Gaismas rašanās apstākļu izkliede. Viegla dispersija

gaismas (vai viļņa garums) (frekvences dispersija), vai, tas pats, gaismas fāzes ātruma atkarība matērijā no viļņa garuma (vai frekvences). Eksperimentāli atklāja Ņūtons ap 1672. gadu, lai gan teorētiski diezgan labi izskaidrots daudz vēlāk.

Telpiskā izkliede ir vides dielektriskās konstantes tenzora atkarība no viļņu vektora. Šī atkarība izraisa vairākas parādības, ko sauc par telpiskās polarizācijas efektiem.

Viens no visvairāk ilustratīvi piemēri dispersija - baltās gaismas sadalīšanās, izejot caur prizmu (Ņūtona eksperiments). Izkliedes fenomena būtība ir gaismas staru ar dažādu viļņu garumu nevienlīdzīgais izplatīšanās ātrums caurspīdīgā vielā - optiskā vidē (kamēr vakuumā gaismas ātrums vienmēr ir vienāds, neatkarīgi no viļņa garuma un līdz ar to arī krāsas). Parasti, jo augstāka ir viļņa frekvence, jo augstāks ir vides refrakcijas indekss un mazāks gaismas ātrums tajā:

sarkanā krāsā maksimālais ātrums vidējā un minimālajā refrakcijas pakāpē,
plkst violets minimālais gaismas ātrums vidē un maksimālā laušanas pakāpe.

Tomēr dažās vielās (piemēram, joda tvaikos) tiek novērots anomāls izkliedes efekts, kurā zilie stari laužas mazāk nekā sarkanie, bet citus starus viela absorbē un izvairās no novērošanas. Stingrāk sakot, anomālā izkliede ir plaši izplatīta, piemēram, gandrīz visās gāzēs tā ir novērojama frekvencēs pie absorbcijas līnijām, bet joda tvaikos tas ir diezgan ērti novērošanai optiskajā diapazonā, kur tie ļoti spēcīgi absorbē gaismu.

Gaismas izkliede ļāva pirmo reizi diezgan pārliecinoši demonstrēt baltās gaismas salikto raksturu.

Baltā gaisma sadalās spektrā, izejot cauri difrakcijas režģim vai atstarojot no tā (tas nav saistīts ar dispersijas fenomenu, bet gan izskaidrojams ar difrakcijas būtību). Difrakcijas un prizmatiskais spektrs ir nedaudz atšķirīgs: prizmatiskais spektrs ir saspiests sarkanajā daļā un izstiepts violetā un ir sakārtots dilstošā viļņa garuma secībā: no sarkanas līdz violetai; normāls (difrakcijas) spektrs ir vienāds visos apgabalos un ir sakārtots pieaugošā viļņu garuma secībā: no violetas līdz sarkanai.

Pēc analoģijas ar gaismas izkliedi līdzīgas parādības, kas saistītas ar jebkura cita rakstura viļņu izplatīšanās atkarību no viļņa garuma (vai frekvences), sauc arī par dispersiju. Šī iemesla dēļ, piemēram, termins dispersijas likums, kas tiek izmantots kā kvantitatīvās attiecības nosaukums attiecībā uz frekvenci un viļņu skaitu, attiecas ne tikai uz elektromagnētisko viļņu, bet arī uz jebkuru viļņu procesu.

Izkliede izskaidro faktu, ka pēc lietus parādās varavīksne (precīzāk, tas, ka varavīksne ir daudzkrāsaina, nevis balta).

Izkliede ir hromatisko aberāciju cēlonis - viena no optisko sistēmu aberācijām, tostarp foto un video objektīviem.

Košī nāca klajā ar formulu, kas izsaka vides refrakcijas indeksa atkarību no viļņa garuma:

…,

Gaismas izkliede dabā un mākslā

Izkliedes dēļ to var novērot dažādas krāsas.

