Реферат: Дисперсия света

1.3. Первые опыты с призмами. Представления о при­чинах возникновения цветов до Ньютона

Описанный опыт является, по сути дела, древним. Уже в I в. н. э. было известно, что большие монокристаллы (шестиугольные призмы, изготовленные самой приро­дой) обладают свойством разлагать свет на цвета. Первые исследования дисперсии света в опытах со стеклянной треугольной призмой выполнил англича­нин Хариот (1560—1621). Независимо от него анало­гичные опыты проделал известный чешский естество­испытатель Марци (1595 — 1667), который установил, что каждому цвету соответствует свой угол прелом­ления. Однако до Ньютона подобные наблюдения не подвергались достаточно серьезному анализу, а де­лавшиеся на их основе выводы не перепроверялись дополнительными экспериментами. В результате в науке тех времен долго господствовали представления, неправильно объяснявшие возникновение цветов.

Говоря об этих представлениях, следует начать с теории цветов Аристотеля (IV в. до н. э.). Аристо­тель утверждал, что различие в цвете определяется различием в количестве темноты, «примешиваемой» к солнечному (белому) свету. Фиолетовый цвет, по Аристотелю, возникает при наибольшем добавлении темноты к свету, а красный — при наименьшем. Та­ким образом, цвета радуги — это сложные цвета, а основным является белый свет. Интересно, что появ­ление стеклянных призм и первые опыты по наблю­дению разложения света призмами не породили со­мнений в правильности аристотелевой теории возникновения цветов. И Хариот, и Марци оставались по­следователями этой теории. Этому не следует удив­ляться, так как на первый взгляд разложение света призмой на различные цвета, казалось бы, подтверж­дало представления о возникновении цвета в резуль­тате смешения света и темноты. Радужная полоска возникает как раз на переходе от теневой полосы к освещенной, т. е. на границе темноты и белого света. Из того факта, что фиолетовый луч проходит внутри призмы наибольший путь по сравнению с другими цветными лучами, не­мудрено сделать вывод, что фиолетовый цвет возни­кает при наибольшей утрате белым светом своей «белизны» при прохождении через призму. Иначе го­воря, на наибольшем пути происходит и наибольшее примешивание темноты к белому свету.

Ложность подобных выводов нетрудно было дока­зать, поставив соответствующие опыты с теми же призмами. Однако до Ньютона никто этого не сде­лал.

1.4. Опыты Ньютона с призмами . Ньютоновская теория возникновения цветов

Великий английский ученый Исаак Ньютон выполнил целый комплекс оптических экспериментов с призмами, подробно описав их в «Оптике», «Новой теории света и цветов», а также в «Лекциях по оптике». Ньютон убедительно доказал ложность представлений о возникновении цветов из смешения темноты и белого света. На основании про­деланных опытов он смог заявить: «Никакого цвета не возникает из белизны и черноты, смешанных вме­сте, кроме промежуточных темных; количество света не меняет вида цвета». Ньютон показал, что белый свет не является основным, его надо рассматривать как составной (по Ньютону, «неоднородный»; по со­временной терминологии, «немонохроматический»); основными же являются различные цвета («однород­ные» лучи или, иначе, «монохроматические» лучи). Возникновение цветов в опытах с призмами есть ре­зультат разложения составного (белого) света на основные составляющие (на различные цвета). Это разложение происходит по той причине, что каждому цвету соответствует своя степень преломляемости. Таковы основные выводы, сделанные Ньютоном; они прекрасно согласуются с современными научными представлениями.

Выполненные Ньютоном оптические исследования представляют большой интерес не только с точки зре­ния полученных результатов, но также и с методиче­ской точки зрения. Разработанная Ньютоном мето­дика исследований с призмами (в частности, метод скрещенных призм) пережила века и вошла в арсе­нал современной физики.

Приступая к оптическим исследованиям, Ньютон ставил перед собой задачу «не объяснять свойства света гипотезами, но изложить и доказать их рассуж­дениями и опытами». Проверяя то или иное положе­ние, ученый обычно придумывал и ставил несколько различных опытов. Он подчеркивал, что необходимо использовать разные способы «проверить то же са­мое, ибо испытующему обилие не мешает».

Рассмотрим некоторые наиболее интересные опы­ты Ньютона с призмами и те выводы, к которым при­шел ученый на основании полученных результатов. Большая группа опытов была посвящена проверке соответствия между цветом лучей и степенью их пре­ломляемости (иначе говоря, между цветом и величи­ной показателя преломления). Выделим три таких опыта.

Опыт 1. Прохождение света через скрещенные призмы. Перед отверстием А, пропускающим в затем­ненную комнату узкий пучок солнечных лучей, поме­щают призму с горизонтально ориентированным пре­ломляющим ребром (рис. 4.3,а).

