Вера Максимова
Оптика. Строение вещества. Ядерная физика

Разложение света

Свет, который мы видим, идущим от Солнца, от электролампочки накаливания от свечи называется белым. В 1667 году Ньютон, проводя эксперименты поставил на пути белого света стеклянную трехгранную призму, рисунок 4. Белый свет, проходя через трехгранную призму, разлагается на семь цветов. Эти семь цветов людям были известны еще в глубокой древности в виде радуги на небе после дождя. Но как она образуется, объяснил впервые Ньютон.

Этим экспериментом Ньютон показал, что белый свет состоит из семи цветов.

Рисунок 4. Разложение белого цвета в трехгранной призме.

Причиной разложения белого света на спектр из семи цветов объясняется тем, что каждый цвет излучения имеет свой коэффициент преломления при прохождении через материал призмы. Угол отклонения в спектре зависит от частоты или длины волны света данного цвета. Для запоминания расположения цветов в спектре можно пользоваться мнемоническим правилом: Каждый Охотник Желает Знать Где Сидит Фазан. Первые буквы в словах правила являются первыми буквами названия соответствующего цвета: К – красный, О – оранжевый, Ж – желтый, З – зеленый, Г – голубой, С – синий, Ф – фиолетовый.

В таблице 1 представлены длины волн для разных цветов спектра.

Таблица.1. Длины волн различных цветов света

Законы геометрической оптики

Геометрическая оптика изучает законы поведения света, когда предметы, взаимодействующие с ним намного больше длины волны света.

Законы геометрической оптики вначале были приняты как аксиомы (постулаты), то есть данность, которая не может быть доказана, а воспринимается как явление присущее природе и подтверждается человеческой практикой. Это следующие законы:

1. Закон независимости световых лучей.

2. Закон прямолинейного распространения света.

3. Закон отражения света.

4. Закон преломления света.

С развитием науки эти законы были доказаны с позиций квантовой оптики.

Рассмотрим подробнее каждое утверждение.

Закон независимости световых лучей

Закон независимости световых лучей утверждает, что при пересечении световых лучей каждый луч распространяется независимо от другого. Это означает, что при пересечении световые лучи проходят сквозь друг друга, не взаимодействуя между собой.

Закон прямолинейного распространения света

Закон прямолинейного распространения света справедлив для прозрачной и однородной среды. Среда является прозрачной, если в ней может распространяться свет. Однородная среда характеризуется постоянными физическими характеристиками в любой точке. В однородной и прозрачной среде луч света распространяется по прямой линии.

Закон отражения света

Пусть луч света, распространяясь в однородной оптически прозрачной среде, падает на оптически непрозрачную среду. В оптически непрозрачной среде свет не распространяется. Но эта среда должна иметь зеркальную поверхность.

Произвольная поверхность тела всегда шероховата. То есть, после любой механической обработке поверхности, например, на токарном станке образуются микронеровности высотой несколько десятков микрон (микрон – это одна миллионная доля метра, или тысячная доля миллиметра и обозначается мкм – микрометр или 10^-6м). Ели такую поверхность отшлифовать, а затем отполировать, то величина неровностей поверхности станет несколько микрон, то есть соизмерима с длиной волны света. Эта поверхность будет блестеть. Это значит отражать свет как зеркало и такая поверхность называется зеркальной. Если на такую поверхность направить луч света под некоторым углом, то от зеркальной поверхности отразится луч, который называется отраженный луч. Луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр восстановленный к поверхности падения в точке падения лежат в одной плоскости.

На рисунке 5 луч S падает на зеркальную поверхность оптически непрозрачной среды в точку О. Из этой точки он отражается – луч S₁.

Рисунок 5. Иллюстрация к закону отражения света.

Пунктиром показан перпендикуляр восстановленный из точки О к поверхности падения луча. Угол образованный падающим лучом и перпендикуляром называется углом падения. Угол образованный отраженным лучом и перпендикуляром называется углом отражения. Согласно закону отражения света:

1. Угол падения и угол отражения равны.

2. Луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр к поверхности в точке падения лежат в одной плоскости.

Закон преломления света

Закон преломления света описывает распространение света из одной среды в другую. Среда должна быть прозрачной и однородной. Каждая такая среда имеет определенный абсолютный показатель преломления света, который обозначается буквой n (английская буква, читается – эн) определяется из соотношения:

Где: скорость света в вакууме,

– скорость света в среде.

Всегда скорость света в вакууме больше скорости в среде, отсюда следует, что и

В таблице 2 приведены скорости света в различных средах.

Таблица 2. Скорость света в различных средах

Таблица 3. Абсолютный показатель преломления веществ

Используется еще и относительный показатель преломления света первой среды относительно второй, определяемый из соотношения:

где: – относительный показатель преломления света второй среды относительно первой,

– скорость света в первой среде (откуда приходит свет),

– скорость света во второй среде (куда приходит свет).

Относительный показатель преломления может быть больше и меньше единицы.

На рисунке 6 проиллюстрирован закон преломления света.

Пусть даны две среды 1 и 2 имеющие прямолинейную границу. Абсолютный коэффициент преломления первой среды – n₁, а второй среды – n_2. Луч света S₁ из среды 1 падает под углом на границу со средой 2 в точке О. На границе двух сред происходит частичное отражение его (луч S₁) под углом , а оставшаяся часть луча (S₂) проходит в среду 2 под углом . Причем угол падения равен углу отражения . Пусть вторая среда будет оптически более плотной, чем первая. Оптически более плотная среда та, абсолютный показатель преломления которой больше. В нашем случае: n₂ n_1. Тогда угол падения будет больше угла преломления: .

То есть когда свет падает из среды менее оптически плотной в среду более оптически плотную, то угол падения больше угла преломления. Причем луч падающий, луч отраженный, луч преломленный и перпендикуляр к границе раздела сред в точке падения луча лежат в одной плоскости.

Рисунок 6. Иллюстрация закона преломления света.

Если свет падает из среды более оптически плотной в среду менее оптически плотную, то угол падения меньше угла преломления.

Необходимо отметить выполнение принципа обратимости лучей. Это означает, что если на рисунке 6 луч S₂ будет падающим, то ход лучей будем таким же. В этом случае луч падает из среды оптически более плотной 2 в среду оптически менее плотную 1. Тогда как было отмечено ранее угол падения меньше угла преломления.

В начале 17 века голландским ученым Снеллиусом было определено соотношение между углами падения и преломления и абсолютными коэффициентами преломления. Это соотношение называется законом Снеллиуса:

,

где: – угол падения луча,

– угол преломления луча,

– абсолютный показатель преломления первой среды (откуда идет луч),

– абсолютный показатель преломления второй среды (куда идет луч).