Varavīksne, kuras krāsas ir radušās dispersijas dēļ, ir viens no galvenajiem kultūras un mākslas tēliem.
Pateicoties gaismas izkliedei, ir iespējams novērot krāsainu “gaismas spēli” uz dimanta un citu caurspīdīgu slīpētu priekšmetu vai materiālu šķautnēm.
Vienā vai otrā pakāpē varavīksnes efekti tiek konstatēti diezgan bieži, kad gaisma iet cauri gandrīz jebkuram caurspīdīgam objektam. Mākslā tos var īpaši pastiprināt un uzsvērt.
Gaismas sadalīšanās spektrā (izkliedes dēļ), kad tā tiek lauzta prizmā, ir diezgan izplatīta tēma tēlotājmāksla. Piemēram, Pink Floyd albuma Dark Side Of The Moon vāks attēlo gaismas laušanu prizmā ar sadalīšanos spektrā.

Skatīt arī

Literatūra

Jaštolds-Govorko V.A. Fotografēšana un apstrāde. Fotogrāfija, formulas, termini, receptes. - Ed. 4., saīs. - M.: Māksla, 1977. gads.

Saites

Wikimedia fonds. 2010. gads.

Skatiet, kas ir “gaismas dispersija” citās vārdnīcās:

Refrakcijas indeksa n atkarība VA no gaismas frekvences n (viļņa garuma l) vai gaismas viļņu fāzes ātruma atkarība no to frekvences. Sekas D. s. sadalīšanās baltās gaismas stara spektrā, izejot caur prizmu (skat. SPEKTRA... ... Fiziskā enciklopēdija

gaismas dispersija- Parādības, ko izraisa gaismas izplatīšanās ātruma atkarība no gaismas vibrāciju frekvences. [Ieteicamo terminu krājums. 79. izdevums. Fiziskā optika. PSRS Zinātņu akadēmija. Zinātniskās un tehniskās terminoloģijas komiteja. 1970] Tēmas… … Tehniskā tulkotāja rokasgrāmata

gaismas dispersija- gaismas skaida statusas T joma radioelektronika atitikmenys: engl. gaismas izkliede vok. Lichtdispersija, f; Zerteilung des Lichtes, f rus. gaismas dispersija, f pranc. dispersija de la lumière, f… Radioelektronikos terminų žodynas

gaismas dispersija- gaismas dispersija statusas T joma fizika atitikmenys: engl. gaismas izkliede vok. Lichtdispersija, f; Zerlegung des Lichtes, f rus. gaismas dispersija, f pranc. dispersion de la lumière, f … Fizikos terminų žodynas

Vielas laušanas koeficienta n atkarība no gaismas frekvences ν (viļņa garums λ) vai gaismas viļņu fāzes ātruma (sk. Fāzes ātrums) atkarība no frekvences. Sekas D. s. sadalās baltās gaismas stara spektrā garāmejot... ... Lielā padomju enciklopēdija

Laušanas koeficienta n in va atkarība no gaismas frekvences v. Reģionā gaismas frekvences, kurām v ir caurspīdīga, n palielinās, palielinoties v normālam d.s. Reģionā frekvences, kas atbilst intensīvas gaismas absorbcijas joslām laukā, n samazinās ar... ... Lielā enciklopēdiskā politehniskā vārdnīca

Vielas absolūtā refrakcijas indeksa atkarība no gaismas viļņa garuma... Astronomijas vārdnīca

Ko jūs vēlētos uzlabot šajā rakstā?: pievienojiet ilustrācijas. Atrodiet un zemsvītras piezīmju veidā sakārtojiet saites uz autoritatīviem avotiem, kas apstiprina rakstīto. Noliec veidnes karti, kas ir... Wikipedia

Harmonisko viļņu fāzes ātruma atkarība vidē no to svārstību frekvences. viļņu izkliede tiek novērota jebkura rakstura viļņiem. Viļņu dispersijas klātbūtne izraisa signāla formas (piemēram, audio impulsa) izkropļojumus, kad tas izplatās vidē... Lielā enciklopēdiskā vārdnīca

Gaismas stars, kas iet caur trīsstūrveida prizmu, tiek novirzīts pret virsmu, kas ir pretī prizmas laušanas leņķim. Taču, ja tas ir baltas gaismas stars, tad pēc tam, kad tas iziet cauri prizmai, tas ne tikai tiks novirzīts, bet arī sadalīsies krāsainos staros. Šo parādību sauc par gaismas dispersiju. Vispirms tas tika pētīts virknē ievērojamu eksperimentu.

