Razpršenost svetlobe: zgodovina odkrivanja in opis pojava

Svet okoli je poln milijonov različnih odtenkov. Zaradi lastnosti svetlobe ima vsak predmet in predmet okoli nas določeno barvo, ki jo zaznava človeški vid. Proučevanje svetlobnih valov in njihovih značilnosti je omogočilo ljudem, da poglobijo pogled na naravo svetlobe in z njo povezane pojave. Danes govorimo o varianci.

Narava svetlobe

S fizičnega vidika je svetloba kombinacija elektromagnetnih valov z različnimi dolžinami in frekvencami. Človeško oko ne zaznava nobene svetlobe, ampak le tiste, katere valovna dolžina sega od 380 do 760 nm. Preostale vrste ostajajo za nas nevidne. Ti vključujejo npr ultravijolično sevanje. Slavni znanstvenik Isaac Newton predstavljal svetlobo kot smerni tok najmanjših delcev. Šele kasneje je bilo dokazano, da je po naravi val. Vendar je bil Newton še vedno delno prav. Dejstvo je, da ima svetloba ne samo valovne, temveč tudi corpuscular lastnosti. To potrjuje znani pojav fotoelektričnega učinka. Izkazalo se je, da svetlobni tok ima dvojno naravo.

Barvni spekter

Bela svetloba, ki je dostopna človeškemu vidu, je zbirka več valov, od katerih je vsaka značilna določena frekvenca in lastna energija fotonov. V skladu s tem se lahko razgradi v valove različnih barv. Vsaka od njih se imenuje monokromatska, posebna barva pa ima svoj obseg dolžine, frekvenco valov in energijo fotona. Z drugimi besedami, energija, ki jo oddaja snov (ali absorbira), se porazdeli po zgoraj navedenih kazalnikih. To pojasnjuje obstoj svetlobnega spektra. Na primer zelena barva frekvenca v območju od 530 do 600 THz, vijolična - od 680 do 790 THz.

Svetlobna disperzija

Vsak od nas je kdaj videl žarke, ki šimrajo na obrobljenih steklenih izdelkih ali na primer na diamantih. To lahko opazimo zaradi pojavnosti svetlobne disperzije. Ta učinek odraža odvisnost refrakcijskega indeksa objekta (snovi, medija) od dolžine (frekvence) svetlobnega vala, ki prehaja skozi ta predmet. Posledica te odvisnosti je razgradnja žarka v barvni spekter, na primer pri prehodu skozi prizmo. Svetlobna disperzija je izražena z naslednjo enačbo:

n = ƒ (ƛ)

kjer je n lomni količnik, je, frekvenca in ƒ valovna dolžina. Indeks loma se z naraščanjem frekvence in z zmanjševanjem valovne dolžine povečuje. Pogosto opazujemo razpršenost v naravi. Njegova najlepša manifestacija je mavrica, ki nastane zaradi razpršenosti sončne svetlobe pri prehodu skozi številne dežne kaplje.

Prvi koraki k odkrivanju disperzije

Kot smo že omenili, se pri prehodu skozi prizmo svetlobni tok razgradi v barvni spekter, ki ga je Isaac Newton pravočasno preučil. Rezultat njegove raziskave je bilo odkritje fenomena disperzije leta 1672. Znanstveno zanimanje za lastnosti svetlobe se je pojavilo pred našim časom. Slavni Aristotel je že opazil, da ima lahko sončna svetloba različne odtenke. Znanstvenik je trdil, da je narava barve odvisna od "količine teme", ki je prisotna v beli svetlobi. Če je veliko, potem je vijolična barva, in če je majhna, potem rdeča. Veliki mislec je dejal, da je glavna barva svetlobnih žarkov bela.

