Разсейване на светлината в природата и изкуството
Дисперсия на светлината
Всеки от нас някога е виждал как лъчите блестят върху фасетирани стъклени съдове или, например, върху диаманти. Това може да се наблюдава поради такова явление като дисперсията на светлината. Това е ефект, който отразява зависимостта на индекса на пречупване на даден обект (вещество, среда) от дължината (честотата) на светлинната вълна, която преминава през този обект. Следствието от тази зависимост е разлагането на лъча в цветен спектър, например при преминаване през призма.
Дисперсията на светлината се изразява със следното уравнение:
където n е индексът на пречупване, ƛ е честотата и ƒ е дължината на вълната. Коефициентът на пречупване се увеличава с увеличаване на честотата и намаляване на дължината на вълната. Често наблюдаваме дисперсия в природата.
Най-красивото му проявление е дъгата, която се образува поради разсейването на слънчевите лъчи, когато те преминават през множество дъждовни капки.
История на откритията и изследванията.
През 1665-1667 г. в Англия бушува чумна епидемия и младият Исак Нютон решава да се скрие от нея в родния си Улсторп. Преди да замине за провинцията, той се сдобива със стъклени призми, за да „експериментира с известните феномени на цветовете“.
Още през 1 век от н. е. е известно, че при преминаване през прозрачен монокристал с форма на шестоъгълна призма слънчевата светлина се разлага на цветна ивица – спектър. Още по-рано, през 4 век пр.н.е., древногръцкият учен Аристотел излага своята теория за цветовете. Той вярваше, че основната е слънчевата (бяла) светлина, а всички останали цветове се получават от нея чрез добавяне на различни количества тъмна светлина към нея. Тази идея за светлината доминира в науката до 17 век, въпреки факта, че са проведени множество експерименти за разлаганеслънчева светлина през стъклени призми.
Изследвайки природата на цветовете, Нютон измисли и извърши цял набор от различни оптични експерименти. Някои от тях, без съществени промени в методологията, все още се използват във физическите лаборатории.
Първият експеримент върху дисперсията беше традиционен. След като направи малък отвор в капака на прозореца на затъмнена стая, Нютон постави стъклена призма на пътя на лъча от лъчи, преминаващ през този отвор. На противоположната стена той получи изображение под формата на лента с редуващи се цветове. Нютон разделя така получения спектър на слънчевата светлина на седем цвята на дъгата - червен, оранжев, жълт, зелен, син, индиго, виолетов.
В следващите експерименти върху дисперсията Нютон успява да комбинира цветни лъчи в бяла светлина.
В резултат на своите изследвания Нютон, за разлика от Аристотел, стигна до извода, че при смесване на "белота и чернота не възниква цвят ...". Всички цветове от спектъра се съдържат в самата слънчева светлина, а стъклената призма само ги разделя, тъй като различните цветове се пречупват по различен начин от стъклото. Най-силно се пречупват виолетовите лъчи, най-слабо червените.
Впоследствие учените установиха, чефактът, че разглеждайки светлината като вълна, всеки цвят трябва да бъде свързан със собствената си дължина на вълната. Много е важно тези дължини на вълните да се променят непрекъснато, съответствайки на различни нюанси на всеки цвят.
Изменението на коефициента на пречупване на дадена среда в зависимост от дължината на вълната, разпространяваща се в нея, се нарича дисперсия (от латинския глагол "разпръсквам"). Коефициентът на пречупване на обикновеното стъкло е близо до 1,5 за всички дължини на вълните на видимата светлина.
Експериментите на Нютон и други учени показват, че с увеличаване на дължината на вълната на светлината коефициентът на пречупване на изследваните вещества намалява монотонно. Въпреки това, през 1860 г., докато измерва коефициента на пречупване на йодните пари, френският физик Leroux откри, че червените лъчи се пречупват от това вещество по-силно от сините. Той нарече това явление аномална дисперсия на светлината. Впоследствие аномална дисперсия беше открита в много други вещества.
В съвременната физика както нормалната, така и аномалната дисперсия на светлината се обясняват по един-единствен начин. Разликата между нормална и аномална дисперсия е следната. Нормалната дисперсия възниква при светлинни лъчи, чиято дължина на вълната е далеч от областта на поглъщане на вълните от дадено вещество. Аномална дисперсия се наблюдава само в областта на абсорбция.
Ако се вгледате внимателно в дисперсията на светлината, можете да откриете връзката й с проникващата сила на електромагнитното излъчване. Наистина, колкото по-къса е дължината на вълната на електромагнитното излъчване, толкова повече шансове радиацията има да проникне през материята, в пространството между атомите. Ето защо рентгеновото и гама-лъчението имат много голяма проникваща способност.
Разпръскване на светлината в природата и изкуството
Поради дисперсията могат да се наблюдават различни цветове на светлината.
Дъга, чиито цветове се дължатдисперсията е един от ключовите образи на културата и изкуството.
Благодарение на дисперсията на светлината може да се наблюдава цветната "игра на светлина" върху фасетите на диамант и други прозрачни фасетирани предмети или материали.
До известна степен, преливащи се ефекти се срещат доста често, когато светлината преминава през почти всеки прозрачен обект. В изкуството те могат да бъдат специално усилени, подчертани.
Разлагането на светлината в спектър (поради дисперсия) по време на пречупване в призма е доста често срещана тема във визуалните изкуства. Например обложката на албума на Pink Floyd Dark Side Of The Moon изобразява пречупването на светлината в призма с разлагане в спектър.
Откриването на дисперсията стана много важно в историята на науката. Върху надгробната плоча на учения има надпис със следните думи: „Тук лежи сър Исак Нютон, благородник, който ... беше първият с факел на математиката, който обясни движенията на планетите, пътищата на кометите и приливите и отливите на океаните.
Той изследва разликата в светлинните лъчи и различните свойства на цветовете, проявени в това, което никой преди не е подозирал. …Нека смъртните се радват, че е имало такова украшение на човешката раса.“