) šviesa (dažnio dispersija), arba, tas pats, šviesos fazės greičio materijoje priklausomybė nuo dažnio (arba bangos ilgio). Eksperimentiškai atrado Niutonas apie 1672 m., nors teoriškai gerai paaiškino daug vėliau.

Erdvinė dispersija yra terpės dielektrinio laidumo tenzoriaus priklausomybė nuo bangos vektoriaus . Ši priklausomybė sukelia daugybę reiškinių, vadinamų erdvinės poliarizacijos efektais.

Enciklopedinis „YouTube“.

1 / 3

Šviesos dispersija ir spektras

Šviesos dispersija ir kūno spalva

šviesos sklaida. Telefono spalvos.

Subtitrai

Savybės ir pasireiškimai

Vienas iliustratyviausių dispersijos pavyzdžių yra baltos šviesos skilimas, kai ji praeina per prizmę (Newtono eksperimentas). Dispersijos reiškinio esmė yra skirtingo bangos ilgio šviesos spindulių sklidimo fazių greičių skirtumas skaidrioje medžiagoje – optinėje terpėje (tuo tarpu vakuume šviesos greitis visada yra vienodas, nepriklausomai nuo bangos ilgio, taigi ir spalva). Paprastai kuo trumpesnis šviesos bangos ilgis, tuo didesnis jai skirtos terpės lūžio rodiklis ir mažesnis bangos fazinis greitis terpėje:

• raudonos šviesos fazinis sklidimo greitis terpėje yra didžiausias, o lūžio laipsnis yra minimalus,
• violetinei šviesai fazinis sklidimo greitis terpėje yra minimalus, o lūžio laipsnis – didžiausias.

Tačiau kai kuriose medžiagose (pavyzdžiui, jodo garuose) pastebimas anomalios dispersijos poveikis, kai mėlyni spinduliai lūžta mažiau nei raudonieji, o kitus spindulius medžiaga sugeria ir išvengiama stebėjimo. Griežtai kalbant, anomali dispersija yra plačiai paplitusi, pavyzdžiui, ji pastebima beveik visose dujose dažniais šalia sugerties linijų, tačiau jodo garuose gana patogu stebėti optiniame diapazone, kur jos labai stipriai sugeria šviesą.

Šviesos sklaida leido pirmą kartą gana įtikinamai parodyti sudėtinį baltos šviesos pobūdį.

Augustin Cauchy pasiūlė empirinę formulę, kaip apytiksliai apskaičiuoti terpės lūžio rodiklio priklausomybę nuo bangos ilgio:

kur λ (\displaystyle \lambda )- bangos ilgis vakuume; a, b, c- konstantos, kurių vertės kiekvienai medžiagai turi būti nustatytos eksperimente. Daugeliu atvejų galite apsiriboti dviem pirmaisiais Koši formulės terminais. Vėliau buvo pasiūlytos kitos tikslesnės, bet kartu ir sudėtingesnės aproksimacinės formulės.

Mus supantis pasaulis užpildytas milijonais skirtingų atspalvių. Dėl šviesos savybių kiekvienas mus supantis objektas ir objektas turi tam tikrą spalvą, kurią suvokia žmogaus regėjimas. Šviesos bangų ir jų savybių tyrimas leido žmonėms giliau pažvelgti į šviesos prigimtį ir su ja susijusius reiškinius. Šiandien pakalbėkime apie sklaidą.

Šviesos prigimtis

Fiziniu požiūriu šviesa yra skirtingo ilgio ir dažnio elektromagnetinių bangų derinys. Žmogaus akis nesuvokia jokios šviesos, o tik tokią, kurios bangos ilgis svyruoja nuo 380 iki 760 nm. Likusios veislės mums lieka nematomos. Tai apima, pavyzdžiui, infraraudonąją ir ultravioletinę spinduliuotę. Garsus mokslininkas Izaokas Niutonas šviesą įsivaizdavo kaip nukreiptą mažiausių dalelių srautą. Ir tik vėliau buvo įrodyta, kad tai iš prigimties yra banga. Tačiau Niutonas vis tiek iš dalies buvo teisus. Faktas yra tas, kad šviesa turi ne tik bangų, bet ir korpuso savybių. Tai patvirtina gerai žinomas fotoelektrinio efekto reiškinys. Pasirodo, šviesos srautas turi dvejopą prigimtį.

