Rozpraszanie światła: historia odkrywania i opis zjawiska

Świat wokół jest wypełniony milionami różnych odcieni. Ze względu na właściwości światła każdy obiekt i obiekt wokół nas ma określony kolor, postrzegany przez ludzką wizję. Badanie fal świetlnych i ich charakterystyki pozwoliły przyjrzeć się bliżej naturze światła i zjawiskom z nim związanym. Dziś porozmawiajmy o wariancji.

Natura światła

Z fizycznego punktu widzenia światło jest kombinacją fal elektromagnetycznych o różnych długościach i częstotliwościach. Oko ludzkie nie dostrzega żadnego światła, ale tylko ten, którego długość fali waha się od 380 do 760 nm. Pozostałe gatunki pozostają dla nas niewidoczne. Należą do nich na przykład podczerwień i promieniowanie ultrafioletowe. Znany naukowiec Isaac Newton przedstawiał światło jako kierunkowy przepływ najmniejszych cząstek. Dopiero później okazało się, że z natury jest falą. Jednak Newton nadal miał częściowo rację. Faktem jest, że światło ma nie tylko właściwości falowe, ale także korpuskularne. Potwierdza to dobrze znane zjawisko efektu fotoelektrycznego. Okazuje się, że strumień światła ma podwójną naturę.

Widmo kolorów

Białe światło, dostępne dla ludzkiego widzenia, jest zbiorem kilku fal, z których każda charakteryzuje się określoną częstotliwością i energią własną fotonów. Zgodnie z tym można go rozłożyć na fale o różnych kolorach. Każdy z nich nosi nazwę monochromatyczną, a określony kolor ma swój własny zakres długości, częstotliwości fal i energii fotonów. Innymi słowy, energia emitowana przez substancję (lub zaabsorbowana) jest dystrybuowana zgodnie z powyższymi wskaźnikami. To tłumaczy istnienie spektrum światła. Na przykład zielony kolor widmo odpowiada częstotliwości w zakresie od 530 do 600 THz, a fioletowej - od 680 do 790 THz.

Dyspersja światła

Każdy z nas widział promienie migające na fasetowanych produktach szklanych lub na przykład na diamentach. Można to zaobserwować ze względu na zjawisko rozpraszania światła. Ten efekt odzwierciedla zależność współczynnika załamania światła obiektu (substancji, medium) od długości (częstotliwości) fali świetlnej przechodzącej przez ten obiekt. Konsekwencją tej zależności jest rozkład wiązki na spektrum kolorów, na przykład podczas przechodzenia przez pryzmat. Dyspersję światła wyraża następujące równanie:

n = ƒ (ƛ)

gdzie n jest współczynnikiem załamania, ƛ jest częstotliwością, a ƒ jest długością fali. Współczynnik załamania wzrasta wraz ze wzrostem częstotliwości i malejącą długością fali. Często obserwujemy rozproszenie w naturze. Jego najpiękniejszą manifestacją jest tęcza, która powstaje dzięki rozproszeniu światła słonecznego podczas przechodzenia przez liczne krople deszczu.

Pierwsze kroki w kierunku odkrywania dyspersji

Jak wspomniano powyżej, podczas przechodzenia przez pryzmat strumień świetlny rozkłada się na spektrum barw, które Izaak Newton szczegółowo badał we właściwym czasie. Rezultatem jego badań było odkrycie zjawiska dyspersji w 1672 roku. Zainteresowanie naukowe właściwościami światła pojawiło się przed naszą erą. Słynny Arystoteles już zauważył, że światło słoneczne może mieć różne odcienie. Naukowiec argumentował, że natura koloru zależy od "ilości ciemności", która jest obecna w białym świetle. Jeśli jest ich dużo, to jest fioletowy kolor, a jeśli jest mały, to czerwony. Wielki myśliciel powiedział także, że główny kolor promieni świetlnych jest biały.

