Фізика 11 клас

ОПТИКА І КВАНТОВА ФІЗИКА

 

РОЗДІЛ. 4 Хвильова і квантова оптика

 

§ 36. ДИСПЕРСІЯ СВІТЛА З ІСТОРІЇ

 

Явище розкладання білого світла на спектр за допомогою призми було відоме досить давно, але пояснити це явище зміг лише І. Ньютон. Вчених, які займалися оптикою, цікавила природа світла. Ньютон же, вивчаючи явище розкладання білого світла на спектр, приходить до висновку, що біле світло є складним, тобто складається із суми простих кольорових променів.

Ньютон працював із простою установкою. На мал. 169 показано дослід Ньютона із встановлення явища дисперсії світла (1754). У вікні затемненої кімнати було пророблено маленький отвір, через який проходив вузький пучок сонячного світла. На шляху сонячного світла ставили призму, а за призмою — екран. На екрані спостерігали спектр, тобто видовжене зображення круглого отвору, нібито складене із багатьох кольорових кружечків. При цьому найбільше відхилення мали фіолетові промені — один кінець спектра — і найменше відхилення — червоні — другий кінець спектра.

Але цей дослід ще не був переконливим доведенням складності білого світла й існування простих променів. Він був добре відомий, і давав змогу зробити висновок, що, проходячи через призму, біле світло не розкладається на прості промені, а змінюється, як вважало багато дослідників до Ньютона.

Для того щоб довести висновок про те, що біле світло складається із простих кольорових променів і розкладається на них при проходженні через призму, Ньютон провів інший дослід (мал. 170). В екрані, на якому спостерігався спектр, також робили маленький отвір, через який пропускали вже не біле світло, а світло, що мало певну окраску, говорячи сучасною мовою, монохроматичний пучок світла. На шляху цього пучка Ньютон ставив нову призму, а за нею новий екран. Що спостерігалося на цьому новому екрані?

Дослід показав, що цей пучок світла відхилявся призмою як єдине ціле, під визначеним кутом. Повертаючи першу призму, Ньютон пропускав через отвір екрана кольорові промені різних ділянок спектра. У всіх випадках вони не розкладалися другою призмою, а лише відхилялися на визначений кут, різний для променів різного кольору.

Отже, Ньютон дійшов висновку, що біле світло розкладається на кольорові промені, які є простими, і не розкладаються призмою. Для кожного кольору показник заломлення має своє визначене значення.

Таким чином, прості промені є незмінними. Вони являють собою, можна сказати, атоми світла, подібно до атомів речовини. Цей висновок узгоджувався із корпускулярною теорією світла. Дійсно, незмінні атоми світла, прості промені, є потоком і однорідних частинок, які, потрапляючи у

 

 

Мал. 169

 

 

Мал. 170

 

наше око, викликають відчуття певного кольору. Суміш із різнорідних світлових частинок є білим світлом. При проходженні через призму біле світло розкладається. Призма сортує світлові частинки, відхиляючи їх на різний кут відповідно до їх колірності.

Із точки зору хвильової теорії на той час було складно пояснити відкриття Ньютона, тому що теорія поширення хвиль ще не була розроблена. Розуміння того, що колір визначається періодом світлової хвилі, прийшло набагато пізніше.

Якщо уважно придивитися до проходження світла через трикутну призму, то можна побачити, що розкладання білого світла починається відразу ж, як тільки світло переходить з повітря в скло (мал. 171).

Середовища, в яких спостерігається явище дисперсії, називають диспергуючими.

Якщо на шляху будь-якого кольорового пучка, що виходить з призми, поставити ще одну призму, то він пройде через призму без зміни, не розкладаючись (мал. 172).

Про що свідчить явище дисперсії? Перш за все, явище дисперсії свідчить про те, що біле світло є складним. Проте це не нове: про це свідчить і явище дифракції. Більш того, при вивченні явища дифракції було встановлено, що довжини хвиль і їх частоти різні для кожного кольору.

