, цветное телевидение. Если вы посмотрите на экран цветного телевизора через лупу, то увидите, что изображение состоит из мелких объектов красного, зеленого и синего цветов.

Почему мир разноцветный

Зная, что белый свет является сложным, можно объяснить, почему окружающий мир, освещенный лишь одним источником белого света — Солнцем,— мы видим разноцветным.

Как вы уже знаете, свет частично отражается от физических тел, частично преломляется и частично поглощается ими. причем эти процессы зависят от оптических свойств материала, из которого состоят тела, и от цвета падающего светового пучка.

Белая поверхность отражает одинаково лучи всех цветов. Поэтому альбомный лист, освещенный источником белого света, кажется нам белым. «Зеленая трава, освещенная тем же источником, отражает преимущественно лучи зеленого цвета, а остальные поглощает. Красные лепестки тюльпанов отражают в основном лучи красного цвета, желтые лепестки подсолнуха — желтого.

Синий свет, направленный на зеленую листву растений, почти целиком поглотится листвой, так как такая листва отражает преимущественно зеленые лучи, а другие — поглощает. Значит, листва, освещенная синим светом, будет казаться нам практически черной (рис. 3.49). Если же, например, осветить синим светом белую бумагу, то она покажется нам синей, так как белая бумага отражает лучи всех цветов, в том числе и синие. А вот черная шерсть кота поглощает лучи всех цветов, поэтому, каким бы светом мы его ни осветили, кот все равно будет казаться черным.

Итоги:

Зависимость скорости распространения пучка света в определенной среде от цвета пучка называют дисперсией света. В результате дисперсии белый свет, прошедший, например, сквозь призму, образует спектр, т.е. оказывается разложенным на семь спектральных цветов (красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый).

В случае наложения двух разных спектральных цветов образуются другие цвета.

Благодаря тому что разные тела по-разному отражают, преломляют и поглощают свет, мы видим окружающий мир разноцветным.

Дисперсия света и спектр

Источником оптического излучения принято называть 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. Совокупность «простейших» электромагнитных волн называют спектром. Таким образом, спектр — распределение энергии, излучаемой или поглощаемой веществом, по частотам или длинам волн.

Направив пучок света на призму, мы обнаружим за ней на экране разноцветную полоску (рис. 68). Ньютон, впервые проделавший данный эксперимент, назвал ее спектром. Возникновение спектра объясняется явлением дисперсии света, т. е. зависимостью показателя преломления среды от частоты n(v) или длины волны распространяющегося излучения. Вследствие явления дисперсии призма различным образом преломляет световые волны разных цветов.

Все среды, кроме вакуума, обладают дисперсией. 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 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

Явления дисперсии и полного отражения 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.

Спектры, полученные от самосветящихся тел, называются спектрами испускания. Они бывают трех типов: линейчатые, полосатые и сплошные.

Линейчатые спектры имеют все вещества в газообразном атомарном состоянии. Эти спектры состоят из отдельных узких линий различного цвета, разделенных темными промежутками (рис. 69).

Изучение линейчатых спектров показало, что каждый химический элемент обладает своим строго индивидуальным спектром. Такие спектры отличаются друг от друга цветом отдельных светящихся линий, их положением и числом.

Полосатые спектры имеют газы, состоящие из слабо связанных друг с другом молекул. Эти спектры состоят из ряда цветных полос, разделенных темными промежутками (рис. 70).

Непрерывные (сплошные) спектры имеют нагретые тела, находящиеся в твердом и жидком состояниях, а также газы при высоком давлении и плазма. Вследствие интенсивного взаимодействия между молекулами индивидуальные черты, присущие отдельным частицам, в таких спектрах неразличимы. В них представлены все длины волн, нет темных промежутков и на экране видна сплошная разноцветная полоса (рис. 71).

Прозрачные вещества поглощают часть падающего на них излучения, и в спектре, полученном после прохождения белого света через такие вещества, появляются темные линии, или полосы поглощения. Такой спектр называется спектром поглощения (рис. 72).

Так, вещество в газообразном состоянии поглощает наиболее сильно свет тех длин волн, которые оно испускает в нагретом состоянии.

Это означает, что темные линии в спектре поглощения будут находиться как раз в тех местах, где находятся светящиеся линии в спектре испускания данного химического элемента. Эти строго установленные закономерности в линейчатых спектрах дают возможность обнаружить те ли иные элементы в данном веществе.

Наиболее изученным спектром поглощения является спектр Солнца. Его сплошной спектр содержит значительное количество черных линий. Эти линии являются линиями поглощения, возникающими при прохождении света через газовую оболочку Солнца и атмосферу Земли. Они получили название фраунгоферовых линий, так как Фраунгофер впервые наблюдал спектр Солнца и установил, что закономерность расположения линий поглощения не случайна и темные линии появляются всегда на строго определенных местах. Их принято обозначать латинскими буквами от А до К.

Для определения качественного и количественного состава вещества применяется метод, основанный на получении и исследовании его спектров. Этот метод называется спектральным анализом. Это самый быстрый и простой способ определения состава различных химических соединений.

