§ 144. Проходження світла через турмалін. Явища інтерференції і дифракції, що послужили для обгрунтування хвильової природи світла, не дають ще повного уявлення про характер світлових хвиль. Нові риси відкриває нам досвід над проходженням світла через кристали, зокрема через турмалін.

Мал. 295. Схема досвіду зі спостереження проходження світла через дві пластинки турмаліну: S - джерело світла; 1 - перша і 2 - друга пластинки турмаліну

являє собою кристал буро-зеленого кольору, то слід минулого пучка на екрані представиться у вигляді темно-

зеленого плямочки. Почнемо повертати одну з пластинок навколо пучка, залишаючи другу нерухомою (рис. 295). Ми виявимо, що слід пучка стає слабкішим, і коли

платівка повернеться на 90 °, він зовсім зникне. при по-

*) Турмалин - монокристал складного хімічного складу (що містить оксиди алюмінію, кремнію, бору та інших хімічних елементів).

нейшем обертанні пластинки проходить пучок знову почне посилюватися і дійде до колишньої інтенсивності, коли платівка повернеться на 180 °, т. е. коли оптичні осі пластинок знову розташуються паралельно. При подальшому обертанні турмаліну пучок знову слабшає, проходить через мінімум (зникає), коли осі пластинок виявляються перпендикулярними, і доходить до колишньої інтенсивності, коли платівка зайняв свою попередню позицію.

Таким чином, при повороті платівки на 360 ° інтенсивність пучка, що пройшов через обидві пластинки, два рази досягає максимуму (коли осі пластинок паралельні). Явища протікають абсолютно однаково, яку б з двох платівок ми ні повертали і байдуже в який бік, а також чи будуть пластинки стикатися або перебувати на деякій відстані один від одного (рис. 295).

Але якщо усунути одну з пластинок і обертати другу, або обертати обидві пластинки разом так, щоб осі їх весь час становили незмінний кут, то ми не виявимо ніякої зміни в інтенсивності проходить пучка. Таким чином, зміна інтенсивності відбувається тільки тоді, коли світло, що пройшло одну з пластинок, зустрічає іншу, вісь якої змінює свій напрямок по відношенню до осі першої.

§ 145. Гіпотези, що пояснюють спостережувані явища. Поняття про поляризованому світлі. Отже, світло, що пройшло крізь турмалін, набуває особливих властивостей. Властивості світлових хвиль в площині, перпендикулярній до напрямку поширення світла, стають анізотропними, т. Е. Неоднаковими щодо площини, що проходить через промінь і вісь турмаліну. Тому здатність такого світла проходити через другу пластину турмаліну залежить від орієнтації оптичної осі цієї платівки щодо оптичної осі першої платівки. Такий анізотропії не було в пучку, що йде безпосередньо від ліхтаря (або сонця), бо по відношенню до цього пучку орієнтація турмаліну була байдужа.

Можна пояснити все що спостерігаються явища, якщо зробити наступні висновки.

1.Световие коливання в пучку спрямовані перпендикулярно до лінії поширення світла (світлові хвилі поперечні).

2.Турмалін здатний пропускати світлові коливання тільки в тому випадку, коли вони спрямовані певним чином щодо його осі (наприклад, паралельно осі).

3. У світлі ліхтаря (сонця) представлені поперечні коливання будь-якого напрямку і до того ж в однаковій частці, так що ні один напрямок не є переважним.

Ми будемо надалі називати світло, в якому в однаковій частці представлені всі напрямки поперечних коливань, природним світлом.

Висновок 3 пояснює, чому природне світло в однаковій мірі проходить через турмалін при будь-якій його орієнтації, хоча турмалін, згідно з висновком 2, здатний пропускати світлові коливання тільки певного напряму. Дійсно, як би не був орієнтований турмалін, в природному світлі завжди виявиться одна і та ж частка коливань, напрямок яких збігається з напрямком, що пропускається турмаліном. Проходження природного світла через турмалін призводить до того, що з поперечних коливань відбираються тільки ті, які можуть пропускатися турмаліном. Тому світло, що пройшло через турмалін, буде являти собою сукупність поперечних коливань одного напрямку, що визначається орієнтацією осі турмаліну. Таке світло ми будемо називати лінійно поляризованим, а площину, яка містить напрямок коливань і вісь світлового пучка, - площиною поляризації.

Тепер стає зрозумілим досвід з проходженням світла через дві послідовно поставлені пластинки турмаліну. Перша платівка поляризує проходить через неї пучок світла, залишаючи в ньому коливання тільки одного напрямку. Ці коливання можуть пройти через другий турмалін повністю тільки в тому випадку, коли напрямок їх збігається з напрямком коливань, що пропускаються другим турмаліном, т. Е. Коли його вісь паралельна осі першого. Якщо ж напрямок коливань в поляризованому світлі перпендикулярно до напрямку коливань, пропускаються другим турмаліном, то світло буде повністю затриманий. Це має місце, коли платівки турмаліну, як кажуть, схрещені, т. Е. Їх осі складають кут 90 °. Нарешті, якщо напрямок коливань в поляризованому світлі становить гострий кут з напрямком, що пропускається турмаліном, то коливання будуть пропущені лише частково.

