Disperzija svjetlosti: povijest otkrivanja i opis fenomena

Svijet oko sebe ispunjen je milijunima različitih nijansi. Zbog svojstava svjetla, svaki objekt i objekt oko nas ima određenu boju, percipiranu ljudskim vidom. Proučavanje svjetlosnih valova i njihovih osobina omogućilo je ljudima dublje sagledati prirodu svjetla i njegove pojave. Danas ćemo govoriti o varijansi.

Priroda svjetla

Sa fizičke točke gledišta, svjetlo je kombinacija elektromagnetskih valova različitih duljina i frekvencija. Ljudsko oko ne opaža nijedno svjetlo, već samo ono čija se valna duljina kreće od 380 do 760 nm. Preostale vrste za nas ostaju nevidljive. To uključuje, na primjer, infracrveno i ultraljubičasto zračenje. Poznati znanstvenik Isaac Newton predstavljalo je svjetlo kao usmjereni protok najmanjih čestica. I tek se kasnije pokazalo da je to po prirodi val. Međutim, Newton je još uvijek djelomično bio u pravu. Činjenica je da svjetlo posjeduje ne samo valne, već i korpuskularne osobine. To potvrđuje dobro poznati fenomen fotoelektričnog učinka. Ispada da svjetlosni tok ima dvojnu prirodu.

Spektar boja

Bijelo svjetlo, dostupno ljudskom vidu, je skup nekoliko valova, od kojih je svaki karakteriziran određenom frekvencijom i samo-energijom fotona. U skladu s tim, može se dekomponirati na valove različitih boja. Svaka od njih naziva se monokromatska, a specifična boja ima svoj raspon duljine, frekvenciju valova i energiju fotona. Drugim riječima, energija koju emitira tvar (ili apsorbirana) distribuira se prema gore navedenim pokazateljima. To objašnjava postojanje svjetlosnog spektra. Na primjer zelena boja spektar odgovara frekvenciji u rasponu od 530 do 600 THz, a ljubičasta - od 680 do 790 THz.

Raspršivanje svjetlosti

Svatko od nas je ikad vidio kako zrake svjetlucaju na obrađenim staklenim proizvodima ili, na primjer, na dijamantima. To se može uočiti zbog pojave disperzije svjetlosti. Ovaj efekt odražava ovisnost indeksa loma objekta (tvari, medija) o duljini (frekvenciji) svjetlosnog vala koji prolazi kroz taj objekt. Posljedica ove ovisnosti je razgradnja snopa u spektar boja, na primjer, pri prolasku kroz prizmu. Disperzija svjetlosti izražena je sljedećom jednadžbom:

n = ƒ (ƛ)

gdje je n indeks loma, ƛ je frekvencija, a ƒ valna duljina. Indeks loma povećava se s povećanjem frekvencije i smanjenjem valne duljine. Često promatramo disperziju u prirodi. Njegova najljepša manifestacija je duga, koja se formira zbog raspršenja sunčeve svjetlosti pri prolasku kroz brojne kišne kapi.

Prvi koraci prema otkrivanju disperzije

Kao što je gore spomenuto, pri prolasku kroz prizmu, svjetlosni tok se raspadne u spektar boja, što je Isac Newton detaljno proučio u određenom vremenu. Rezultat njegovog istraživanja bio je otkriće fenomena disperzije 1672. Znanstveni interes za svojstva svjetla pojavio se prije naše ere. Slavni Aristotel već je primijetio da sunčeva svjetlost može imati različite nijanse. Znanstvenik je tvrdio da priroda boje ovisi o "količini tame" koja je prisutna u bijeloj svjetlosti. Ako je puno, onda je tu i ljubičasta boja, a ako je mala, onda crvena. Veliki mislilac je također rekao da je glavna boja svjetlosnih zraka bijela.