Spalvų spektras

Žmogaus regėjimui prieinama balta šviesa yra kelių bangų, kurių kiekvienai būdingas tam tikras dažnis ir sava fotonų energija, derinys. Atsižvelgiant į tai, jis gali būti suskaidytas į skirtingų spalvų bangas. Kiekvienas iš jų vadinamas monochromatiniu, o tam tikra spalva atitinka savo ilgio, bangos dažnio ir fotono energijos diapazoną. Kitaip tariant, medžiagos skleidžiama (arba absorbuojama) energija pasiskirsto pagal minėtus rodiklius. Tai paaiškina šviesos spektro egzistavimą. Pavyzdžiui, žalia spektro spalva atitinka dažnį nuo 530 iki 600 THz, o violetinė - nuo 680 iki 790 THz.

Kiekvienas iš mūsų kada nors matė, kaip spinduliai mirga ant briaunuotų stiklo dirbinių ar, pavyzdžiui, ant deimantų. Tai galima pastebėti dėl tokio reiškinio kaip šviesos sklaida. Tai efektas, atspindintis objekto (medžiagos, terpės) lūžio rodiklio priklausomybę nuo šviesos bangos, kuri praeina per šį objektą, ilgio (dažnio). Šios priklausomybės pasekmė yra pluošto suskaidymas į spalvų spektrą, pavyzdžiui, einant per prizmę. Šviesos sklaida išreiškiama tokia lygtimi:

kur n yra lūžio rodiklis, ƛ yra dažnis ir ƒ yra bangos ilgis. Lūžio rodiklis didėja didėjant dažniui ir mažėjant bangos ilgiui. Mes dažnai stebime sklaidą gamtoje. Gražiausia jos apraiška yra vaivorykštė, kuri susidaro dėl saulės spindulių sklaidos, kai jie praeina per daugybę lietaus lašų.

Pirmieji žingsniai dispersijos atradimo link

Kaip minėta aukščiau, eidamas per prizmę, šviesos srautas suyra į spalvų spektrą, kurį Isaacas Newtonas savo laiku pakankamai išsamiai ištyrė. Jo tyrimų rezultatas – dispersijos reiškinio atradimas 1672 m. Mokslinis susidomėjimas šviesos savybėmis atsirado dar prieš mūsų erą. Garsusis Aristotelis jau tada pastebėjo, kad saulės šviesa gali turėti įvairių atspalvių. Mokslininkas teigė, kad spalvos pobūdis priklauso nuo „tamsos kiekio“, esančio baltoje šviesoje. Jei jo daug, tada atsiranda violetinė spalva, o jei nepakanka, tada raudona. Didysis mąstytojas taip pat sakė, kad pagrindinė šviesos spindulių spalva yra balta.

Niutono pirmtakų tyrimai

Aristotelinės tamsos ir šviesos sąveikos teorijos nepaneigė XVI–XVII amžių mokslininkai. Tiek čekų tyrinėtojas Marzi, tiek anglų fizikas Khariot savarankiškai atliko eksperimentus su prizme ir buvo tvirtai įsitikinę, kad skirtingų spektro atspalvių atsiradimo priežastis yra būtent šviesos srauto maišymasis su tamsa, kai jis praeina per prizmę. Iš pirmo žvilgsnio mokslininkų išvadas būtų galima pavadinti logiškomis. Tačiau jų eksperimentai buvo gana paviršutiniški, ir jie negalėjo jų paremti papildomais tyrimais. Tai buvo tol, kol Isaacas Newtonas perėmė valdžią.

Niutono atradimas

Šio išskirtinio mokslininko smalsaus proto dėka buvo įrodyta, kad balta šviesa nėra pagrindinė, o kitos spalvos iš viso neatsiranda dėl šviesos ir tamsos sąveikos skirtingomis proporcijomis. Niutonas paneigė šiuos įsitikinimus ir parodė, kad balta šviesa yra sudėtinė savo struktūra, ją sudaro visos šviesos spektro spalvos, vadinamos monochromatinėmis. Šviesos pluoštui praeinant per prizmę, baltos šviesos skaidymasis į ją sudarančius bangų srautus susidaro įvairių spalvų. Tokios skirtingo dažnio ir ilgio bangos lūžta terpėje skirtingais būdais, suformuodamos tam tikrą spalvą. Niutonas sukūrė eksperimentus, kurie vis dar naudojami fizikoje. Pavyzdžiui, eksperimentai su sukryžiuotomis prizmėmis, naudojant dvi prizmes ir veidrodį, taip pat leidžiant šviesą per prizmes ir perforuotą ekraną. Dabar mes žinome, kad šviesos skaidymasis į spalvų spektrą atsiranda dėl skirtingo ilgio ir dažnio bangų, kurios praeina per skaidrią medžiagą, greičio. Dėl to vienos bangos iš prizmės išeina anksčiau, kitos kiek vėliau, dar kitos vėliau ir pan. Taip vyksta šviesos srauto irimas.