Newtonove predhodne raziskave

Aristotelove teorije o medsebojnem delovanju teme in svetlobe niso zanikali učenci 16. in 17. stoletja. Tako češki raziskovalec Marci kot angleški fizik Hariot sta samostojno izvajala poskuse s prizmo in sta bila trdno prepričana, da je vzrok za nastanek različnih odtenkov spektra prav mešanje svetlobnega toka s temo, ki je potekala skozi prizmo. Na prvi pogled lahko ugotovitve znanstvenikov imenujemo logične. Toda njihovi poskusi so bili precej površni in jih niso mogli podpreti z dodatnimi raziskavami. To je bilo, dokler ni prevzel Isaac Newton.

Newtonovo odkritje

Zahvaljujoč radovednemu umu tega izjemnega znanstvenika je bilo dokazano, da bela svetloba ni glavna svetloba in da druge barve ne nastajajo zaradi medsebojnega delovanja svetlobe in teme v različnih razmerjih. Newton je zavrnil ta prepričanja in pokazal, da je bela svetloba v svoji strukturi sestavljena, tvorijo jo vse barve svetlobnega spektra, ki se imenuje monokromatska. Zaradi prehoda svetlobnega žarka skozi prizmo se zaradi razgradnje bele svetlobe v njene sestavne valovne tokove oblikujejo različne barve. Takšni valovi z različno frekvenco in dolžino se prelivajo v mediju na različne načine in tvorijo določeno barvo. Newton je postavil eksperimente, ki se še vedno uporabljajo v fiziki. Na primer, poskusi s prečkami prizm, z dvema prizmah in ogledalom, pa tudi skozi svetlobo skozi prizme in perforiran zaslon. Zdaj vemo, da se razgradnja svetlobe v barvni spekter pojavlja zaradi različnih hitrosti prehoda valov z različnimi dolžinami in frekvencami skozi transparentno snov. Posledica tega je, da nekateri valovi pridejo iz prizme prej, drugi - malo kasneje, drugi - celo pozneje, in tako naprej. Tako je tudi razgradnja svetlobnega toka.

Nenormalna disperzija

Kasneje so fiziki prejšnjega stoletja naredili še eno odkritje o disperziji. Francoz Leroux je odkril, da je v nekaterih okoljih (zlasti v parih joda) prekinjena odvisnost, ki izraža pojav disperzije. Fizik Kundt, ki je živel v Nemčiji, je preučil to vprašanje. Za svoje raziskave je sposodil eno od Newtonovih metod, in sicer izkušnjo z uporabo dveh prečkanih prizm. Edina razlika je bila, da je namesto ene od njih Kundt uporabil prizmatično posodo z raztopino cianina. Izkazalo se je, da se lomni indeks, ko svetloba prehaja skozi takšne prizme, poveča in se ne zmanjša, kot je to storil v Newtonovih poskusih z navadnimi prizmami. Nemški znanstvenik je ugotovil, da je ta paradoks opazen kot posledica pojava absorpcije svetlobe v snovi. V opisanem eksperimentu Kundta je raztopina cianina delovala kot absorpcijski medij in razpršitev svetlobe za take primere je bila imenovana anomalna. V sodobni fiziki se ta izraz skoraj nikoli ne uporablja. Doslej je normalni Newton odkril in kasneje odkril nepravilno disperzijo, ki sta dva pojava, ki pripadata istemu nauku in imata skupno naravo.

Nizko razpršene leče

Pri fotografiranju se razpršitev svetlobe šteje za nezaželen pojav. To postane vzrok za ti kromatična aberacija kjer slike prikazujejo popačene barve. Odtenki fotografij ne ustrezajo odtenkom predmeta, ki ga želite odstraniti. Ta učinek je še posebej neprijeten za profesionalne fotografe. Zaradi razpršenosti na fotografijah ni le izkrivljena barva, temveč so robovi pogosto zamegljeni ali, nasprotno, videz preveč definirane meje. Svetovni proizvajalci fotografske opreme se soočajo s posledicami takšnega optičnega pojava s pomočjo posebej zasnovanih nizko razpršenih leč. Steklo, iz katerega so izdelani, ima odlično lastnost enakih lomljivih valov z različnimi dolžinami in frekvencami. Leče, v katerih so nameščene nizko razpršene leče, se imenujejo akromati.