Newtonova prethodnica istraživanja

Aristotelovsku teoriju o interakciji tame i svjetla nisu opovrgnuli znanstvenici 16-17 stoljeća. I češki istraživač Marci i engleski fizičar Hariot samostalno su izvodili pokuse s prizmom i bili su čvrsto uvjereni da je uzrok pojavljivanja različitih nijansi spektra upravo miješanje svjetlosnog toka s tamom dok je prolazio kroz prizmu. Na prvi pogled, nalazi znanstvenika mogli bi se nazvati logičnim. No njihovi su pokusi bili vrlo površni i nisu ih mogli podržati dodatnim istraživanjima. To je bilo sve dok Isaac Newton nije preuzeo.

Newtonovo otkriće

Zahvaljujući znatiželjnom umu ovog istaknutog znanstvenika dokazano je da bijelo svjetlo nije glavno svjetlo i da druge boje ne nastaju kao posljedica interakcije svjetla i tame u različitim omjerima. Newton je odbacio ova uvjerenja i pokazao da je bijela svjetlost kompozitna u svojoj strukturi, da je formirana od svih boja svjetlosnog spektra, nazvanog monokromatska. Kao rezultat prolaska svjetlosnog snopa kroz prizmu, nastaje mnoštvo boja zbog raspadanja bijele svjetlosti u njezine konstitutivne valne tokove. Takvi valovi različite frekvencije i duljine prelamaju se u mediju na različite načine, tvoreći određenu boju. Newton je postavio eksperimente koji se još uvijek koriste u fizici. Na primjer, eksperimentira s križnim prizmama, koristeći dvije prizme i zrcalo, kao i prolazak svjetla kroz prizme i perforirani zaslon. Sada znamo da se raspadanje svjetlosti u spektar boja događa zbog različitih brzina prolaza valova različite duljine i frekvencije kroz prozirnu tvar. Kao rezultat toga, neki valovi izlaze iz prizme ranije, drugi - malo kasnije, drugi - čak i kasnije, i tako dalje. Tako je i raspad svjetlosnog toka.

Nenormalna disperzija

Nakon toga, fizičari prošlog stoljeća napravili su još jedno otkriće o disperziji. Francuz Leroux otkrio je da je u nekim sredinama (posebno u parama joda) prekinuta ovisnost koja izražava fenomen disperzije. Fizičar Kundt, koji je živio u Njemačkoj, preuzeo je proučavanje ovog pitanja. Za svoje istraživanje, posudio je jednu od Newtonovih metoda, naime, iskusio je korištenje dvije križene prizme. Jedina razlika bila je u tome što je Kundt umjesto jednog od njih koristio prizmatičnu posudu s otopinom cijanina. Pokazalo se da se indeks loma kada svjetlo prolazi kroz takve prizme povećava, a ne smanjuje, kao što je to bio slučaj u Newtonovim eksperimentima s običnim prizmama. Njemački znanstvenik otkrio je da se taj paradoks promatra kao rezultat fenomena apsorpcije svjetla od strane tvari. U opisanom eksperimentu Kundta, otopina cijanina je djelovala kao medij za apsorpciju, a raspršivanje svjetla za takve slučajeve nazvano je anomalno. U suvremenoj fizici ovaj pojam se gotovo nikada ne koristi. Do danas, normalni Newton otkrio je i kasnije otkrio anomalnu disperziju i smatra se dvjema fenomenima koji pripadaju istoj doktrini i imaju zajedničku prirodu.

Nisko raspršene leće

U fotografiji se disperzija svjetlosti smatra nepoželjnom pojavom. To postaje uzrok tzv kromatska aberacija gdje se na slikama pojavljuju iskrivljene boje. Istodobno, nijanse fotografije ne odgovaraju nijansama objekta za fotografiranje. Ovaj je efekt posebno neugodan za profesionalne fotografe. Zbog disperzije na fotografijama, ne samo da je boja izobličena, nego su i rubovi često zamagljeni ili, obrnuto, izgled pretjerano definirane granice. Globalni proizvođači fotografske opreme suočavaju se s posljedicama takvog optičkog fenomena uz pomoć posebno dizajniranih nisko raspršenih leća. Staklo iz kojeg su izrađeni ima izvrsno svojstvo jednako razbijanja valova s ​​različitim duljinama i frekvencijama. Leće u koje se montiraju nisko raspršene leće nazivaju se akromati.