Gaismas avots Ņūtona eksperimentos bija mazs apaļš caurums, kas atradās Saules staru apgaismotā loga aizvarā. Kad cauruma priekšā tika uzstādīta prizma, apaļa plankuma vietā uz sienas parādījās krāsaina sloksne, ko Ņūtons sauca par spektru. Šāds spektrs sastāv no septiņām galvenajām krāsām: sarkana, oranža, dzeltena, zaļa, zila, indigo un violeta, kas pakāpeniski pārveidojas viena otrā. Katrs no tiem spektrā aizņem dažāda izmēra vietu. Violetajai svītrai ir vislielākais garums, sarkanajai – visīsākā.

Nākamajā eksperimentā tika izmantots ekrāns ar nelielu caurumu, lai atdalītu šauru noteiktas krāsas staru kūli no plaša krāsainu staru kūļa, kas iegūta, izmantojot prizmu, un novirzītu tos uz otru prizmu.

Prizma, tos novirzot, nemaina šo staru krāsu. Šādus starus sauc par vienkāršiem vai vienkrāsainiem (vienkrāsainiem).

Pieredze rāda, ka sarkanajiem stariem ir mazāka novirze nekā violetajiem, t.i. Dažādu krāsu starus prizma lauž atšķirīgi.

Savācot no prizmas izplūstošos staru kūļus, Ņūtons krāsainas svītras vietā saņēma baltu cauruma attēlu uz balta ekrāna.

No visiem saviem eksperimentiem Ņūtons izdarīja šādus secinājumus:

baltā gaisma pēc savas būtības ir sarežģīta gaisma, kas sastāv no krāsainiem stariem;
Dažādu krāsu gaismas stariem atšķiras arī vielas refrakcijas rādītāji; tā rezultātā, kad baltās gaismas stars tiek novirzīts ar prizmu, tas sadalās spektrā;
Ja jūs apvienojat spektra krāsainos starus, jūs atkal iegūsit baltu gaismu.

Tādējādi gaismas izkliede ir parādība, kas ir saistīta ar vielas atkarību no viļņa garuma (vai frekvences).

Gaismas izkliede tiek novērota ne tikai tad, kad gaisma iet caur prizmu, bet arī dažādos citos gaismas laušanas gadījumos. Tādējādi jo īpaši saules gaismas laušanu ūdens pilienos pavada tās sadalīšanās daudzkrāsainos staros, kas izskaidro varavīksnes veidošanos.

Lai iegūtu spektru, Ņūtons caur apaļu caurumu, kas izveidots slēģā, novirzīja uz prizmu diezgan platu cilindrisku saules staru kūli.

Šādā veidā iegūtais spektrs ir apaļa cauruma daudzkrāsainu attēlu sērija, kas daļēji pārklājas viens ar otru. Lai iegūtu tīrāku spektru, pētot tādu parādību kā gaismas izkliede, Ņūtons ierosināja izmantot nevis apaļu caurumu, bet šauru spraugu paralēli prizmas refrakcijas malai. Izmantojot objektīvu, ekrānā tiek iegūts skaidrs spraugas attēls, pēc kura aiz objektīva tiek uzstādīta prizma, kas rada spektru.

Tīrākie un spožākie spektri tiek iegūti, izmantojot īpašus instrumentus – spektroskopus un spektrogrāfus.

Gaismas absorbcija ir parādība, kurā gaismas viļņa enerģija samazinās, ejot cauri matērijai. Tas notiek, pateicoties gaismas viļņa enerģijas pārvēršanai sekundārā starojuma enerģijā jeb, citiem vārdiem sakot, vielā, kurai ir atšķirīgs spektrālais sastāvs un citi izplatīšanās virzieni.

Gaismas absorbcija var izraisīt vielas karsēšanu, molekulu vai atomu jonizāciju vai ierosmi, fotoķīmiskas reakcijas, kā arī citus vielā notiekošos procesus.