§ 146. Механічна модель явищ поляризації. Пояснення, запропоноване в попередньому параграфі, можна ілюструвати за допомогою механічних дослідів. Мотузка, що коливається в одній площині, наприклад у вертикальній, може служити моделлю поляризованої світлової хвилі. Моделлю природної світлової хвилі служить мотузка, площина коливань якої швидко змінюється, приймаючи за короткий термін різноманітні орієнтації. Дві дошки, розділені вузьким зазором (щілину), грають роль моделі турмаліну: коливання мотузки, спрямовані уздовж зазору, легко проходять через щілину, коливання, перпендикулярні до зазору, затримуються. Досліди, зображені

Мал. 296. Механічна модель явища проходження світлової хвилі через дві пластинки турмаліну

на рис. 296, цілком відповідають описаним вище оптичним дослідам. Вони показують, що «природні» коливання мотузки пропускаються в однаковій мірі за будь-якої орієнтації щілини. Дві послідовно поставлені щілини пропускають коливання більшої або меншої амплітуди в залежності від взаємної орієнтації щілин. При перпендикулярності щілин коливання мотузки крізь них не проходить. Досліди показують також, що щілина поляризує «природні» коливання мотузки.

§ 147. поляроїда. Кристал турмаліну далеко не єдиний кристал, який поляризує проходить через нього світло. Дуже багато кристали володіють подібними властивостями. Але більшість з них, наприклад ісландський шпат, пропускає одночасно два променя, поляризованих в двох взаємно перпендикулярних напрямках. Це нерідко ускладнює спостереження поляризованого світла і вимагає спеціальних пристосувань для відділення одного з цих променів від іншого. Деякі кристали, в тому числі і турмалін, поглинають один з двох поляризованих променів настільки сильно, що крізь пластинку товщиною близько міліметра практично проходить тільки один промінь, поляризований в певному напрямку. Такі кристали називають дихроїчними.

Існують кристали, ще сильніше затримують один з поляризованих променів, ніж це відбувається в турмалін (наприклад, кристали йодистого хініну), так що кристалічна плівка товщиною в десяту частку міліметра і навіть тонше практично повністю відокремлює один з поляризованих променів. Наносячи ці плівки на целулоїд, отримують поляризующую пластинку розміром в декілька квадратних дециметрів. Такі платівки звуться поляроидов і являють собою зручні і дешеві поляризующие пристосування великій поверхні. Всі досліди, описані в § 144, легко можуть бути виконані з двома шматочками поляроїда.

§ 148. Поперечність світлових хвиль і електромагнітна теорія світла. Гіпотези § 145 настільки повно і добре дозволили пояснити всі деталі дослідів з турмаліном, що можна вважати ці гіпотези цілком обґрунтованими. Найважливішою з них є висновок про поперечности світлових хвиль. За допомогою уявлення про поперечних світлових хвилях вдається також чудово пояснити і численні інші явища, пов'язані з поляризацією світла. Таким чином, велика і різноманітна група явищ поляризації світла служить надійним обгрунтуванням ідеї, згідно з якою світлова хвиля є хвиля поперечна, т. Е. Напрямки коливань в ній перпендикулярні до напрямку поширення хвилі.

Визнання світлових хвиль поперечними мало дуже велике значення в навчанні про світло. Френель, Юнг *) та інші дослідники, що влаштувалися хвильову природу світла, вважали, що світлові хвилі мають характер пружних хвиль, що поширюються в особливому середовищі, що заповнює весь простір і названої світловим ефіром. Згодом, однак, з'ясувалося, що гіпотеза пружного ефіру і уявлення про світло як про напружені хвилі не можуть задовільно пояснити ряд виявлених явищ. Так, були встановлені факти, виявляли тісний зв'язок між електромагнітними і оптичними явищами. З цих фактів на першому місці стояли досліди, які показали можливість впливати за допомогою магнітного або електричного поля на характер поляризації світла. Далі було відкрито вплив електричного і магнітного полів на частоту світла, що випускається атомами, і можливість за допомогою світла викликати деякі електричні процеси (наприклад, фотоефект; див. Нижче, § 183) і т. Д. Зв'язок між оптичними та електромагнітними явищами знайшла своє

*) Томас Юнг (1773-1829) - англійський фізик і лікар.

вираз в електромагнітної теорії світла, висунутої Максвеллом в 1876 р (див. § 58).