Nenormali dispersija

Ateityje praėjusio amžiaus fizikai padarė dar vieną atradimą dėl dispersijos. Prancūzas Leroux atrado, kad kai kuriose terpėse (ypač jodo garuose) pažeidžiama dispersijos reiškinį išreiškianti priklausomybė. Vokietijoje gyvenęs fizikas Kundtas ėmėsi šios problemos tyrimo. Savo tyrimui jis pasiskolino vieną iš Niutono metodų, būtent eksperimentą naudojant dvi sukryžiuotas prizmes. Vienintelis skirtumas buvo tas, kad vietoj vieno iš jų Kundtas naudojo prizminį indą su cianino tirpalu. Paaiškėjo, kad šviesai praeinant pro tokias prizmes lūžio rodiklis didėja, o ne mažėja, kaip atsitiko Niutono eksperimentuose su įprastomis prizmėmis. Vokiečių mokslininkas išsiaiškino, kad šis paradoksas pastebimas dėl tokio reiškinio kaip šviesos sugertis materijoje. Kundto aprašytame eksperimente sugerianti terpė buvo cianino tirpalas, o šviesos sklaida tokiais atvejais buvo vadinama anomalija. Šiuolaikinėje fizikoje šis terminas praktiškai nevartojamas. Šiandien Niutono atrasta normali dispersija ir vėliau atrasta anomali dispersija laikomos dviem reiškiniais, susijusiais su ta pačia doktrina ir turinčiais bendrą pobūdį.

Mažos dispersijos lęšiai

Fotografijoje šviesos sklaida laikoma nepageidaujamu reiškiniu. Tai sukelia vadinamąją chromatinę aberaciją, kurios metu spalvos vaizduose atrodo iškraipytos. Nuotraukos atspalviai nesutampa su fotografuojamo objekto atspalviais. Šis efektas tampa ypač nemalonus profesionaliems fotografams. Dėl sklaidos nuotraukose ne tik iškraipomos spalvos, bet ir dažnai neryškūs kraštai arba, atvirkščiai, atsiranda pernelyg apibrėžta riba. Pasauliniai fototechnikos gamintojai su tokio optinio reiškinio pasekmėmis susidoroja pasitelkę specialiai sukurtus mažos dispersijos lęšius. Stiklas, iš kurio jie pagaminti, turi puikią savybę vienodai laužti bangas, kurių ilgis ir dažnis skiriasi. Objektai su mažos dispersijos lęšiais vadinami achromatais.

Kartais, kai po stiprios liūties vėl pasirodo saulė, galima pamatyti vaivorykštę. Taip yra todėl, kad oras yra prisotintas smulkių vandens dulkių. Kiekvienas vandens lašas ore atlieka mažos prizmės vaidmenį, susmulkindamas šviesą į skirtingas spalvas.

Maždaug prieš 300 metų I. Niutonas perleido saulės spindulius per prizmę. Jis atrado, kad balta šviesa yra „nuostabus spalvų mišinys“.

Tai yra įdomu… Kodėl baltos šviesos spektre yra tik 7 spalvos?

Taigi, pavyzdžiui, Aristotelis nurodė tik tris vaivorykštės spalvas: raudoną, žalią, violetinę. Niutonas iš pradžių nustatė penkias vaivorykštės spalvas, o vėliau – dešimt. Tačiau vėliau jis apsistojo ties septyniomis spalvomis. Pasirinkimas greičiausiai paaiškinamas tuo, kad skaičius septyni buvo laikomas „stebuklingu“ (septyni pasaulio stebuklai, septynios savaitės ir pan.).

Šviesos sklaidą pirmą kartą eksperimentiškai pastebėjo Niutonas 1666 m., kai siauras saulės spindulys buvo praleistas per stiklinę prizmę. Iš gauto baltos šviesos spektro jis išskyrė septynias spalvas: Remdamasis šia patirtimi Niutonas padarė išvadą, kad „spalvomis besiskiriantys šviesos pluoštai skiriasi lūžio laipsniu“. Violetiniai spinduliai lūžta stipriausiai, raudonieji – mažiausiai.