На экране возни­кает вытянутая по вертикали цветная полоска КФ, крайняя нижняя часть которой окрашена в красный цвет, а крайняя верхняя — в фиолетовый. Обведем карандашом контуры полоски на экране. Затем поместим между рассматриваемой призмой я экраном еще одну такую же призму, но при этом преломляю­щее ребро второй призмы должно быть ориентиро­вано вертикально, т. е. перпендикулярно к прелом­ляющему ребру первой призмы. Световой пучок, вы­ходящий из отверстия А, проходит последовательно через две скрещенные призмы. На экране возникает полоска спектра К'Ф', смещенная относительно кон­тура КФ по оси Х. При этом фиолетовый конец поло­ски оказывается смещенным в большей мере, нежели красный, так что полоска спектра выглядит наклонен­ной к вертикали. Ньютон приходит к выводу: если опыт с одиночной призмой позволяет утверждать, что лучам с разной степенью преломляемости соответ­ствуют разные цвета, то опыт со скрещенными призма­ми доказывает также и обратное положение — лучи разного цвета обладают разной степенью преломляе­мости. Действительно, луч, наиболее преломляющийся в первой призме, есть фиолетовый луч; проходя затем через вторую призму, этот фиолетовый луч испыты­вает наибольшее преломление. Обсуждая результаты опыта со скрещенными призмами, Ньютон отмечал: «Из этого опыта следует также, что преломления отдельных лучей протекают по тем же законам, находят­ся ли они в смеси с лучами других родов, как в белом свете, или преломляются порознь или предваритель­ном обращении света в цвета».

На рис. 4.4 представлен еще один вариант опыта со скрещенными призмами: через призмы проходят два одинаковых световых пучка. Оба пучка формируют на экране одинаковые полоски спектра, несмот­ря на то, что в первой призме лучи одного и того же цвета (но из разных пучков) проходят пути разной длины.

Рис. 4.4.

Тем самым опровергалось отмеченное выше предположение, что цвет зависит от длины пути луча внутри призмы.

Опыт 3. Прохождение света через систему, со­стоящую из двух призм и отражающего зеркала.

Рис. 4.5.

Пучок солнечных лучей, выходя из отвер­стия А, проходит через призму 1 и затем попадает на зеркало 2. Ориентируем зеркало таким образом, чтобы послать на призму 3 только ту часть лучей, которые преломляются в наибольшей степени. Пре­ломившись в призме 3, эти лучи попадают на экран в районе точки В. Затем передвинем зеркало 2, по­местив его теперь так, чтобы оно посылало на призму 3 те лучи, которые преломляются в наименьшей степени (см. штриховое изображение). Испытав преломление в призме 3, эти лучи попадут на экран в районе точки С. Ясно видно, что те лучи, которые преломляются в наибольшей степени в первой приз­ме, будут наиболее сильно преломляться и во второй призме.

Все эти опыты позволили Ньютону сделать уве­ренное заключение: «Опытами доказывается, что лу­чи, различно преломляемые, имеют различные цвета; доказывается и обратное, что лучи, разно окрашен­ные, есть лучи, разно преломляемые».

Далее Ньютон ставит вопрос: «Возможно ли из­менить цвет лучей какого-либо рода в отдельности преломлением?» Выполнив серию тщательно проду­манных опытов, ученый приходит к отрицательному ответу на поставленный вопрос. Рассмотрим один из таких опытов.

Опыт 4. Прохождение света через призмы и эк­раны со щелями

Рис. 4.6.

Пучок солнечных лучей разлагается на цвета призмой 1. Через отверстие В в экране, поставленном за призмой, проходит часть лучей некоторого определенного цвета. Эти лучи за­тем проходят через отверстие С во втором экране, после чего попадают на призму 2. Поворачивая приз­му 1, можно при помощи экранов с отверстиями вы­делять из спектра лучи того или иного цвета и иссле­довать их преломление в призме 2. Опыт показал, что преломление в призме 2 не приводит к измене­нию цвета лучей.

Окончательный вывод Ньютон сформулировал сле­дующим образом: «Вид цвета и степень преломляе­мости, свойственные каждому отдельному сорту лу­чей, не изменяются ни преломлением, ни отражением, ни какой-либо иной причиной, которую я мог наблю­дать. Если какой-нибудь сорт лучей был хорошо от­делен от лучей другого рода, то после этого он упор­но удерживал свою окраску, несмотря на мои край­ние старания изменить ее».