Основатели спектрального анализа немецкие физики Роберт Бунзен и Густав Кирхгоф, исследуя спектры паров соединений щелочных металлов лития, натрия и калия, обнаружили новые элементы — рубидий и цезий, названные так по цвету наиболее ярких линий в их спектрах. У рубидия — красная линия, у цезия — синяя.

Спектральный анализ базируется на двух основных положениях:

1. каждый химический элемент или химическое соединение характеризуется определенным спектром;
2. интенсивность линий и полос в спектре зависит от концентрации того или иного элемента в веществе.

К достоинствам спектрального анализа можно отнести:

• высокую чувствительность (обнаруживает элементы с относительной концентрацией , т. е. один атом вещества на сто миллионов других атомов!); малое время измерения;
• малые количества исследуемого вещества (достаточно г и даже до ) вплоть до детектирования отдельных молекул;
• дистанционность измерений (можно проводить исследования, например, состава атмосферы далеких планет).

Приборы для визуального наблюдения спектров называются спектроскопами, приборы с фотографической регистрацией спектров — спектрографами, приборы с фотоэлектрическими и тепловыми приемниками излучения — спектрометрами или спектрофотометрами (рис. 73).

Спектральные приборы в зависимости от способа спектрального разложения подразделяются на призменные, интерференционные, дифракционные.

Белорусский физик, академик Михаил Александрович Ельяшевич разработал основы теории колебаний и колебательных спектров многоатомных молекул. Он внес значительный вклад в теорию спектров редкоземельных элементов и низкотемпературной плазмы.

Итоги:

Оптика — раздел физики, в котором изучаются свойства света, его физическая природа и взаимодействие с веществом.

Под светом в оптике понимают электромагнитные волны с частотами от (длины волн изменяются в диапазоне, соответствующем инфракрасному, видимому и ультрафиолетовому излучению).

Электромагнитные волны распространяются в вакууме с максимально возможной в природе скоростью переноса энергии —

Скорость света в веществе определяется соотношением

Абсолютный показатель преломления вещества равен отношению скорости света в вакууме к скорости света в веществе:

При переходе световой волны из вакуума в вещество или из одного вещества в другое частота света остается неизменной.

Длина волны в веществе определяется соотношением:

где — длина волны в вакууме, n — показатель преломления вещества.

Интерференция света — явление сложения двух или более когерентных световых волн, приводящее к образованию в пространстве устойчивой картины чередующихся максимумов и минимумов амплитуд результирующего колебания.

Оптическая разность хода волн — разность расстояний, пройденных волнами с учетом их различных скоростей распространения в этих средах с показателями преломления

Устойчивое во времени распределение амплитуд колебаний в пространстве при интерференции называется интерференционной картиной.

Условие максимумов интерференции

Условие минимумов интерференции

Принцип Гюйгенса — Френеля:

• все вторичные источники, расположенные на волновом фронте, когерентны между собой. Огибающая волна, получающаяся в результате интерференции вторичных волн, совпадает с волной, испускаемой источником.

Дифракция света — явление отклонения распространения света от прямолинейного вблизи краев препятствий и огибания светом препятствий.

Дифракционной решеткой называют оптический прибор, предназначенный для очень точного измерения длин волн и разложения света в спектр. Он состоит из большого числа равноотстоящих параллельных штрихов, нанесенных на стеклянную или металлическую поверхности.

Спектр — распределение энергии, излучаемой или поглощаемой веществом, по частотам или длинам волн.

Спектральный анализ — метод определения качественного и количественного состава вещества, основанный на получении и исследовании его спектров.

Геометрической оптикой называют раздел оптики, в котором изучаются законы распространения света в прозрачных средах на основе представления о нем как о совокупности световых лучей. Под лучом понимают линию, вдоль которой переносится энергия электромагнитной волны.

Закон прямолинейного распространения света:

• свет в прозрачной однородной среде распространяется прямолинейно.

Закон отражения света:

• угол отражения равен углу падения ;
• луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости.

Изменение направления распространения света при прохождении через границу раздела двух сред называется преломлением света.

Закон преломления света:

• отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред;
• лучи, падающий и преломленный, лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведенным в точке падения луча к плоскости границы раздела двух сред

Закон независимости световых лучей:

• световые лучи в однородной среде распространяются независимо друг от друга.

При переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, начиная с некоторого угла падения , угол преломления станет равным = 90°, что означает отсутствие преломленной волны. Это явление называется полным отражением. Наименьший угол, с которого начинается полное отражение, называется предельным углом полного отражения:

Принцип обратимости световых лучей:

• луч света, распространяющийся по пути отраженного или преломленного луча, отразившись или преломившись в точке О границы раздела сред, распространяется дальше по пути падающего луча.

Иными словами, можно менять падающий и отраженный или преломленный лучи местами, т. е. не изменяя хода луча, можно поменять направление его распространения.