Електромагнітна теорія світла усунула всі труднощі, пов'язані з гіпотезою пружного твердого ефіру. Для розуміння процесу поширення електромагнітних хвиль немає потреби припускати світовий простір заповненим якою-небудь речовиною. Електромагнітні хвилі (в тому числі і світло) можуть поширюватися і в вакуумі (пор. § 33). Електромагнітна хвиля являє собою (див. §§ 54 і 59) поширення змінного електромагнітного поля, причому напруженості електричного і магнітного полів перпендикулярні один до одного і до лінії поширення хвилі: електромагнітні хвилі поперечні. Таким чином, поперечності світлових хвиль, доведена дослідами по поляризації світла, природно пояснюється електромагнітної теорії світла. В світловій хвилі, як і у всякій електромагнітної хвилі, є одночасно два взаємно перпендикулярних напрямки коливань: напрямки коливань напруженостей електричного і магнітного полів. Все, що ми говорили про направлення світлових коливань, відноситься до напрямку коливань напруженості електричного поля. Зокрема, спеціальні досліди дозволили встановити, що в хвилі, що пройшла через турмалін, коливання напруженості електричного поля направлено вздовж оптичної осі турмаліну.

Колір.

Стан питання про колір тел до досліджень Ньютона. Питання про причини різного забарвлення тел природно займав розум людини вже давно. Дуже велике кількості спостережень, і чисто життєвих, і наукових, було в розпорядженні дослідників, але аж до робіт Ньютона (що почалися близько 1666 г.) в цьому питанні панувала повна невизначеність. Вважалося, що колір є властивість самого тіла, хоча уважне спостереження виявляло, що в залежності від часу дня або умов освітлення нерідко спостерігається дуже значна зміна в кольорі тел, Існувала думка, що різні кольори виходять як «суміш» світла і темряви, т. Е . змішувалися два істотно різних поняття - колір і освітленість. З незапам'ятних, часів спостерігалися чудові (райдужні) кольори веселки і навіть було відомо, що освіта веселки пов'язано з освітленням дощових крапель. Так, французький фізик Рене Декарт (1596-1650) спостерігав штучну веселку на водяного пилу фонтанів і провадив досліди з отримання веселки зі скляними кулями, наповненими водою. В 1637 р Декарт пояснив форму і кутові розміри веселки на небосхилі, але причини кольорів веселки і їх послідовності йому залишалися неясними.

Точно так же гра кольорів в гранованих алмазах і навіть в скляних призмах була добре відома. На Сході, зокрема в Китаї, прикраси у вигляді скляних призм, що дають райдужні відблиски, належали до числа найулюбленіших. Європейці неодноразово описували ці китайські іграшки. І тим не менше ніхто не зіставляв між собою ці численні і різноманітні явища, і зв'язок між чудовими фарбами веселки, що грає на небі, і кольором тіл була відкрита тільки в чудових дослідженнях Ньютона.

§ 160. Основне відкриття Ньютона в оптиці. Ньютон звернувся до дослідження квітів, які спостерігаються при ламанні світла, в зв'язку зі спробами удосконалення телескопів. Прагнучи отримати лінзи можливо кращої якості, Ньютон переконався, що головним недоліком з-5раженій є наявність забарвлених країв. Як відомо, ця обставина змусила його розпочати будувати телескопи з дзеркалом (рефлектори) (§ 119). Досліджуючи фарбування при ламанні, Ньютон зробив свої найбільші оптичні відкриття.

Мал. 309. Схема основного досвіду Ньютона по дисперсії світла. Відстань від екрана до призми досить велике, щоб можна було розрізняти окремі кольорові смуги

Сутність відкриттів Ньютона пояснюється наступними дослідами (рис. 309). Світло від ліхтаря висвітлює вузький отвір S (щілину). За допомогою лінзи L зображення щілини виходить на екрані MN у вигляді короткого білого прямокутника S '. Помістивши на шляху променів призму Р, ребро якої паралельно щілини, виявимо, що зображення щілини зміститься і перетвориться в забарвлену смужку, переходи кольорів в якій від червоного до фіолетового подібні спостережуваним у веселці. Це райдужне зображення Ньютон назвав спектром *) (рис. 310).

Якщо прикрити щілину кольоровим склом, т. Е. Якщо направляти на призму замість білого світла кольоровий, зображення щілини зведеться до кольоровому прямокутнику, розташованому на відповідному місці спектра, т. Е. В залежності від кольору світло буде відхилятися на різні кути від початкового зображення S '. Описане спостереження показує, що промені різного кольору по-різному переломлюються призмою.

