Физика. 11 класс

Классический опыт Ньютона по разложению белого света на цветные компоненты с использованием призмы привел к появлению приборов и устройств, позволяющих анализировать состав излучения. Как они работают?

Обратите внимание (рис. 143-4), что если на призму падает луч белого света, то за призмой наблюдается разноцветная полоска — набор цветов — от красного до фиолетового. Ньютон, впервые проделавший данный эксперимент, назвал ее спектром. Разложение пучка белого света в спектр за призмой является следствием дисперсии (от лат. dispersio — рассеяние) света — зависимости скорости волны в среде от его частоты v(ν). Так как скорость света в веществе v =  , то абсолютный показатель преломления вещества оказывается зависящим от частоты n(ν)  или длины волны n(λ) распространяющегося излучения. Вследствие явления дисперсии призма различным образом преломляет световые волны разных цветов.

Источником оптического излучения называется физическое тело, преобразующее любой вид энергии в энергию электромагнитных излучений оптического диапазона. Любой источник света характеризуется полной энергией, которую он излучает в единицу времени. Эта энергия распределяется неравномерно между волнами различной длины. В общем случае произвольный электромагнитный сигнал состоит из набора различных электромагнитных волн, длины волн (или частоты) которых можно установить.

Подобную процедуру называют спектральным анализом сигнала, а совокупность полученных «простейших» электромагнитных волн — спектром. Таким образом, спектр — распределение энергии, излучаемой или поглощаемой веществом, по частотам или длинам волн. Если направить пучок белого света на призму, то мы обнаружим за призмой на экране разноцветную полоску (см. рис. 166). 

Дисперсия веществ может быть существенно различной. В таблице 8-1 приведены в качестве примера значения абсолютных показателей преломления некоторых прозрачных веществ

Таблица 8-1. Зависимость абсолютных показателей преломления  n веществ от длины волны 

λ, нм	Цвет	Стекло, n	Кварц, n	Алмаз, n	Лед, n
410	Фиолетовый	1,5380	1,5570	2,4580	1,3170
470	Голубой	1,5310	1,5510	2,4439	1,3136
530	Зеленый	1,5260	1,5468	2,4260	1,3110
590	Желтый	1,5225	1,5438	2,4172	1,3087
610	Оранжевый	1,5216	1,5432	2,4150	1,3080
670	Красный	1,5200	1,5420	2,4100	1,3060

Дисперсия веществ может быть существенно различной. В таблице 8-1 приведены в качестве примера значения абсолютных показателей преломления некоторых прозрачных веществ.

Дисперсия присуща всем средам, кроме вакуума. Если абсолютный показатель преломления среды уменьшается с ростом длины волны, то такая дисперсия называется нормальной, в противоположном случае — аномальной. 

Порядок следования цветов в спектре легко запомнить с помощью известной фразы:

          красный — 770—630 нм                          каждый

          оранжевый — 630—590 нм                      охотник

          желтый — 590—570 нм                            желает

          зеленый — 570—495 нм                           знать,

          голубой, синий — 495—435 нм               где сидят

          фиолетовый — 435—390 нм                    фазаны

Измерения и наблюдения оптических спектров производятся с помощью специальных приборов. Приборы для визуального наблюдения спектров называются спектроскопами, приборы с фотографической регистрацией спектров — спектрографами (применяются в различных областях спектра с соответствующей чувствительностью фотоматериалов), приборы с фотоэлектрическими и тепловыми приемниками излучения — спектрометрами или спектрофотометрами (рис. 143-5). 

Любой спектральный прибор имеет входной коллиматор, диспергирующий  элемент (призма, дифракционная решетка) и выходной коллиматор.

Входной коллиматор 1 (рис. 143-6) представляет собой трубу, на одном конце которой имеется ширма с узкой щелью, а на другом  — собирающая линза 4. Входная щель, освещенная исследуемым излучением, устанавливается в фокусе собирающей линзы 4, которая образует параллельный пучок света и направляет его на диспергирующий элемент 2.

Диспергирующий элемент преобразует исходный пучок в систему параллельных монохроматических пучков, выходящих из элемента под разными углами, зависящими от длины волны излучения. Собирающая линза 5 выходного коллиматора 3 (см. рис. 143-6) создает на экране (фотопластинке), расположенном в фокальной плоскости линзы, совокупность монохроматических изображений входной щели. В итоге на экране получается пространственное разложение излучения в спектр.

Назначение спектральных приборов — регистрировать зависимость интенсивности спектральных линий от частоты (длины) волны излучения, т.е. фактически определять, из каких монохроматических волн состоит данное излучение.

Напомним, что в качестве диспергирующих элементов спектральных приборов используются призма или дифракционная решетка, причем в наиболее совершенных спектральных приборах используются именно дифракционные решетки.

Вполне логично предположить, что если смешать все цвета, то получится белый свет. Такое смешение цветов можно легко получить с помощью круга Ньютона (рис. 143-7). Если достаточно быстро вращать диск, то в результате смешения цветов он будет восприниматься глазом как диск серого цвета.

Интересно, что в ряде случаев для получения белого света достаточно смешения двух цветов, таких, например, как  желтый — фиолетовый, красный — зеленый, синий — оранжевый (рис. 143-8). Такие пары цветов называются дополнительными.

Явления дисперсии и полное отражение приводят к образованию радуги, вследствие преломления солнечных лучей на мельчайших водяных капельках во время дождя, к нежелательному «окрашиванию» изображений в оптических системах (хроматическая аберрация) и т. д. Английский ученый Томас Юнг в 1807 г. указал, что три цвета (синий, зеленый и красный) (см.рис. 143-9) в правильных пропорциях могут давать ощущения всех остальных цветов.  На основании этого немецкий физиолог Герман Гельмгольц развил теорию, согласно которой цветовое восприятие обеспечивается тремя типами колбочек с различной цветовой чувствительностью. Одни из них чувствительны к красному цвету, другие — к зеленому, а третьи — к синему. Всякий цвет оказывает действие на все три цветоощущающих элемента, но в разной степени. Эта теория подтверждена в экспериментах, где микроспектрофотометром измеряли поглощение излучений с разной длиной волны у одиночных колбочек сетчатки человека. Этот же набор цветов используется в современном телевидении (см. рис. 143-9)