Дисперсия какое это свойство света

Пока ученые не объяснили видимые природные явления, когда все цвета выстраиваются в определенном порядке или мигрируют один в другой (радуга, северное сияние), людям казалось это чем-то волшебным. Сейчас мы понимаем, что это происходит из-за преломления солнечного потока. Но давайте разберемся в этом явлении чуть глубже.  Что представляет собой дисперсия света?

Определение дисперсии света

Солнце проходит через прозрачные или условно прозрачные вещества, такие как вода, стекло, хрусталь. При этом белый луч, который мы считаем бесцветным, раскладывается на составляющие его радужные цвета.

Это происходит из-за того, что волны, попадая из одного вещества в другое, частично или полностью меняют свое направление. Такое изменение направления называется преломлением.

Но почему поток из белого, превращается в разноцветный? Это объясняется тем, что он не монохромный, а как раз содержит в себе весь цветовой ряд. Когда диапазоны всех цветов сливаются, мы видим белое излучение. При этом каждый цвет имеет разную длину волны. И в зависимости от нее по-своему меняет угол преломления.

Например, для зеленого диапазона угол отклонения будет больше, чем для оранжевого, а для синего больше, чем для зеленого. При этом скорость распространения изменяется при прохождении через другую среду, а вот частота остается прежней.

Объяснив эти наблюдения, можно дать определение такому понятию, как разложение белого света на составляющие.

Дисперсия — это зависимость показателя преломления от длины волны, или зависимость скорости света в веществе от длины волны. Это определение можно представить в виде формулы:  n = f(v) или n = f(v), где

n — показатель приломления, λ — длина, а ν — частота.

Где встречается в природе

Разложение волнового потока в природе мы наблюдаем часто, но порой даже не догадываемся, что это дисперсия.

• Солнце на заходе, окрашивает все в красный или оранжевый цвет. Это происходит из-за разложения освещения в среде газа, который составляет нашу атмосферу.
• На дне аквариума или водоема с достаточно прозрачной водой мы можем видеть радужные блики. Это солнечный диапазон, преломленный в воде, раскладывается на цветовой спектр.
• Бриллианты, огранённый хрусталь, фиониты переливаются всеми гранями при ярком освещении.

Первые шаги на пути к открытию дисперсии

Еще задолго до того, как явление разложение спектра было описано и объяснено с точки зрения современной физики и представлений о волновой природе облучения, люди наблюдали и пытались понять суть этого явления.

Древнегреческий ученый Аристотель еще в 3 веке до н.э. активно изучал и пытался дать объяснение некоторым свойствам светового потока. Он наблюдал дисперсию света в природе и даже пытался экспериментально выяснить, как устроено солнечное излучение.

Так он выяснил, что солнечные лучи могут иметь разный цвет. И попытался описать суть этого явления. Ученый объяснил это тем, что разный оттенок свет приобретает из-за разного «количества темноты» в нем. Если темноты много, тогда освещение становится фиолетовым, если мало, то красным.

Уже тогда ученый сделал предположение, что белый спектр является основным и состоит из множества оттенков.

Открытие Ньютона

Конечно, первым, кто экспериментально доказал и описал зависимость преломления светового потока от длины волны, был Исаак Ньютон. С 1666 года он активно занимался изучением явления преобразования бесцветного диапазона.

В солнечный день ученый затемнил комнату и оставил только небольшой просвет в окне, через который проходила тонкая полоска солнца. Ньютон поставил треугольную хрустальную призму, чтобы на нее попадал луч. Пройдя через прозрачный хрусталь, белый свет превратился в ряд разноцветных полос.

Цвета были расположены строго по порядку от красного до фиолетового. Ученый выделил семь полос разного оттенка и назвал этот ряд спектром (от латинского видимый).

Сегодня для опытного наблюдения разложения диапазона применяют дифракционные решетки. Это стеклянные пластины с нанесенными бороздками и тонкими отверстиями. С помощью них можно наблюдать разложение не только цветового спектра, но и расщепление самого луча.

Советуем посмотреть видео:

Аномальная дисперсия

Нормальная дисперсия характеризуется тем, что чем выше частота излучения, тем больше угол преломления.

Аномальная же — это разновидность обычного расщипления видимого диапазона, когда при распространении света в веществе показатель преломления уменьшается с увеличением частоты светового потока. То есть обратная зависимость.

На практике отличия между двумя видами явлений можно увидеть в парах некоторых газов. При разложении луча красные волны преломляются больше чем синие, а некоторый диапазон поглощается веществом.