1.5. Открытие аномальной дисперсии света. Опыты Кундта

До второй половины XIX века считали, что этот вывод справедлив всегда. Но вот в 1860 г. фран­цузский физик Леру, проводя измерения показателя преломления для ряда веществ, неожиданно обна­ружил, что пары йода преломляют синие лучи в мень­шей степени, нежели красные. Леру назвал обнару­женное им явление аномальной дисперсией света. Если при обычной (нормальной) дисперсии показа­тель преломления с ростом длины волны умень­шается, то при аномальной (необычной) дисперсии показатель преломления, наоборот, увеличивается. Явление аномальной дисперсии было детально иссле­довано немецким физиком Кундтом в 1871—1872 гг. При этом Кундт воспользовался методом скрещенных призм, который был предложен в свое время Ньюто­ном.

На рис. 4.10, а воспроизведена уже знакомая картина: при прохождении через две скре­щенные стеклянные призмы свет дает на экране на­клоненную полоску спектра. Теперь предположим, что одна из стеклянных призм заменена полой призмати­ческой кюветой, заполненной раствором органиче­ского соединения, называемого цианином; именно та­кую призму использовал Кундт в одном из своих опытов. Схема опыта Кундта

представлена на рис. 4.10, где 1 — стеклянная призма, а 2 — призма, заполненная раствором цианина. Стеклянная призма дает нормальную дисперсию. Так как ее преломляю­щее ребро ориентировано вниз, то ось длин волн для пучка лучей, выходящих из данной призмы, также направлена вниз (ось l на экране). Вдоль перпенди­кулярного направления на экране (вдоль оси n) откладываются значения показателя преломления ве­щества, заполняющего вторую призму. На экране на­блюдается весьма специфическая картина спектра, ка­чественно отличающаяся от той, какую наблюдал в своих опытах Ньютон. Видно, что n(l₁ ) < n(l₂ ), хотя l₁ < l₂ . Заслуга Кундта заключается не только в том, что он убедительно продемонстрировал явление аномальной дисперсии, но и в том, что он указал на связь этого явления с поглощением света в веществе. Указанная на рисунке длина волны l_о есть длина волны, вблизи которой наблюдается сильное погло­щение света в растворе цианина.

Последующие исследования аномальной дисперсии света показали, что наиболее интересные экспе­риментальные результаты получаются, когда вместо двух скрещенных призм используется, например, призма и интерферометр. Такая эксперименталь­ная методика была применена известным русским физиком Д. С. Рождественским в начале XX в. Рис. 4.11, воспроизведенный с фотографии, полученной Д. С. Рождественским, демонстрирует явление ано­мальной дисперсии в парах натрия. Внеся в используемую методику существенные усовершенствования, ученый разработал так называемый «метод крюков», широко применяемый в современной экспериментальной оптике.

Рис. 4.11

Согласно современным представлениям и нор­мальная, и аномальная дисперсии рассматриваются как явления единой природы, описываемые в рамках единой теории. Эта теория основывается на электромагнитной

?????? ?????, ? ????? ???????, ? ?? ???????????? ?????? ????????, ? ? ??????. ?????? ??????, ?????? ??????????? ?????????? ????????? ??????? ???? ???????????? ?????. ? ??????????? ???????, ?????????? ????????? ? ??? ????????? ????? ?? ???? ????, ??? ??????? ??????????? ??????????

Рис. 4.12

света данным веществом, тогда как аномальная дисперсия — это дисперсия в области по­лос поглощения света веществом. На рис. 4.12 показана ха­рактерная зависимость по­казателя преломления от длины волны света для не­которого вещества, сильно поглощающего вблизи l_о . В незаштрихованной области наблюдается нормаль­ная дисперсия, а в заштрихованной — аномальная.

Эту призму называют призмой Лове. Мы говорили, что в данной призме разложение света на цвета не наблюдается на практике вследствие того, что все лучи выходят из призмы параллельно друг другу и исходный пучок имеет некоторую ширину.

Глава II

2.1. РАДУГА

Радуга — это оптическое явление, связанное с преломлением световых лучей на многочисленных капельках дождя. Однако далеко не все знают, как именно преломление света на капельках дождя приводит к возникновению на небосводе гигантской многоцветной дуги. Поэтому полезно подробнее остановиться на физическом объяснении этого эффектного оптического явления.

Радуга глазами внимательного наблюдателя. Прежде всего заметим, что радуга может наблюдаться только в стороне, противоположной Солнцу. Если встать лицом к радуге, то Солнце окажется сзади. Радуга возникает, когда Солнце освещает завесу дождя. По мере того как дождь стихает, а затем прекращается, радуга блекнет и постепенно исчезает. Наблюдаемые в радуге цвета чередуются в такой же последовательности, как и в спектре, получаемом при пропускании пучка солнечных лучей через призму. При этом внутренняя (обращенная к поверхности Земли) крайняя область радуги окрашена в фиолетовый цвет, а внешняя крайняя область — в красный. Нередко над основной радугой возникает еще одна (вторичная) радуга — более широкая и размытая. Цвета во вторичной радуге чередуются в обратном порядке: от красного (крайняя внутренняя область дуги) до фиолетового (крайняя внешняя область).