DEFINĪCIJA

Viegla dispersija sauc par vielas refrakcijas indeksa (n) atkarību no gaismas frekvences () vai viļņa garuma () vakuumā (bieži vien indekss 0 tiek izlaists):

Dažreiz dispersiju definē kā gaismas viļņu fāzes ātruma (v) atkarību no frekvences.

Labi zināmās dispersijas sekas ir baltās gaismas sadalīšanās spektrā, kad tā iet caur prizmu. I. Ņūtons bija pirmais, kas fiksēja savus novērojumus par gaismas izkliedi. Izkliede ir atomu polarizācijas atkarības no frekvences sekas.

Refrakcijas indeksa grafiskā atkarība no frekvences (vai viļņa garuma) - dispersijas līkne.

Izkliede notiek elektronu un jonu vibrāciju rezultātā.

Gaismas izkliede prizmā

Ja monohromatisks gaismas stars trāpa prizmā, kuras laušanas koeficients ir vienāds ar n, leņķī (1. att.), tad pēc dubultās laušanas stars novirzās no sākotnējā virziena par leņķi:

Ja leņķi A ir mazi, tad visi pārējie leņķi formulā (2) ir mazi. Šajā gadījumā laušanas likumu var uzrakstīt nevis caur šo leņķu sinusiem, bet tieši caur pašu leņķu vērtībām radiānos:

Zinot to, mums ir:

Līdz ar to staru novirzes leņķis, izmantojot prizmu, ir tieši proporcionāls prizmas laušanas leņķa vērtībai:

un atkarīgs no izmēra. Un mēs zinām, ka refrakcijas indekss ir viļņa garuma funkcija. Izrādās, ka stariem, kam dažādi garumi Pēc iziešanas caur prizmu viļņi tiek novirzīti dažādos leņķos. Kļūst skaidrs, kāpēc baltās gaismas stars sadalīsies spektrā.

Vielas izkliede

Vērtība (D) vienāda ar:

sauca matērijas izkliede. Tas parāda refrakcijas indeksa izmaiņu ātrumu atkarībā no viļņa garuma.

Caurspīdīgu vielu refrakcijas indekss monotoni palielinās, samazinoties viļņa garumam, kas nozīmē, ka D lielums palielinās, samazinoties viļņa garumam. Šo izkliedi sauc par normālu. Normālās dispersijas fenomens ir prizmu spektrogrāfu darbības pamats, ko var izmantot, lai pētītu spektrālais sastāvs Sveta.

Problēmu risināšanas piemēri

1. PIEMĒRS

Vingrinājums

Kādas ir galvenās atšķirības difrakcijas un prizmatiskajā spektrā?

Risinājums

Difrakcijas režģis sašķiro gaismu viļņu garumos. No iegūtajiem un izmērītajiem leņķiem līdz atbilstošo maksimumu virzieniem var aprēķināt viļņa garumu. Atšķirībā no difrakcijas režģa prizma sašķiro gaismu pēc laušanas koeficienta vērtībām, tāpēc, lai atrastu gaismas viļņa garumu, ir nepieciešama atkarība.

Papildus iepriekšminētajam difrakcijas rezultātā iegūtajā spektrā un prizmatiskajā spektrā krāsas atrodas atšķirīgi. Difrakcijas režģim tika konstatēts, ka novirzes leņķa sinuss ir proporcionāls viļņa garumam. Tas nozīmē, ka difrakcijas režģis vairāk atgrūž sarkanos starus nekā violetos. Prizma atdala starus atbilstoši refrakcijas indeksam, un visām caurspīdīgajām vielām tas monotoni samazinās, palielinoties viļņa garumam. Izrādās, sarkanos starus, kuriem ir zemāks laušanas koeficients, prizma novirzīs mazāk nekā violetos (2. att.).

2. PIEMĒRS

Vingrinājums

Kāds būs staru kūļa novirzes leņķis () ar stikla prizmu, ja tas normāli krīt uz sejas? Prizmas vielas laušanas koeficients ir n=1,5. Prismas laušanas leņķis ir trīsdesmit grādi ().

