ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 29.11.2023
Просмотров: 388
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
*) Томас Юнг (1773—1829) — английский физик и врач.
выражение в электромагнитной теории света, выдвинутой Максвеллом в 1876 г. (см. § 58).
Электромагнитная теория света устранила все трудности, связанные с гипотезой упругого твердого эфира. Для понимания процесса распространения электромагнитных волн нет надобности предполагать мировое пространство заполненным каким-либо веществом. Электромагнитные волны (в том числе и свет) могут распространяться и в вакууме (ср. § 33). Электромагнитная волна представляет собой (см. §§ 54 и 59) распространение переменного электромагнитного поля, причем напряженности электрического и магнитного полей перпендикулярны друг к другу и к линии распространения волны: электромагнитные волны поперечны. Таким образом, поперечность световых волн, доказанная опытами по поляризации света, естественно объясняется электромагнитной теорией света. В световой волне, как и во всякой электромагнитной волне, имеются одновременно два взаимно перпендикулярных направления колебаний: направления колебаний напряженностей электрического и магнитного полей. Все, что мы говорили о направлении световых колебаний, относится к направлению колебаний напряженности электрического поля. В частности, специальные опыты позволили установить, что в волне, прошедшей через турмалин, колебание напряженности электрического поля направлено вдоль оптической оси турмалина.
39. Цвет.
Состояние вопроса о цвете тел до исследований Ньютона. Вопрос о причине различной окраски тел естественно занимал ум человека уже давно. Очень большое количестве наблюдений, и чисто житейских, и научных, было в распоряжении исследователей, но вплоть до работ Ньютона (начавшихся около 1666 г.) в этом вопросе царила полная неопределенность. Считалось, что цвет есть свойство самого тела, хотя внимательное наблюдение обнаруживало, что в зависимости от времени дня или условий освещения нередко наблюдается очень значительное изменение в цвете тел, Существовало мнение, что различные цвета получаются как «смесь» света и темноты, т. е. смешивались два существенно различных понятия — цвет и освещенность. С незапамятных, времен наблюдались превосходные (радужные) цвета радуги и даже было известно, что образование радуги связано с освещением дождевых капель. Так, французский физик Рене Декарт (1596—1650) наблюдал искусственную радугу на водяной пыли фонтанов и производил опыты по получению радуги со стеклянными шарами, наполненными водой. В 1637 г. Декарт объяснил форму и угловые размеры радуги на небесном своде, но причины цветов радуги и их последовательности ему оставались неясными.
Точно так же игра цветов в граненых алмазах и даже в стеклянных призмах была хорошо известна. На Востоке, в частности в Китае, украшения в виде стеклянных призм, дающих радужные блики, принадлежали к числу излюбленнейших. Европейцы неоднократно описывали эти китайские игрушки. И тем не менее никто не сопоставлял между собой эти многочисленные и разнообразные явления, и связь между великолепными красками радуги, играющей на небе, и цветом тел была открыта только в замечательных исследованиях Ньютона.
§ 160. Основное открытие Ньютона в оптике. Ньютон обратился к исследованию цветов, наблюдаемых при преломлении света, в связи с попытками усовершенствования телескопов. Стремясь получить линзы возможно лучшего качества, Ньютон убедился, что главным недостатком изо-5ражений является наличие окрашенных краев. Как известно, это обстоятельство заставило его начать строить телескопы с зеркалом (рефлекторы) (§ 119). Исследуя окрашивание при преломлении, Ньютон сделал свои величайшие оптические открытия.
Рис. 309. Схема основного опыта Ньютона по дисперсии света. Расстояние от экрана до призмы достаточно велико, чтобы можно было различать отдельные цветные полосы
Сущность открытий Ньютона поясняется следующими опытами (рис. 309). Свет от фонаря освещает узкое отверстие S (щель). При помощи линзы Lизображение щели получается на экране MNв виде короткого белого прямоугольника S'. Поместив на пути лучей призму Р, ребро которой параллельно щели, обнаружим, что изображение щели сместится и превратится в окрашенную полоску, переходы цветов в которой от красного к фиолетовому подобны наблюдаемым в радуге. Это радужное изображение Ньютон назвал спектром *) (рис. 310).
Если прикрыть щель цветным стеклом, т. е. если направлять на призму вместо белого света цветной, изображение щели сведется к цветному прямоугольнику, располагающемуся на соответствующем месте спектра, т. е. в зависимости от цвета свет будет отклоняться на различные углы от первоначального изображения
S'. Описанное наблюдение показывает, что лучи разного цвета различно преломляются призмой.
