Наблюдение преломления света

Преломление света и дисперсия. Падая под углом к поверхности и переходя из одной среды в другую, луч света меняет свое первоначальное направление — преломляется. Так, проходя через стеклянную призму, луч преломляется дважды и дает на экране вместо круглого белого пятна ярко окрашенную радужную полоску, называемую спектром. Это явление получило название дисперсии (от латинского слова dispergo — разбрасываю).Этот же оптический эффект приводит к ошибкам в визуальном определении глубины водоема, которая всегда кажется меньше, чем есть на самом деле.

Еще в древности люди заметили, что палка, опущенная в воду, как бы ломается на границе воздух - вода. Вытащенная же из воды, она оказывается целой. Так человек столкнулся с явлением преломления света.

Первым это явление изучал древнегреческий естествоиспытатель Клеомед (1 век нашей эры). Он установил, что луч света, входя по косому направлению в более плотную среду из менее плотной, например, из воздуха в воду, отклоняется этой средой ближе к отвесному направлению, тогда как при обратном переходе луч уклоняется в сторону от этого направления.

Другой древнегреческий ученый Клавдий Птолемей (II век н. э.) известен не только своей геоцентрической системой мира, господствовавшей в науке многие столетия, но и тем, что первым пытался опытным путем определить величину преломления луча света при переходе его из воздуха в воду, из воздуха в стекло и из воды в стекло. Он нашел, что когда свет переходит из воздуха в воду, угол преломления составляет 0,76 от угла падения, при переходе из воздуха в стекло отношение углов равно 0,67, а из воды в стекло - 0,88.

Что такое показатель преломления для непрозрачных тел?

Надо сказать, что понятие прозрачности в некотором роде условно. Любое прозрачное тело можно сделать непрозрачным, "нарастив" его объем. Даже стекло при значительной толщине не пропускает свет, полностью поглощая его. Точно так же любое непрозрачное вещество можно представить себе прозрачным, сделав его настолько тонким, что оно будет пропускать свет. Правда, цвет проходящего сквозь него света, может измениться. Так, тонкие серебряные пленки кажутся на просвет фиолетовыми, а золотые - зелеными.

Почему же проходящий белый свет становится цветным? Как известно, белый свет состоит из многих цветных лучей. Часть из них поглощается пленкой, а другая часть, "прорвавшаяся" сквозь вещество, определяет цвет видимого света.

То, что белый свет состоит из многих цветных лучей, установил Ньютон (1643 - 1727) в 1666 году. Он пропустил солнечный (белый) свет через маленькое отверстие в ставне в затемненную комнату, а на пути луча поставил стеклянную призму. Она преломила солнечный лучик и направила его на стену, на которой тут же возникла радужная полоска - спектр.

Спектр получается потому, что призма по-разному отклоняет лучи разного цвета: слабее всего красный и сильнее всего фиолетовый.

Таким образом, опыт Ньютона показал не только то, что белый свет состоит из многих цветных лучей, но и то, что разные по цвету лучи в одном и том же веществе отклоняются неодинаково. Иначе говоря, показатель преломления зависит от длины волны света, и поэтому на рисунке все показатели преломления указаны для одной и той же конкретной длины волны, а именно 589,3 нанометров (1 нм = 10-7 см), которая соответствует желтому свету.

Занимаясь усовершенствованием телескопов. Ньютон обратил внимание на то, что изображение, даваемое объективом, по краям окрашено. Он заинтересовался этим и первый «исследовал разнообразие световых лучей и проистекающие отсюда особенности цветов, каких до того никто даже не подозревал» (слова из надписи на надгробном памятнике Ньютону). Радужную окраску изображения, даваемого линзой, наблюдали, конечно, и до него. Было замечено также, что радужные края имеют предметы, рассматриваемые через призму. Пучок световых лучей, прошедший через призму, окрашивается по краям.

Основной опыт Ньютона был гениально прост. Ньютон догадался направить на призму световой пучок малого поперечного сечения. Пучок солнечного света проходил в затемненную комнату через маленькое отверстие в ставне. Падая на стеклянную призму, он преломлялся и давал на противоположной стене удлиненное изображение с радужным чередованием цветов. Стилизованное изображение опыта Ньютона показано на рисунке 16. Следуя многовековой традиции, согласно которой радуга считалась состоящей из семи основных цветов. Ньютон тоже выделил семь цветов: фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранже­вый и красный. Саму радужную полоску Ньютон назвал спектром.

Рис. 16

Закрыв отверстие красным стеклом. Ньютон наблюдал на стене только красное пятно, закрыв синим стеклом, наблюдал синее пятно и т. д. Отсюда следовало, что не призма окрашивает белый свет, как предполагалось раньше. Призма не изменяет свет, а лишь разлагает его на составные части (см. рис. I).

Рис. I. Схема разложения белого света с помощью призмы.

Различным цветам соответствуют волны различной длины. Никакой определенной длины волны белому свету не соответствует.

Белый свет имеет сложную структуру. Из него можно выделить пучки различных цветов, и лишь совместное их действие вызывает у нас впечатление белого цвета. В самом деле, если с помощью второй призмы, повернутой на 180° относительно первой, собрать все пучки спектра, то опять получится белый свет (см. рис. II). Выделив же какую-либо часть спектра, например зеленую, и заставив свет пройти еще через одну призму, мы уже не получим дальнейшего изменения окраски.

Рис. II. Разложение и синтез белого света с помощью призм.

Другой важный вывод, к которому пришел Ньютон, был сформулирован им в трактате по «Оптике» следующим образом: «Световые пучки, отличающиеся по цвету, отличаются по степени преломляемости» (для них стекло имеет различные показатели преломления). Наиболее сильно преломляются фиолетовые лучи, меньше других – красные. Зависимость показателя преломления света от его цвета Ньютон назвал дисперсией.

Показатель преломления зависит от скорости света u в веществе. Луч красного цвета преломляется меньше из-за того, что красный свет имеет в веществе наибольшую скорость, а луч фиолетового цвета больше, так как скорость фиолетового света наименьшая. Именно поэтому призма и разлагает свет. В пустоте скорости света разного цвета одинаковы.

Впоследствии была выяснена зависимость цвета от физических характеристик световой волны: частоты колебаний или длины волны.

Дисперсиейназывается зависимость показателя преломления света от частоты колебаний (или длины волны).

Явление дисперсии, открытое Ньютоном, - первый шаг к пониманию природы цвета. Глубина понимания дисперсии пришла после того, как была выяснена зависимость цвета от частоты (или длины) световой волны.

Зная, что белый свет имеет сложную структуру, можно объяснить удивительное многообразие красок в природе. Если предмет, например лист бумаги, отражает все падающие на него лучи различных цветов, то он будет казаться белым. Покрывая бумагу слоем красной краски, мы не создаем при этом света нового цвета, но задерживаем на листе некоторую часть имеющегося. Отражаться теперь будут только красные лучи, остальные же поглотятся слоем краски. Трава и листья деревьев кажутся нам зелеными потому, что из всех падающих на них солнечных лучей они отражают лишь зеленые, поглощая остальные. Если посмотреть на траву через красное стекло, пропускающее лишь красные лучи, то она будет казаться почти черной.

Дисперсией объясняется факт появления радуги после дождя (точнее тот факт, что радуга разноцветная, а не белая). Благодаря дисперсии света, можно наблюдать цветную «игру света» на гранях бриллианта и других прозрачных гранёных материалов.