Дисперсія світла у природі та мистецтві
Дисперсія світла
Кожен із нас колись бачив, як переливаються промені на гранованих виробах зі скла або, наприклад, на діамантах. Спостерігати це можна завдяки такому явищу, як дисперсія світла. Це ефект, що відбиває залежність показника заломлення предмета (речовини, середовища) від довжини (частоти) світлової хвилі, яка проходить через цей предмет. Наслідком такої залежності є розкладання променя на колірний спектр, наприклад, під час проходження через призму.
Дисперсія світла виражається такою рівністю:
де n – показник заломлення, ƛ – частота, а – довжина хвилі. Показник заломлення збільшується зі зростанням частоти та зменшенням довжини хвилі. Дисперсію ми нерідко спостерігаємо у природі.
Найкрасивішим її проявом є веселка, яка утворюється завдяки розсіюванню сонячних променів при проходженні через численні краплі дощу.
Історія відкриття та досліджень.
У 1665-1667 роках в Англії лютувала епідемія чуми, і молодий Ісаак Ньютон вирішив сховатися від неї у своєму рідному Вулсторпі. Перед від'їздом у село він придбав скляні призми, щоб «виконати досліди зі знаменитими явищами квітів».
Вже в 1 столітті нової ери було відомо, що при проходженні через прозорий монокристал із формою шестикутної призми сонячне світло розкладається у кольорову смужку – спектр. Ще раніше, в 4 столітті до нової ери, давньогрецький вчений Арістотель висунув свою теорію кольорів. Він вважав, що основним є сонячне (біле) світло, а всі інші кольори виходять з нього додаванням до нього різної кількості темного світла. Таке уявлення про світло панувало в науці аж до 17 століття, незважаючи на те, що було проведено численні досліди з розкладаннясонячного світла за допомогою скляних призм.
Досліджуючи природу квітів, Ньютон придумав та виконав цілий комплекс різних оптичних експериментів. Деякі з них без істотних змін у методиці використовуються у фізичних лабораторіях досі.
Перший досвід дисперсії був традиційним. Зробивши невеликий отвір у віконниці вікна затемненої кімнати, Ньютон поставив на шляху пучка променів, що проходили через цей отвір, скляну призму. На протилежній стіні він отримав зображення у вигляді смужки квітів, що чергуються. Отриманий таким чином спектр сонячного світла Ньютон розділив на сім кольорів веселки – червоний, помаранчевий, жовтий, зелений, синій, фіолетовий.
У подальших дослідах дисперсії Ньютону вдалося з'єднати кольорові промені в біле світло.
Через війну своїх досліджень Ньютон, на противагу Аристотелю, дійшов висновку, що з змішуванні «білизни і чорноти ніякого кольору немає…». Всі кольори спектру містяться в сонячному світлі, а скляна призма лише розділяє їх, оскільки різні кольори по-різному заломлюються склом. Найбільш сильно заломлюються фіолетові промені, найслабше – червоні.
Згодом вчені встановили теФакт, що, розглядаючи світло як хвилю, кожному кольору слід зіставити свою довжину хвилі. Дуже важливо, що ці довжини хвиль змінюються безперервним чином, відповідаючи різним відтінкам кожного кольору.
Зміна показника заломлення середовища в залежності від довжини хвилі, що поширюється в ній, називається дисперсією (від латинського дієслова «розсіювати»). Показник заломлення звичайного скла близький до 1.5 всім довжин хвиль видимого світла.
Досліди Ньютона та інших вчених показували, що зі збільшенням довжини хвилі світла показник заломлення досліджуваних речовин монотонно зменшується. Однак у 1860 році, вимірюючи показник заломлення парів йоду, французький фізик Леру виявив, що червоні промені заломлюються цією речовиною сильніше, ніж сині. Це явище він назвав аномальною дисперсією світла. Надалі аномальна дисперсія була виявлена у багатьох інших речовинах.
У сучасній фізиці як нормальна, і аномальна дисперсія світла пояснюються єдиним чином. Відмінність нормальної дисперсії від аномальної ось у чому. Нормальна дисперсія відбувається з променями світла, довжина хвилі яких далека від області поглинання хвиль даною речовиною. Аномальна дисперсія спостерігається лише у сфері поглинання.
Якщо уважно придивитися до дисперсії світла, можна знайти її зв'язок з проникаючою здатністю електромагнітних випромінювань. Справді, що коротше довжина хвилі електромагнітного випромінювання, то більше в випромінювання шансів проникнути крізь речовину, у просторі між атомами. Саме тому, рентгенівське і гамма-випромінювання мають дуже велику проникаючу здатність.
Дисперсія світла в природі та мистецтві
Через дисперсію можна спостерігати різні кольори світла.
Веселка, чиї кольори обумовленідисперсією, – один із ключових образів культури та мистецтва.
Завдяки дисперсії світла можна спостерігати кольорову «гру світла» на гранях діаманту та інших прозорих гранованих предметів або матеріалів.
Тією чи іншою мірою райдужні ефекти виявляються досить часто при проходженні світла через будь-які прозорі предмети. У мистецтві можуть спеціально посилюватися, підкреслюватися.
Розкладання світла у спектр (внаслідок дисперсії) при заломленні у призмі – досить поширена тема в образотворчому мистецтві. Наприклад, на обкладинці альбому Dark Side Of The Moon групи Pink Floyd зображено заломлення світла у призмі з розкладанням у спектр.
Відкриття дисперсії стало історія науки дуже значним. На надгробку вченого є напис із такими словами: «Тут спочиває сер Ісаак Ньютон, дворянин, який... перший із смолоскипом математики пояснив рухи планет, шляхи комет і припливи океанів.
Він досліджував відмінність світлових променів і які проявляються при цьому різні властивості кольорів, чого раніше ніхто не підозрював. …Нехай смертні радіють, що існувала така окраса роду людського».