Это важное заключение Ньютон проверил многими опытами. Важнейший из них состоял в определении показателя
*•) Спектр — лат, spectrum — видение,
преломления лучей различного цвета, выделенных из спектра. Для этой цели в экране MN(рис. 309), на котором получается спектр, прорезалось отверстие; перемещая экран, можно было выпустить через отверстие узкий пучок лучей того или иного цвета. Такой способ выделения однородных лучей более совершенен, чем выделение при помощи
Рис. 310. Опыт Ньютона — разложение солнечного света. По рисунку академика Крафта, хранящемуся в кунсткамере Академии наук
(XVIII век)
цветного стекла. Опыты обнаружили, что такой выделенный пучок, преломляясь во второй призме, уже не растягивается в полоску. Такому пучку соответствует определенный показатель преломления, значение которого зависит от цвета выделенного пучка.
§ 161. Истолкование наблюдений Ньютона. Описанные опыты показывают, что для узкого цветного пучка, выделенного из спектра, показатель преломления имеет вполне определенное значение, тогда как преломление белого света можно только приблизительно охарактеризовать одним каким-то значением этого показателя. Сопоставляя подобные наблюдения, Ньютон сделал вывод, что существуют простые цвета, не разлагающиеся при прохождении через призму, и сложные, представляющие совокупность простых, имеющих разные показатели преломления. В частности, солнечный свет есть такая совокупность цветов, которая при помощи призмы разлагается, давая спектральное изображение щели.
Таким образом, в основных опытах Ньютона заключались два важных открытия: 1) свет различного цвета характеризуется разными показателями преломления в данном веществе (дисперсия) *); 2) белый цвет есть совокупность простых цветов.
Мы знаем в настоящее время, что разным цветам соответствуют различные длины световых волн. Поэтому первое открытие Ньютона можно сформулировать таким образом:
показатель преломления вещества зависит от длины световой волны. Обычно он увеличивается по мере уменьшения длины волны.
Первое открытие Ньютона сохраняется в неизменной формулировке и до настоящего времени. Что же касается второго утверждения, то надо отметить значительную сложность вопроса о природе белого света. Эта проблема выходит за рамки излагаемого в этой книге материала.
Впрочем, для очень большого числа практических вопросов мы можем заменить белый свет совокупностью соответствующим образом подобранных простых (монохроматических) цветов, т. е. рассматривать белый свет как смесь этих цветов.
Открытие явления разложения белого света на цвета при преломлении позволило объяснить образование радуги и других подобных метеорологических явлений. Преломление света в водяных капельках или ледяных кристалликах, плавающих в атмосфере, сопровождается благодаря дисперсии в воде или льде разложением солнечного света. Рассчитывая направление преломления лучей в случае сферических водяных капель, мы получаем картину распределения цветных дуг, точно соответствующую наблюдаемым в радуге. Аналогично, рассмотрение преломления света в кристалликах льда позволяет объяснить явления кругов вокруг Солнца и Луны в морозное время года, образование так называемых ложных солнц, столбов и т. д.
§ 162. Дисперсия показателя преломления различных материалов. Измерения показателя преломления в зависимости от длины волны для разных веществ показывают, что дисперсия различных материалов может быть весьма различна. В табл. 9 приведены в качестве примера значения
*) Дисперсия — лат. dispersus — рассеянный, разбросанный. Наблюдавшееся Ньютоном явление следует точнее называть дисперсией показателя преломления, ибо и другие оптические величины обнаруживают зависимость от длины волны (дисперсию).
Таблица 9. Зависимость показателя преломления от длины волны для разных веществ
показателя преломления в зависимости от длины волны для двух сортов стекла и двух различных жидкостей.
На рис. 311 изображено, как выглядел бы спектр солнечного света, полученный при помощи призм одинаковой формы, сделанных из перечисленных в таблице материалов.
Рис.311. Сравнительная дисперсия разных веществ: 1 — вода, 2 — легкий крон, 3 — тяжелый флинт. О темных линиях в спектре см. в § 178
Различие в дисперсии для разных стекол позволяет исправлять хроматическую аберрацию, как об этом упоминалось в § 106.
§ 163. Дополнительные цвета. Как было сказано в § 160, основной опыт Ньютона состоял в разложении белого света в спектр. Естественно ожидать, что если мы смешаем все цвета полученного спектра, то вновь получится белый свет. Соответствующие опыты также были осуществлены Ньютоном. Смешение спектральных цветов можно осуществить, например, следующим образом. Направим на призму Р (рис. 312) параллельный пучок белого света. На выходной грани призмы поместим диафрагму Dи за призмой расположим линзу L. В главной фокальной плоскости MNлинзы, где сходятся параллельные пучки различных цветов, получим цветную полоску крф (спектр), ибо лучи разных цветов падают на линзу под разными углами и, следовательно, собираются в разных точках фокальной плоскости. Но эти же цветные пучки лучей, проходящие через диафрагму