Balta šviesa yra sudėtinga šviesa, susidedanti iš skirtingo bangos ilgio (dažnio). Kiekviena spalva turi savo bangos ilgį ir dažnį: raudona, oranžinė, žalia, mėlyna, mėlyna, violetinė – toks šviesos skilimas vadinamas spektru.

Įvairių spalvų bangos prizmėje lūžta skirtingai: mažiau raudonos, daugiau violetinės. Prizmė nukreipia skirtingų spalvų bangas skirtingais kampais.. Jų elgesys paaiškinamas tuo, kad šviesos bangoms pereinant iš oro į stiklinę prizmę, „raudonųjų“ bangų greitis keičiasi mažiau nei „violetinių“. Taigi, kuo trumpesnis bangos ilgis (kuo didesnis dažnis), tuo didesnis terpės lūžio rodiklis tokioms bangoms.

Sklaida – tai šviesos lūžio rodiklio priklausomybė nuo virpesių dažnio (arba bangos ilgio).

Skirtingo spalvingumo bangoms tam tikros medžiagos lūžio rodikliai yra skirtingi; dėl to, nukreipus prizmę, balta šviesa suyra į spektras.

Kai monochromatinė šviesos banga pereina iš oro į materiją, šviesos bangos ilgis mažėja, svyravimų dažnis išlieka nepakitęs. Spalva išlieka nepakitusi.

Kai visos spektro spalvos susilieja, susidaro balta šviesa.

Kodėl mes matome spalvotus objektus? Dažai nesukuria spalvos, jis selektyviai sugeria arba atspindi šviesą.

Pagrindinė santrauka:

Klausimai savikontrolei tema „Šviesos sklaida“

1. Kas yra šviesos sklaida?
2. Nubraižykite diagramas baltos šviesos spektrui gauti naudojant stiklinę prizmę.
3. Kodėl balta šviesa praeina per prizmę, išskirdama spektrą?
4. Palyginkite raudonos ir violetinės šviesos lūžio rodiklius.
5. Kuri šviesa prizmėje sklinda greičiau, raudona ar violetinė?
6. Kaip banginės optikos prasme paaiškinti spalvų įvairovę gamtoje?
7. Kokia spalva bus matoma per raudonos šviesos filtrą aplink objektus? Kodėl?

Šviesos spindulys, einantis per trikampę prizmę, nukreipiamas į paviršių, priešingą prizmės lūžimo kampui. Tačiau, jei tai yra būtent baltos šviesos spindulys, tada, kai jis praeis per prizmę, jis bus ne tik nukreiptas, bet ir suskaidytas į spalvotus pluoštus. Šis reiškinys vadinamas šviesos dispersija. Pirmą kartą jis buvo tiriamas atliekant daugybę nuostabių eksperimentų.

Niutono eksperimentų šviesos šaltinis buvo nedidelė apvali skylutė, esanti saulės spindulių apšviesto lango sklendėje. Kai prieš skylę buvo pastatyta prizmė, vietoj apvalios dėmės ant sienos atsirado spalvota juostelė, vadinama Niutono spektru. Tokį spektrą sudaro septynios pagrindinės spalvos: raudona, oranžinė, geltona, žalia, mėlyna, indigo ir violetinė, kurios palaipsniui pereina viena į kitą. Kiekvienas iš jų spektre užima skirtingo dydžio erdvę. Violetinė juostelė yra ilgiausia, o raudona - trumpiausia.

Kitas eksperimentas buvo susijęs su tuo, kad iš plataus spalvotų spindulių pluošto, gauto naudojant prizmę, siauri tam tikros spalvos pluoštai išsiskyrė ekranu su maža skylute ir buvo nukreipti į antrąją prizmę.

Juos nukreipianti prizmė nekeičia šių spindulių spalvos. Tokie spinduliai vadinami paprastais arba vienspalviais (vienos spalvos).

Patirtis rodo, kad raudoni spinduliai jaučia mažesnį nukrypimą nei violetiniai, t.y. Skirtingų spalvų spindulius prizmė lūžta skirtingai.

Surinkęs iš prizmės išlindusius spindulių pluoštus, Niutonas baltame ekrane vietoj spalvotos juostelės gavo baltą skylės vaizdą.

Iš visų atliktų eksperimentų Niutonas padarė tokias išvadas:

• balta šviesa iš prigimties yra sudėtinga šviesa, kurią sudaro spalvoti spinduliai;
• skirtingų spalvų šviesos spinduliai taip pat turi skirtingus medžiagos lūžio rodiklius; dėl to, kai baltos šviesos spindulį nukreipia prizmė, jis suyra į spektrą;
• jei sujungsite spalvotus spektro spindulius, vėl gausite baltą šviesą.