Явище дисперсії свідчить також про те, що швидкості хвиль, з яких складається біле світло, різні. Дійсно, безпосередньо з досліду випливає, що для показників заломлення справедлива наступна нерівність:

Але показник заломлення дорівнює відношенню швидкості світла в повітрі до швидкості світла у склі. Тому показники заломлення кольорових променів можна записати через їх швидкості:

 

 

Мал. 171

 

 

Мал. 172

 

Підставивши знайдені значення показників заломлення в попередню нерівність, отримаємо

Таким чином, з явища дисперсії випливає, що хвилі, які входять до складу білого світла, в речовині поширюються з різними швидкостями: з найбільшою швидкістю поширюються хвилі, які ми сприймаємо як червоне світло, і з найменшою — хвилі, що сприймаються нами як фіолетове світло.

Проте наше сприйняття кольору залежить від довжини хвилі, а отже, і від частоти коливань. Таким чином, швидкість поширення світлових хвиль залежить від їх частоти.

Об’єднуючи сказане про дисперсію світла, можна дати наступне визначення:

Дисперсією хвиль називають залежність їх швидкості від частоти.

Залежність фазової швидкості хвиль від їх частоти виявляється в тому, що показник заломлення хвиль також залежить від частоти, а це, у свою чергу, свідчить про те, що на межі з диспергуючим середовищем біле світло розкладається на його складові хвилі.

А чи залежить швидкість світла у вакуумі від частоти коливань?

Уявімо собі, що у вакуумі на дуже великій від нас відстані потужне джерело світла періодично закривається непрозорою ширмою, а потім знову відкривається. Якщо всі світлові хвилі незалежно від частоти коливань поширюються у вакуумі з однаковою швидкістю, то ми повинні побачити, що світло, яке випромінюється далеким джерелом, мигтить, але його колір не змінюється. Якщо ж світлові хвилі різної частоти у вакуумі поширюються з різними швидкостями, то колір джерела повинен змінюватися.

Розглянемо це питання докладніше. Припустимо, що у вакуумі з найбільшою швидкістю поширюються хвилі червоного світла, а з найменшою — хвилі фіолетового світла. У такому разі, після того, як ширма відкриє джерело світла, до нас перш за все дійдуть хвилі червоного світла і ми побачимо джерело червоним. Потім, у міру того як наших очей досягатимуть хвилі інших частот, забарвлення джерела змінюватиметься і, нарешті, стане таким, яким воно є насправді. Після того, як ширма закриє джерело світла, до нас перш за все перестануть доходити хвилі червоного світла, а потім фіолетового. Отже, колір джерела змінюватиметься від дійсного до фіолетового, після чого джерела не буде видно.

При невеликій різниці у швидкостях поширення хвиль описаний ефект, якщо він відбувається, може бути помітний тільки при дуже великих відстанях між джерелом і спостерігачем. Тому в лабораторних умовах здійснити описаний вище дослід не можна, оскільки всі земні відстані для нього малі. Проте можна скористатися астрономічними спостереженнями за подвійними зірками. Подвійна зірка — це дві зірки, що обертаються навколо їх загального центра мас. Кожна з них періодично затуляє від спостерігача світло іншої зірки. Проте при спостереженні через телескоп зміни кольору цих зірок не спостерігають. Якби швидкість світла у вакуумі залежала від частоти, то після виходу зірки із тіні повинен був би змінюватися її колір.

Отже, у вакуумі швидкість світлових хвиль не залежить від частоти коливань.

Задач та вправи

Розв’язуємо разом

Для визначення довжини світлової хвилі використовували дифракційну ґратку, період якої 0,01 мм. Перше дифракційне зображення на екрані отримали на відстані 11,8, см від центрального зображення і на відстані 2 м від ґратки. Визначте довжину світлової хвилі.

Розв’язання .

Умову максимуму дифракційної картини від ґратки записуємо так:

dsinφ= ,

де d — стала (період) ґратки;  - порядок спектра (у нашому випадку k = 1).

Тепер

Підставивши значення відомих величин, отримаємо λ= 5,9 10-7 м.




Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити