Дисперсия света. Цвет тел

Дисперсия — звучит прекрасно слово,

Прекрасно и явление само

Оно нам с детства близко и знакомо,

Мы наблюдали сотни раз его!

Гром отгремел, стих летний ливень быстрый,

И над умытой свежею землей

Мостом бесплотным радуга повисла,

Пленяя нас своею красотой

Дисперсия здесь «руку приложила».

Обычный белый лучик световой

Она как будто в призме разложила

Во встреченной им капле дождевой.

В данной теме речь пойдёт  о таком явлении, как дисперсия света, а так же попробуем разобраться, почему окружающий мир имеет такое многообразие цветов и цветовых оттенков.

В прошлой теме говорилось о преломлении света. Преломление — это изменение направления распространения света при его переходе через границу раздела двух сред.

Угол между падающим лучом и перпендикуляром, восстановленным в точке падения луча, называется углом падения.

Угол между перпендикуляром, проведенным к границе раздела двух сред, восстановленным в точке падения луча, и преломленным лучом называется углом преломления.

Закон преломления света гласит: Луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр к границе раздела двух сред, восставленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости; отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред, не зависящая от угла падения.

Относительный показатель преломления показывает, во сколько раз скорость света в первой по ходу луча среде отличается от скорости распространения света во второй среде.

Абсолютный показатель преломления показывает, во сколько раз скорость света в вакууме больше, чем в данном веществе.

Абсолютный показатель преломления среды определяется ее свойствами.

Являются ли свойства среды единственным фактором, определяющим показатель преломления среды, или существуют какие-либо другие причины, от которых он зависит?

Для ответа на этот вопрос проведем следующий опыт.

Возьмем трехгранную призму и будем поочередно пропускать через нее пучки монохроматического (простого) света разной цветности (например, красного, зеленого и фиолетового), направленные на грань призмы под одним и тем же углом падения.

Можно обнаружить, что фиолетовые лучи отклоняются от первоначального направления сильнее, чем красные. Следовательно, угол преломления красных лучей больше, чем фиолетовых. Из закона преломления света следует, что показатель преломления для фиолетовых лучей больше чем для красных. А так как абсолютный показатель преломления обратно пропорционален скорости распространения лучей в среде, то отсюда вытекает, что красный свет распространяется в среде быстрее, чем фиолетовый.

Поскольку цвет, воспринимаемый глазом, определяется только частотой световой волны, то цвет при переходе из вакуума в вещество или из одного вещества в другое не изменяется.

Зависимость показателя преломления среды и скорости света в нем от частоты световой волны называется дисперсией света.

Слово дисперсия происходит от латинского dispersion и означает «рассеяние».

Вообще, с древних времен ученые пытались объяснить природу цвета. Однако вплоть до 60–х гг. XVIIв. Существовали самые неправдоподобные теории этого явления.

Еще Аристотель (384–322 гг. до н.э.) считал, что причиной возникновения цветов является смешение света с темнотой. Подобные теории выдвигались и значительно позднее такими учеными, как Рене Декарт (1596–1650), Иоган Кеплер (1571–1630), Роберт Гук (1635–1703). Причину цвета многие ученые того времени связывали со свойствами самого света, а не с работой глаза.

В 1664–1668 гг. Исаак Ньютон провел серию опытов по изучению солнечного света и причин возникновения цветов. Хотя с тех пор наука о цвете получила большое развитие, многие положения, установленные Ньютоном, не утратили своего значения до наших дней. Поэтому, стоит рассмотреть их более подробно.

Замечательно то, что опыты Ньютона пережили столетия, и их методика без существенных изменений используется в физических лабораториях до сих пор.

Ньютон в темной комнате направил пучок солнечного света, прошедшего через отверстие в ставне, которым закрывалось окно, на треугольную призму. На противоположной стене Ньютон увидел яркую цветную полосу, состоящую из множества разноцветных полос, цвета которых, изменяясь плавно переходили от красного к оранжевому, к желтому, и до фиолетового. Наблюдаемую на стене картину Ньютон назвал – спектром (от лат. spectrum – «видение»).

Именно опыт с призмой позволил Исааку Ньютону заключить в «Лекциях по оптике» в 1669 году и в мемуаре «Новая теория света и цветов», написанном в 1672 году следующее: «Световые лучи различаются в их способности показывать ту или иную особую окраску, точно так же, как они различаются по степени преломляемости.

…Свойственные какому-либо роду лучей, они не могут быть изменены ни преломлением, ни какой-либо иной причиной… Поэтому мы должны различать два рода цветов: одни первоначальные и простые, другие же сложенные из них…В этом причина того, почему свет обыкновенно имеет белую окраску; ибо свет – запутанная смесь лучей всех видов и цветов, выбрасываемых из различных частей светящихся тел».

Таким образом, Ньютон показал, что белый свет —это сложный свет, он состоит из простых лучей, которые при прохождении через призму отклоняются, но не разлагаются, и только в совокупности монохроматические лучи дают ощущение белого света.

Этой работой Ньютон заложил основу современных научных представлений о цвете. Ньютон считал, что существует семь основных цветов, смешением которых можно получить все существующие в природе цвета. Это красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый цвета спектра солнечного света.

Но он ошибочно считал, что получение всех цветов возможно смешением семи основных.

Что бы удостовериться в этом Ньютон поставил на пути вышедшего из призмы и разложившегося в спектр пучка собирающую линзу и увидел, что после преломления в линзе разноцветные лучи, пересекаясь в точке, «складываются», приобретая белый цвет.

Ньютон впервые ввел цветовой график, получивший название цветового круга Ньютона. Он использовал его для систематизации многообразных цветов и для определения по смешиваемым цветам цвета их смеси. На основе цветового графика и графического сложения цветов логически напрашивается вывод, что любой цвет может быть получен смешением всего трех цветов. Однако потребовалось более ста лет после смерти Ньютона, чтобы этот основной закон цветоведения был окончательно установлен и нашел свое объяснение в предположении о трехцветной природе зрения.

Томас Юнг в 1802г. впервые объяснил многообразие воспринимаемых цветов строением глаза. Юнг считал, что в глазу находятся три вида светочувствительных окончаний нервных волокон. Действие света приводит к их раздражению. При раздражении волокон каждого отдельного вида возникают ощущения красного, зеленого и фиолетового цвета. При раздражении нервных волокон всех видов возникают ощущения всевозможных других цветов, которые можно рассматривать как смеси трех цветов основных раздражений.

Юнг первый правильно назвал одну из триад основных цветов: красного, зеленого и фиолетового. Для определения сложных цветов он предложил пользоваться графиком, подобным цветовому кругу, но имеющим форму треугольника, в вершинах которого находятся точки трех основных цветов.

Свое подтверждение и дальнейшее развитие трехцветная теория получила в середине XIXв. в работах Германа Гельмгольца и Джеймса Клерка Максвелла.

После Максвелла многие исследователи производили измерения для выражения всех спектральных цветов количествами трех основных. Достаточно точные данные были получены только в 1930–1931гг. Уильямом Райтом и Джоном Гилдом, которые выполняли свои измерения независимо друг от друга. Их опытные данные после пересчета на единую триаду основных цветов очень хорошо совпали. В 1931г. Конгресс МОК (Международная Осветительная Комиссия) принял эти данные в качестве основы для международных систем измерения цветов RGB и XYZ.

В 1947г. Рагнар Артур Гранит провел опыты на живом глазу у некоторых животных, обладающих цветовым зрением. В результате опытов он обнаружил наличие в глазу животных трех видов приемников: сине–, зелено– и красно–чувствительного. Таким образом, подтвердилась трехцветная теория Юнга, которая хотя и была очень достоверной, но все же оставалась гипотезой.

Почему люди различают цвета? Почему траву видят зеленой, небо голубым, снег белым, а землю черной?

Многообразие цветов и оттенков в окружающем мире объясняет явление дисперсии. При взаимодействии с различными телами лучи света разного цвета по-разному отражаются и поглощаются этими телами.

Если белый свет падает на белый предмет, то все составляющие белого света отражаются от него, и мы видим белый цвет предмета. Если белый свет падает на зеленый предмет, то все составляющие света поглощаются поверхностью предмета, и лишь зеленая составляющая отражается, в результате чего мы видим зеленую окраску предмета.

Аналогично происходит и с другими цветами: красным, синим, желтым и т.п.

Если свет падает на поверхность черного цвета, то поглощаются все составляющие спектра, и виден черный предмет.

Цвет прозрачного тела определяется составом того света, который проходит через него.

С помощью дисперсии света также можно объяснить такое явление, как радуга.

Все хотя бы один раз в жизни наблюдали радугу на небе. Обычный солнечный свет рассеивается на мельчайших капельках воды, оставшихся после дождя в воздухе. И в результате видим радугу. Когда из воздуха после дождя исчезнут капли воды, все семь цветов радуги снова сольются в один белый дневной свет.

Основные выводы:

– Дисперсия света — это зависимости показателя преломления вещества и скорости света в нем от частоты световой волны.

– Дисперсия света доказывает, что белый свет — это сложный свет, который состоит из простых – монохроматических цветов.

– Дисперсия позволяет объяснить цвета непрозрачных тел, тем, что тела по-разному отражают и поглощают свет различных частот.

– Любой цвет может быть получен смешением всего трех цветов — красного, зеленого и синего.