Risinājums

Atrisinot problēmu, varat izmantot att. 1 raksta teorētiskajā daļā. Jāpiebilst, ka. No 1. att. izriet, ka

Saskaņā ar refrakcijas likumu mēs rakstām:

Kopš tā laika mēs to saņemam. No formulas (2.1) iegūstam, ka:

Katrs mednieks vēlas zināt, kur sēž fazāns. Kā mēs atceramies, šī frāze nozīmē spektra krāsu secību: sarkana, oranža, dzeltena, zaļa, zila, indigo un violeta. Kurš to parādīja balta krāsa tas ir visu krāsu kopums, kāds sakars ar to varavīksnei, skaistiem saulrietiem un saullēktiem, spīdumam dārgakmeņi? Uz visiem šiem jautājumiem atbild mūsu nodarbība, kuras tēma ir: “Gaismas izkliede”.

Līdz 17. gadsimta otrajai pusei nebija pilnībā skaidrs, kāda ir krāsa. Daži zinātnieki teica, ka tas ir paša ķermeņa īpašums, daži apgalvoja, ka tās ir dažādas gaismas un tumsas kombinācijas, tādējādi sajaucot krāsas un apgaismojuma jēdzienus. Šāds krāsu haoss valdīja līdz brīdim, kad Īzaks Ņūtons veica eksperimentu par gaismas pārraidi caur prizmu (1. att.).

Rīsi. 1. Staru ceļš prizmā ()

Atcerēsimies, ka stars, kas iet caur prizmu, piedzīvo refrakciju, pārejot no gaisa uz stiklu un pēc tam vēl vienu - no stikla uz gaisu. Stara trajektoriju raksturo laušanas likums, un novirzes pakāpi raksturo refrakcijas indekss. Formulas, kas apraksta šīs parādības:

Rīsi. 2. Ņūtona eksperiments ()

Tumšā telpā caur slēģiem iekļūst šaurs saules stars, kas Ņūtons ievietoja tā ceļā stikla trīsstūrveida prizmu. Tajā tika lauzts gaismas stars, kas iet caur prizmu, un uz ekrāna aiz prizmas parādījās daudzkrāsaina sloksne, ko Ņūtons sauca par spektru (no latīņu “spektrs” - “redze”). Baltā krāsa uzreiz pārvērtās visās krāsās (2. att.). Kādus secinājumus izdarīja Ņūtons?

1. Gaismai ir sarežģīta struktūra (runājot mūsdienu valoda- satur balto gaismu elektromagnētiskie viļņi dažādas frekvences).

2. Dažādu krāsu gaisma atšķiras pēc refrakcijas pakāpes (ko raksturo dažādi rādītāji refrakcija noteiktā vidē).

3. Gaismas ātrums ir atkarīgs no vides.

Šos secinājumus Ņūtons izklāstīja savā slavenajā traktātā “Optika”. Kāds ir iemesls šai gaismas sadalīšanai spektrā?

Kā parādīja Ņūtona eksperiments, sarkanā krāsa bija vājākā lauztā krāsa, bet violetā - visvairāk. Atgādinām, ka gaismas staru laušanas pakāpi raksturo refrakcijas indekss n. Sarkanā krāsa atšķiras no violetas ar biežumu sarkanai krāsai ir zemāka frekvence nekā violetai. Tā kā refrakcijas indekss palielinās, virzoties no spektra sarkanā gala uz violeto galu, varam secināt, ka stikla laušanas koeficients palielinās, palielinoties gaismas frekvencei. Tāda ir dispersijas fenomena būtība.

Atcerēsimies, kā refrakcijas indekss ir saistīts ar gaismas ātrumu:

n ~ ν; V ~ => ν =

n - refrakcijas indekss

C - gaismas ātrums vakuumā

V - gaismas ātrums vidē

ν - gaismas frekvence

Tas nozīmē, ka jo augstāka ir gaismas frekvence, jo mazāks ir gaismas ātrums, kas izplatās stiklā lielākais ātrums stikla prizma iekšpusē ir sarkana, un mazākais ātrums- violets.

Gaismas ātruma atšķirība par dažādas krāsas veic tikai vides klātbūtnē, vakuumā, jebkurš jebkuras krāsas gaismas stars izplatās ar tādu pašu ātrumu m/s. Tādējādi mēs noskaidrojām, ka iemesls baltās krāsas sadalīšanai spektrā ir dispersijas fenomens.