Taigi šviesos sklaida yra reiškinys, atsirandantis dėl medžiagos priklausomybės nuo bangos ilgio (arba dažnio).

Šviesos sklaida pastebima ne tik šviesai pereinant per prizmę, bet ir įvairiais kitais šviesos lūžio atvejais. Taigi, ypač saulės šviesos lūžimą vandens lašuose lydi jos skilimas į įvairiaspalvius spindulius, tai paaiškina vaivorykštės susidarymą.

Norėdamas gauti spektrą, Niutonas nukreipė gana platų cilindrinį saulės spindulių spindulį per sklendėje padarytą apvalią skylę į prizmę.

Tokiu būdu gautas spektras yra daugiaspalvių apvalios skylės vaizdų, iš dalies uždėtų vienas ant kito, serija. Norėdami gauti grynesnį spektrą, tirdamas tokį reiškinį kaip šviesos dispersija, Niutonas pasiūlė naudoti ne apvalią skylę, o siaurą plyšį, lygiagrečią prizmės lūžimo kraštui. Naudojant objektyvą, ekrane gaunamas aiškus plyšio vaizdas, po kurio už objektyvo įrengiama prizmė, kuri suteikia spektrą.

Gryniausi ir ryškiausi spektrai gaunami naudojant specialius instrumentus – spektroskopus ir spektrografus.

Šviesos sugertis yra reiškinys, kai šviesos bangos energija mažėja, kai ji praeina per medžiagą. Taip yra dėl to, kad šviesos bangos energija virsta antrinės spinduliuotės energija, arba, kitaip tariant, medžiaga, kuri turi skirtingą spektrinę sudėtį ir kitas sklidimo kryptis.

Šviesos sugertis gali sukelti medžiagos kaitinimą, molekulių ar atomų jonizaciją arba sužadinimą, fotochemines reakcijas ir kitus cheminės medžiagos procesus.

APIBRĖŽIMAS

Šviesos sklaida vadinkite medžiagos lūžio rodiklio (n) priklausomybę nuo šviesos dažnio () arba bangos ilgio () vakuume (dažnai indeksas 0 praleidžiamas):

Kartais dispersija apibrėžiama kaip šviesos bangų fazinio greičio (v) priklausomybė nuo dažnio.

Gerai žinoma dispersijos pasekmė yra baltos šviesos skilimas į spektrą, kai ji praeina per prizmę. I. Niutonas pirmasis užfiksavo savo stebėjimus apie šviesos sklaidą. Sklaida yra atomų poliarizacijos priklausomybės nuo dažnio pasekmė.

Grafinė lūžio rodiklio priklausomybė nuo dažnio (arba bangos ilgio) – dispersijos kreivė.

Dispersija atsiranda dėl elektronų ir jonų virpesių.

Šviesos sklaida prizmėje

Jei monochromatinis šviesos pluoštas kampu pataiko į prizmę, kurios lūžio rodiklis lygus n (1 pav.), tai po dvigubos lūžio spindulys nukrypsta nuo pradinės krypties kampu:

Jei kampai A, yra maži, tai visi kiti kampai (2) formulėje yra maži. Šiuo atveju lūžio dėsnį galima parašyti ne pagal šių kampų sinusus, o tiesiogiai pagal pačius kampus radianais:

Tai žinodami, turime:

Todėl spindulių nukrypimo kampas naudojant prizmę yra tiesiogiai proporcingas prizmės lūžio kampui:

ir priklauso nuo vertės. Ir mes žinome, kad lūžio rodiklis yra bangos ilgio funkcija. Pasirodo, skirtingo bangos ilgio spinduliai, praėję per prizmę, nukrypsta skirtingais kampais. Tampa aišku, kodėl baltos šviesos spindulys suskaidys į spektrą.

Medžiagos dispersija

Reikšmė (D) lygi:

paskambino medžiagų dispersija. Tai rodo, kaip greitai keičiasi lūžio rodiklis priklausomai nuo bangos ilgio.

Skaidrių medžiagų lūžio rodiklis didėja monotoniškai mažėjant bangos ilgiui, o tai reiškia, kad mažėjant bangos ilgiui D absoliuti reikšmė didėja. Ši dispersija vadinama normalia. Normalios dispersijos reiškinys yra prizminių spektrografų, kurie gali būti naudojami tiriant šviesos spektrinę sudėtį, veikimo pagrindas.

Problemų sprendimo pavyzdžiai

1 PAVYZDYS

2 PAVYZDYS