Формула тонкой линзы:

Правило знаков:

• в случае собирающей линзы, действительного источника и действительного изображения величины F, d, f считают положительными;
• в случае рассеивающей линзы, мнимого источника и мнимого изображения — отрицательными.

Величина, обратная фокусному расстоянию линзы, называется ее оптической силой:

Мультимедийный проектор — оптический прибор, служащий для получения действительного увеличенного изображения, «снятого» с экрана компьютера, телевизора или других источников видеосигнала.

Цифровой фотоаппарат — оптический прибор, предназначенный для получения и записи оптического изображения на электронные носители (флэш-карты, диски и т. д.).

Справочный материал по дисперсии света

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 (или частота) 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 (рис. 97). Ньютон, впервые проделавший данный эксперимент, назвал ее спектром.

Разложение пучка белого света в спектр призмой является следствием дисперсии (от лат. dispersio — рассеяние) света — зависимости скорости волны в среде от его частоты Так как скорость света в веществе то абсолютный показатель преломления вещества оказывается зависящим от частоты или длины волны распространяющегося излучения. Вследствие явления дисперсии призма различным образом преломляет световые волны разных цветов.

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 6 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

Явления дисперсии и полного отражения 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.

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 фото -электрическими и тепловыми приемниками излучения — спектрометрами или спектрофотометрами (рис. 98).

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 (рис. 99) 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. 99) 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.

Итоги:

Оптика — раздел физики, в котором изучают свойства света, его физическую природу и взаимодействие с веществом.

Под светом понимают электромагнитные волны с частотами от до (длины волн изменяются в диапазоне, соответствующем инфракрасному, видимому и ультрафиолетовому излучению).

Электромагнитные волны распространяются в вакууме с максимально возможной в природе скоростью переноса энергии —

Скорость распространения света в веществе определяется соотношением

Абсолютный показатель преломления вещества равен отношению модуля скорости света в вакууме к модулю скорости света в веществе:

Длина волны в веществе определяется соотношением:

где длина волны в вакууме, — абсолютный показатель преломления вещества.

При переходе световой волны из вакуума в вещество или из одного вещества в другое частота света остается неизменной.

Интерференция света — явление возникновения устойчивой во времени картины чередующихся максимумов и минимумов амплитуд результирующей волны при сложении двух (или нескольких) когерентных волн.

Оптическая разность хода волн разность расстояний, пройденных волнами, с учетом их различных модулей скоростей распространения в этих средах с показателями преломления

Условие максимумов интерференции:

Условие минимумов интерференции:

Устойчивое во времени распределение амплитуд колебаний в пространстве при интерференции называется интерференционной картиной.

Принцип Гюйгенса — Френеля:

все вторичные источники, расположенные на волновом фронте, когерентны между собой. Огибающая волна, получающаяся в результате интерференции вторичных волн, совпадает с волной, испускаемой источником.

Явление огибания волнами препятствий, которое проявляется в отклонении направления распространения волн от прямолинейного, называется дифракцией.

Дифракционной решеткой называют оптический прибор, предназначенный для разложения света в спектр и точного измерения длин волн. Он состоит из большого числа равноотстоящих параллельных штрихов, нанесенных на стеклянную или металлическую поверхности.

Под лучом понимают линию, вдоль которой переносится энергия электромагнитной волны.

Геометрической оптикой называют раздел оптики, в котором изучаются законы распространения света в прозрачных средах на основе представления о нем как о совокупности световых лучей.

Изменение направления распространения света при прохождении через границу раздела двух сред называется преломлением света.

Закон преломления света:

отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред и равная относительному показателю преломления второй среды относительно первой;

лучи, падающий и преломленный, лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведенным в точке падения луча к плоскости границы раздела двух сред:

Явление полного отражения падающего луча от границы раздела сред называется полным отражением света. Наименьший угол, с которого начинается полное отражение, называется предельным углом полного отражения:

Формула тонкой линзы:

Правило знаков:

в случае собирающей линзы, действительных источника и изображения знаки перед величинами следует выбирать положительными; в случае рассеивающей линзы, мнимого источника и изображения знаки выбирают отрицательными.

Линейным (поперечным) увеличением называется отношение линейного размера изображения к линейному размеру предмета

Цифровой фотоаппарат — оптический прибор, предназначенный для получения и записи оптического изображения на электронные носители (флэш-карты, диски и т. д.).

Лупа — оптический прибор (собирающая линза), позволяющий увеличить угол зрения.

Микроскоп — оптический прибор для получения сильно увеличенных изображений объектов или деталей их структуры, не видимых невооруженным взглядом.

Спектр — распределение энергии, излучаемой или поглощаемой веществом, по частотам или длинам волн.

Измерения и наблюдение оптических спектров производятся с помощью спектральных приборов. Назначение спектральных приборов — регистрировать зависимость интенсивности спектральных линий от частоты (длины) волны излучения, т. е. определять, из каких монохроматических волн оно состоит.

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Telegram и логотип telegram являются товарными знаками корпорации Telegram FZ-LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.