Izkliede- gaismas izplatīšanās ātruma atkarība vidē no tās frekvences.

Ņūtona atklātais un pētītais dispersijas fenomens savu skaidrojumu gaidīja tikai 19. gadsimtā, holandiešu zinātnieks Lorenss ierosināja klasisko dispersijas teoriju.

Šīs parādības iemesls ir ārējā mijiedarbība elektromagnētiskā radiācija, tas ir, gaisma ar vidi: jo augstāka ir šī starojuma frekvence, jo spēcīgāka ir mijiedarbība, kas nozīmē, jo vairāk stars novirzīsies.

Izkliedi, par kuru mēs runājām, sauc par normālu, tas ir, frekvences indikators palielinās, ja palielinās elektromagnētiskā starojuma frekvence.

Dažās retās vidēs ir iespējama anomāla izkliede, tas ir, barotnes refrakcijas indekss palielinās, samazinoties frekvencei.

Mēs redzējām, ka katra krāsa atbilst noteiktam viļņa garumam un frekvencei. Vilnis, kas atbilst tai pašai krāsai dažādas vides ir tāda pati frekvence, bet dažādi viļņu garumi. Visbiežāk, runājot par noteiktai krāsai atbilstošu viļņa garumu, ar to saprot viļņa garumu vakuumā vai gaisā. Katrai krāsai atbilstošā gaisma ir monohromatiska. “Mono” nozīmē vienu, “hromoss” nozīmē krāsu.

Rīsi. 3. Krāsu izkārtojums spektrā atbilstoši viļņu garumiem gaisā ()

Garākais viļņa garums ir sarkans (viļņa garums - no 620 līdz 760 nm), īsākais viļņa garums ir violets (no 380 līdz 450 nm) un atbilstošās frekvences (3. att.). Kā redzat, tabulā nav baltas krāsas, baltā krāsa ir visu krāsu summa, šī krāsa neatbilst nevienam stingri noteiktam viļņa garumam.

Ar ko ir izskaidrojamas ķermeņu krāsas, kas mūs ieskauj? Tie ir izskaidrojami ar ķermeņa spēju atspoguļot, tas ir, izkliedēt uz tā krītošo starojumu. Piemēram, balta krāsa, kas ir visu krāsu summa, uzkrīt uz kāda ķermeņa, bet šis ķermenis vislabāk atspoguļo sarkano krāsu, un absorbē citas krāsas, tad tas mums šķitīs tieši sarkans. Parādīsies ķermenis, kas vislabāk atspoguļo zilo krāsu zilā krāsā un tā tālāk. Ja ķermenis atspoguļo visas krāsas, tas izrādīsies balts.

Tieši gaismas izkliede, tas ir, laušanas koeficienta atkarība no viļņu frekvences, izskaidro skaisto dabas parādību - varavīksni (4. att.).

Rīsi. 4. Varavīksnes fenomens ()

Varavīksnes rodas, kad saules gaismu lauž un atstaro atmosfērā peldošas ūdens, lietus vai miglas pilieni. Šie pilieni dažādos veidos novirza dažādu krāsu gaismu, kā rezultātā baltā krāsa sadalās spektrā, tas ir, vērotājs, kurš stāv ar muguru pret gaismas avotu, redz daudzkrāsainu spīdumu, kas izplūst no kosmosa pa koncentriskiem lokiem.

Izkliede arī izskaidro ievērojamo krāsu spēli uz dārgakmeņu šķautnēm.

1. Izkliedes parādība ir gaismas sadalīšanās spektrā, pateicoties refrakcijas indeksa atkarībai no elektromagnētiskā starojuma frekvences, tas ir, gaismas frekvences. 2. Ķermeņa krāsu nosaka ķermeņa spēja atspoguļot vai izkliedēt noteiktu elektromagnētiskā starojuma frekvenci.

Bibliogrāfija

Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Fizika ( pamata līmenis) - M.: Mnemosyne, 2012. gads.
Gendenšteins L.E., Diks Ju.I. Fizika 10. klase. - M.: Mnemosyne, 2014. gads.
Kikoins I.K., Kikoins A.K. Fizika - 9, Maskava, Izglītība, 1990.g.