Радуга

Самым ярким и занятным проявлением разложения спектра в природе является радуга. После дождя в насыщенной водными каплями атмосфере солнечные лучи проходит через эти капли. Преломляясь в водных порах поток раскладывается на спектральную полосу.

Солнечный поток может преломляться дважды. Тогда мы видим двойную радугу. При чем, во второй радуге цвета расположены в обратно порядке от фиолетового к красному. Это явление редкое, но объяснимое с точки зрения физики.

Чем выше радуга, там она бледнее и наоборот.

В заключение

Очень часто мы сталкиваемся с явлениями обыденными, объяснить которые мы по-прежнему не всегда можем. Но появление радуги теперь для нас вполне объяснимо. Попробуйте провести ньютоновский опыт с детьми и делитесь своими результатами в комментариях и социальных сетях.

Опыт Ньютона

До второй половины XVII века не было полной ясности, что же такое цвет. Некоторые ученые говорили, что это свойство самого тела, некоторые заявляли, что это различные сочетания светлого и темного, тем самым путая понятия цвета и освещенности. Такой цветовой хаос царил до того времени, пока Исаак Ньютон не провел опыт по пропусканию света сквозь призму (рис. 1).

Рис. 1. Ход лучей в призме (Источник)

Вспомним, что луч, проходящий через призму, терпит преломление при переходе из воздуха в стекло и потом еще одно преломление – из стекла в воздух. Траектория луча описывается законом преломления, а степень отклонения характеризуется показателем преломления. Формулы, описывающие эти явления:

  = n;  ;    =  

Рис. 2. Опыт Ньютона (Источник)

В темной комнате сквозь ставни проникает узкий пучок солнечного света, на его пути Ньютон разместил стеклянную трехгранную призму. Пучок света, проходя через призму, преломлялся в ней, и на экране, стоявшем за призмой, появлялась разноцветная полоса, которую Ньютон назвал спектром (от латинского «spectrum» – «видение»). Белый цвет превратился сразу во все цвета (рис. 2). Какие же выводы сделал Ньютон?

1. Свет имеет сложную структуру (говоря современным языком – белый свет содержит электромагнитные волны разных частот).

2. Свет различного цвета отличается степенью преломляемости (характеризуется разными показателями преломления в данной среде).

3. Скорость света зависит от среды.

Эти выводы Ньютон изложил в своем знаменитом трактате «Оптика». Какова же причина такого разложения света в спектр?

Дисперсия света

Как показывал опыт Ньютона, слабее всего преломлялся красный цвет, а сильнее всего – фиолетовый. Вспомним, что степень преломления световых лучей характеризует показатель преломления n. Красный цвет от фиолетового отличается частотой, у красного частота меньше, чем у фиолетового. Раз показатель преломления становится все больше при переходе от красного конца спектра к фиолетовому, можно сделать вывод: показатель преломления стекла увеличивается с возрастанием частоты света. В этом и состоит суть явления дисперсии.

Вспомним, как показатель преломления связан со скоростью света:

n =  => n ~

n ~ ν; V ~   => ν =

n – показатель преломления

С – скорость света в вакууме

V – скорость света в среде

ν – частота света

Значит, чем больше частота света, тем с меньшей скоростью свет распространяется в стекле, таким образом, наибольшую скорость внутри стеклянной призмы имеет красный цвет, а наименьшую скорость – фиолетовый.  

Различие скоростей света для разных цветов осуществляется только при наличии среды, естественно, в вакууме любой луч света любого цвета распространяется с одной и той же скоростью  м/с. Таким образом мы выяснили, что причиной разложения белого цвета в спектр является явление дисперсии.

Дисперсия – зависимость скорости распространения света в среде от его частоты.

Открытое и исследованное Ньютоном явление дисперсии ждало своего объяснения более 200 лет, лишь в XIX веке голландским ученым Лоренсом была предложена классическая теория дисперсии.

Причина этого явления – во взаимодействии внешнего электромагнитного излучения, то есть света со средой: чем больше частота этого излучения, тем сильнее взаимодействие, а значит, тем сильнее будет отклоняться луч.

Дисперсия, о которой мы говорили, называется нормальной, то есть показатель частоты растет, если частота электромагнитного излучения растет.

В некоторых редко встречающихся средах возможна аномальная дисперсия, то есть показатель преломления среды растет, если частота падает.