Badania poprzedzające Newtona

Arystotelesowska teoria interakcji ciemności i światła nie została obalona przez uczonych w XVI i XVII wieku. Obaj czescy naukowcy, Marci i angielski fizyk Hariot, niezależnie przeprowadzili eksperymenty z pryzmatem i byli mocno przekonani, że przyczyną pojawienia się różnych odcieni widma było właśnie zmieszanie strumienia światła z ciemnością podczas przechodzenia przez pryzmat. Na pierwszy rzut oka ustalenia naukowców można nazwać logicznymi. Ale ich eksperymenty były dość powierzchowne i nie mogli poprzeć ich dodatkowymi badaniami. Tak było, dopóki Izaak Newton nie przejął władzy.

Odkrycie Newtona

Dzięki dociekliwemu umysłowi tego wybitnego naukowca udowodniono, że białe światło nie jest głównym światłem, a inne kolory nie powstają w wyniku oddziaływania światła i ciemności w różnych proporcjach. Newton obalił te przekonania i pokazał, że białe światło ma złożoną strukturę, jest utworzone przez wszystkie kolory spektrum światła, zwane monochromatycznymi. W wyniku przechodzenia wiązki światła przez pryzmat powstaje wiele kolorów z powodu rozkładu białego światła w jego falach składowych. Takie fale o różnej częstotliwości i długości są załamywane w medium na różne sposoby, tworząc określony kolor. Eksperymenty zestawów Newtona, które wciąż są używane w fizyce. Na przykład eksperymenty ze skrzyżowanymi pryzmatami, przy użyciu dwóch pryzmatów i lustra, a także przepuszczanie światła przez pryzmaty i perforowany ekran. Teraz wiemy, że rozkład światła w spektrum kolorów występuje z powodu różnych prędkości przejścia fal o różnych długościach i częstotliwościach przez przezroczystą substancję. W rezultacie niektóre fale wychodzą z pryzmy wcześniej, inne - trochę później, inne - nawet później, i tak dalej. Podobnie jest z rozkładem strumienia świetlnego.

Nieprawidłowe rozproszenie

Następnie fizycy ostatniego stulecia dokonali kolejnego odkrycia dotyczącego dyspersji. Francuz Leroux odkrył, że w niektórych środowiskach (w szczególności w oparach jodu) zależność wyrażająca zjawisko dyspersji jest zerwana. Fizyk Kundt, który mieszkał w Niemczech, podjął studia nad tym pytaniem. Do swoich badań pożyczył jedną z metod Newtona, a mianowicie doświadczenie z użyciem dwóch skrzyżowanych pryzmatów. Jedyną różnicą było to, że zamiast jednego z nich Kundt użył pryzmatycznego naczynia z roztworem cyjaniny. Okazało się, że współczynnik załamania światła przechodzącego przez takie pryzmaty wzrasta, a nie maleje, tak jak w eksperymentach Newtona ze zwykłymi pryzmatami. Niemiecki naukowiec odkrył, że ten paradoks obserwuje się w wyniku zjawiska absorpcji światła przez substancję. W opisanym eksperymencie Kundta roztwór cyjaninowy działał jako ośrodek absorpcyjny, a rozproszenie światła w takich przypadkach nazywane było anomalią. We współczesnej fizyce termin ten prawie nigdy nie jest używany. Do tej pory normalny Newton odkrył, a później odkrył anomalną dyspersję, uważa się za dwa zjawiska należące do tej samej doktryny i mające wspólną naturę.

Niska rozproszona soczewka

W fotografii rozpraszanie światła uważane jest za zjawisko niepożądane. Staje się przyczyną tzw aberracja chromatyczna gdzie obrazy wyglądają na zniekształcone kolory. Jednocześnie odcienie zdjęcia nie odpowiadają odcieniom przedmiotu, który ma być sfotografowany. Ten efekt jest szczególnie nieprzyjemny dla profesjonalnych fotografów. Ze względu na rozproszenie na zdjęciach, nie tylko kolor jest zniekształcony, ale krawędzie są często rozmyte lub odwrotnie, wygląd nadmiernie zdefiniowanej granicy. Światowi producenci sprzętu fotograficznego radzą sobie z konsekwencjami takiego zjawiska optycznego za pomocą specjalnie zaprojektowanych obiektywów o niskiej rozproszeniu. Szkło, z którego są wykonane, ma doskonałą właściwość równomiernie rozbijających się fal o różnych długościach i częstotliwościach. Soczewki, w których montuje się mało rozproszone soczewki, nazywane są achromatami.