Mājasdarbs

Kādus secinājumus izdarīja Ņūtons pēc eksperimenta ar prizmu?
Definējiet dispersiju.
Kas nosaka ķermeņa krāsu?

Interneta portāls B -i-o-n.ru ().
Interneta portāls Sfiz.ru ().
Interneta portāls Femto.com.ua ().

Viegla dispersija

Katrs no mums kādreiz ir redzējis, kā stari mirdz uz grieztiem stikla izstrādājumiem vai, piemēram, uz dimantiem. To var novērot, pateicoties parādībai, ko sauc par gaismas dispersiju. Tas ir efekts, kas atspoguļo objekta (vielas, vides) refrakcijas indeksa atkarību no gaismas viļņa garuma (frekvences), kas iet caur šo objektu. Šīs atkarības sekas ir staru kūļa sadalīšanās krāsu spektrā, piemēram, izejot caur prizmu.

Gaismas izkliedi izsaka ar šādu vienādību:

kur n ir laušanas koeficients, ƛ ir frekvence un ƒ ir viļņa garums. Refrakcijas indekss palielinās, palielinoties frekvencei un samazinoties viļņa garumam. Mēs bieži novērojam izkliedi dabā.

Tās skaistākā izpausme ir varavīksne, kas veidojas dispersijas dēļ saules stari ejot cauri daudzām lietus lāsēm.

Atklāšanas un izpētes vēsture.

1665.–1667. gadā Anglijā plosījās mēra epidēmija, un jaunais Īzaks Ņūtons nolēma no tās patverties savā dzimtajā Vulstorpē. Pirms došanās uz ciematu viņš iegādājās stikla prizmas, lai "veiktu eksperimentus ar slavenajām ziedu parādībām".

Jau 1.gs jauna ēra Bija zināms, ka, izejot cauri caurspīdīgam monokristālam ar sešstūra prizmas formu, saules gaisma sadalās krāsainā joslā - spektrā. Vēl agrāk, 4. gadsimtā pirms mūsu ēras, sengrieķu zinātnieks Aristotelis izvirzīja savu krāsu teoriju. Viņš uzskatīja, ka galvenais ir saules gaisma (baltā) gaisma, un visas pārējās krāsas iegūst no tās, pievienojot tai dažādi daudzumi tumša gaisma. Šī gaismas ideja zinātnē dominēja līdz 17. gadsimtam, neskatoties uz to, ka tika veikti daudzi eksperimenti par saules gaismas sadalīšanos, izmantojot stikla prizmas.

Pētot ziedu dabu, Ņūtons izdomāja un veica veselu virkni dažādu optisku eksperimentu. Daļa no tām, bez būtiskām metodikas izmaiņām, joprojām tiek izmantotas fizikas laboratorijās.

Pirmais dispersijas eksperiments bija tradicionāls. Izdarījis nelielu caurumu aptumšotas telpas loga slēģā, Ņūtons ievietoja stikla prizmu staru kūļa ceļā, kas iet caur šo caurumu. Uz pretējās sienas viņš saņēma attēlu mainīgu krāsu sloksnes veidā. Ņūtons šādā veidā iegūto saules gaismas spektru sadalīja septiņās varavīksnes krāsās – sarkanā, oranžā, dzeltenā, zaļā, zilā, indigo, violetā.

Precīzi septiņu spektra pamatkrāsu noteikšana zināmā mērā ir patvaļīga: Ņūtons centās izdarīt analoģiju starp saules gaismas spektru un mūzikas skaņu. Ja aplūkojam spektru bez šāda aizsprieduma, tad spektra josla, kas rodas dispersijas dēļ, sadalās trīs galvenajās daļās - sarkanā, dzeltenzaļā un zili violetā. Pārējās krāsas aizņem salīdzinoši šauru apgabalu starp šīm pamata krāsām. Kopumā cilvēka acs saules gaismas spektrā spēj atšķirt līdz pat 160 dažādu krāsu toņiem.