Цвет

Мы увидели, что каждому цвету соответствует определенная длина волны и частота. Волна, соответствующая одному и тому же цвету, в разных средах имеет одну и ту же частоту, но разные длины волн. Чаще всего, говоря о длине волны, соответствующей определенному цвету, имеют в виду длину волны в вакууме или воздухе. Свет, соответствующий каждому цвету, является монохроматическим. «Моно» – один, «хромос» – цвет.

Рис. 3. Расположение цветов в спектре по длинам волн в воздухе (Источник)

Самый длинноволновый – это красный цвет (длина волны – от 620 до 760 нм), самый коротковолновый – фиолетовый (от 380 до 450 нм) и соответствующие частоты (рис. 3). Как видите, белого цвета в таблице нет, белый цвет – это совокупность всех цветов, этому цвету не соответствует какая-то строго определенная длина волны.

Чем же объясняются цвета тел, которые нас окружают? Объясняются они способностью тела отражать, то есть рассеивать падающее на него излучение. Например, на какое-то тело падает белый цвет, который является совокупностью всех цветов, но это тело лучше всего отражает красный цвет, а остальные цвета поглощает, то оно нам будет казаться именно красного цвета. Тело, которое лучше всего отражает синий цвет, будет казаться синего цвета и так далее. Если же тело отражает все цвета, оно в итоге будет казаться белым.

Именно дисперсией света, то есть зависимостью показателя преломления от частоты волны, объясняется прекрасное явление природы – радуга (рис. 4).

Рис. 4. Явление радуги (Источник)

Радуга возникает из-за того, что солнечный свет преломляется и отражается капельками воды, дождя или тумана, парящими в атмосфере. Эти капельки по-разному отклоняют свет разных цветов, в результате белый цвет разлагается в спектр, то есть происходит дисперсия, наблюдатель, который стоит спиной к источнику света, видит разноцветное свечение, которое исходит из пространства по концентрическим дугам.

Также дисперсией объясняется и замечательная игра цвета на гранях драгоценных камней.  

Итоги

1. Явление дисперсии – это разложение света в спектр, обусловленное зависимостью показателя преломления от частоты электромагнитного излучения, то есть частоты света. 2. Цвет тела определяется способностью тела отражать или рассеивать ту или иную частоту электромагнитного излучения.

Список литературы

1. Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) – М.: Мнемозина, 2012.
2. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. – М.: Мнемозина, 2014.
3. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика – 9, Москва, Просвещение, 1990.

Домашнее задание

1. Какие выводы сделал Ньютон после опыта с призмой?
2. Дать определение дисперсии.
3. Чем определяется цвет тела?

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал B -i-o-n.ru (Источник).
2. Интернет-портал Sfiz.ru (Источник).
3. Интернет-портал Femto.com.ua (Источник).

Разноцветную полоску, которая образуется при прохождении солнечного света через призму, Ньютон назвал спектром (от лат. spectrum — «видение», «изображение»). В спектре Ньютон выделил семь цветов: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый.

Далеко не все современники Ньютона согласились с этим выводом: слишком необычным казалось предположение. Сам Ньютон нашёл простой и убедительный способ доказать справедливость своего вывода. Для этого он на пути пучка, прошедшего через призму, поместил вторую призму, повёрнутую на (180)° относительно первой. При этом вышедший из второй призмы пучок становился белым.

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

Как известно, показатель преломления среды (n) зависит от скорости света (v) в веществе:

n=cv, где (c) — скорость света в вакууме.

Следовательно, пучок фиолетового цвета преломляется в большей степени потому, что фиолетовый цвет имеет в веществе наименьшую скорость. Красные же лучи преломляются меньше других потому, что их скорость в веществе наибольшая. Впоследствии было установлено, что цвет света и показатель преломления зависят от частоты световой волны. По современным представлениям,

Многообразие цветовой гаммы окружающего мира объясняется явлениями отражения и поглощения света. Если белый свет падает на лист бумаги, то она кажется белой потому, что отражает весь падающий на неё свет. Тело, которое не отражает свет, а поглощает его, видится чёрным, например сажа.

Какими видятся цвета предметов сквозь окрашенные прозрачные стёкла? Зелёное стекло пропускает свет зелёного цвета (красное — красного и т. д.) и поглощает все остальные цвета. Если приложить друг к другу два окрашенных стекла, то сквозь них пройдут лучи только тех цветов, которые пропускаются обоими стеклами. Так, красное и зелёное стёкла, сложенные вместе, почти не пропускают свет.