Turpmākajos dispersijas eksperimentos Ņūtonam izdevās apvienot krāsainos starus baltā gaismā.

Pētījuma rezultātā Ņūtons, atšķirībā no Aristoteļa, nonāca pie secinājuma, ka, “sajaucot balto un melno, krāsa nerodas...”. Visas spektra krāsas ir ietvertas saules gaisma, un stikla prizma tos tikai atdala, jo dažādas krāsas stikls lauž atšķirīgi. Violetie stari laužas visspēcīgāk, sarkanie stari laužas vājāk.

Pēc tam zinātnieki konstatēja faktu, ka, uzskatot gaismu par vilni, katra krāsa ir jāsaista ar savu viļņa garumu. Ir ļoti svarīgi, lai šie viļņu garumi mainītos nepārtraukti, atbilstoši katras krāsas dažādajiem toņiem.

Vides refrakcijas indeksa izmaiņas atkarībā no tajā izplatošā viļņa garuma sauc par dispersiju (no latīņu darbības vārda “izkliedēt”). Parasta stikla laušanas koeficients ir tuvu 1,5 visiem redzamās gaismas viļņu garumiem.

Ņūtona un citu zinātnieku eksperimenti parādīja, ka, palielinoties gaismas viļņa garumam, pētāmo vielu refrakcijas indekss monotoni samazinās. Tomēr 1860. gadā, mērot joda tvaiku refrakcijas indeksu, franču fiziķis Lerū atklāja, ka sarkanos starus šī viela lauž spēcīgāk nekā zilos. Viņš šo parādību nosauca par anomālu gaismas izkliedi. Pēc tam daudzās citās vielās tika atklāta anomāla izkliede.

Mūsdienu fizikā gan parastā, gan anomālā gaismas izkliede tiek izskaidrota vienādi. Atšķirība starp normālu un anomālu izkliedi ir šāda. Normāla izkliede notiek ar gaismas stariem, kuru viļņa garums ir tālu no reģiona, kurā viela absorbē viļņus. Anomāla izkliede tiek novērota tikai absorbcijas reģionā.

Uzmanīgi aplūkojot gaismas izkliedi, var atklāt tās saistību ar elektromagnētiskā starojuma caurlaidības spēju. Patiešām, jo īsāks ir elektromagnētiskā starojuma viļņa garums, jo lielāka ir iespēja, ka starojums iekļūs matērijā telpā starp atomiem. Tāpēc rentgena un gamma starojumam ir ļoti augsta iespiešanās spēja.

Gaismas izkliede dabā un mākslā

Izkliedes dēļ var novērot dažādas gaismas krāsas.

Varavīksne, kuras krāsas ir radušās dispersijas dēļ, ir viens no galvenajiem kultūras un mākslas attēliem.

Pateicoties gaismas izkliedei, ir iespējams novērot krāsainu “gaismas spēli” uz dimanta un citu caurspīdīgu slīpētu priekšmetu vai materiālu šķautnēm.

Vienā vai otrā pakāpē varavīksnes efekti tiek konstatēti diezgan bieži, kad gaisma iet cauri gandrīz jebkuram caurspīdīgam objektam. Mākslā tos var īpaši pastiprināt un uzsvērt.

Gaismas sadalīšanās spektrā (izkliedes dēļ), kad tā tiek lauzta prizmā, vizuālajā mākslā ir diezgan izplatīta tēma. Piemēram, Pink Floyd albuma Dark Side Of The Moon vāks attēlo gaismas laušanu prizmā ar sadalīšanos spektrā.

Izkliedes atklājums bija ļoti nozīmīgs zinātnes vēsturē. Uz zinātnieka kapa pieminekļa ir uzraksts ar šādiem vārdiem: “ Šeit atrodas sers Īzaks Ņūtons, muižnieks, kurš... pirmais izskaidroja ar matemātikas lāpu, planētu kustību, komētu ceļiem un okeānu plūdmaiņām.

Viņš pētīja atšķirības gaismas staros un dažādās krāsu īpašības, kas izpaužas, par ko neviens iepriekš nebija nojautis. …Lai mirstīgie priecājas, ka pastāvēja šāda cilvēces rota.