Це важливий висновок Ньютон перевірив багатьма дослідами. Найважливіший з них полягав у визначенні показника

* •) Спектр - лат, spectrum - бачення,

заломлення променів різного кольору, виділених із спектру. Для цієї мети в екрані MN (рис. 309), на якому виходить спектр, прорізався отвір; переміщаючи екран, можна було випустити через отвір вузький пучок променів того чи іншого кольору. Такий спосіб виділення однорідних променів більш досконалий, ніж виділення за допомогою

Мал. 310. Досвід Ньютона - розкладання сонячного світла. За малюнком академіка Крафта, що зберігається в Кунсткамері Академії наук

(XVIII століття)

кольорового скла. Досліди виявили, що такий виділений пучок, заломлюючись в другій призмі, вже не розтягується в смужку. Такому пучку відповідає певний показник заломлення, значення якого залежить від кольору виділеного пучка.

§ 161. Тлумачення спостережень Ньютона. Описані досліди показують, що для вузького кольорового пучка, виділеного із спектру, показник заломлення має цілком певне значення, тоді як переломлення білого світла можна тільки приблизно охарактеризувати одним якимось значенням цього показника. Зіставляючи подібні спостереження, Ньютон зробив висновок, що існують прості кольору, не розкладаються при проходженні через призму, і складні, що представляють сукупність простих, що мають різні показники заломлення. Зокрема, сонячне світло є така сукупність квітів, яка за допомогою призми розкладається, даючи спектральне зображення щілини.

Таким чином, в основних дослідах Ньютона полягали два важливих відкриття: 1) світло різного кольору характеризується різними показниками заломлення в даному речовині (дисперсія) *); 2) білий колір є сукупність простих кольорів.

Ми знаємо в даний час, що різним кольорам відповідають різні довжини світлових хвиль. Тому перше відкриття Ньютона можна сформулювати таким чином: показник заломлення речовини залежить від довжини світлової хвилі. Зазвичай він збільшується в міру зменшення довжини хвилі.

Перше Відкриття Ньютона зберігається в незмінною формулюванні и до теперішнього часу. Що ж стосується іншого тверджень, то треба відзначіті значний складність питання про природу білого світла. Ця проблема виходить за рамки викладеного в цій книзі матеріалу.

Втім, для дуже великого числа практичних питань ми можемо замінити білий світ сукупністю відповідним чином підібраних простих (монохроматичних) квітів, т. Е. Розглядати білий світ як суміш цих кольорів.

Відкриття явища розкладання білого світла на кольори при ламанні дозволило пояснити освіту веселки і інших подібних метеорологічних явищ. Заломлення світла в водяних крапельках або крижаних кристаликах, плаваючих в атмосфері, супроводжується завдяки дисперсії у воді або льоді розкладанням сонячного світла. Розраховуючи напрямок заломлення променів в разі сферичних водяних крапель, ми отримуємо картину розподілу кольорових дуг, точно відповідну спостережуваним у веселці. Аналогічно, розгляд заломлення світла в кристаликах льоду дозволяє пояснити явища кіл навколо Сонця і Місяця в морозний час року народження, освіта так званих помилкових сонць, стовпів і т. Д.

§ 162. Дисперсія показника заломлення різних матеріалів. Вимірювання показника заломлення в залежності від довжини хвилі для різних речовин показують, що дисперсія різних матеріалів може бути дуже різна. У табл. 9 наведено для прикладу, значення

*) Дисперсія - лат. dispersus - розсіяний, розпорошений. Спостерігалося Ньютоном явище слід точніше називати дисперсією показника заломлення, бо і інші оптичні величини виявляють залежність від довжини хвилі (дисперсію).

Таблиця 9. Залежність показника заломлення від довжини хвилі для різних речовин

показника заломлення в залежності від довжини хвилі для двох сортів скла і двох різних рідин.

На рис. 311 зображено, як виглядав би спектр сонячного світла, отриманий за допомогою призм однакової форми, зроблених з перерахованих в таблиці матеріалів.

Ріс.311. Порівняльна дисперсія різних речовин: 1 - вода, 2 - легкий крон, 3 - важкий флінт. Про темних лініях в спектрі см. В § 178

Різниця в дисперсії для різних стекол дозволяє виправляти хроматичну аберацію, як про це згадувалося в § 106.

§ 163. Додаткові кольори. Як було сказано в § 160, основний досвід Ньютона полягав у розкладанні білого світла в спектр. Природно очікувати, що якщо ми змішаємо всі кольори отриманого спектра, то знову вийде білий світ. Відповідні досліди також були здійснені Ньютоном. Змішання спектральних квітів можна здійснити, наприклад, наступним чином. Направимо на призму Р (рис. 312) паралельний пучок білого світла. На вихідний грані призми помістимо діафрагму D і за призмою розташуємо лінзу L. У головній фокальній площині MN лінзи, де сходяться паралельні пучки різних кольорів, отримаємо кольорову смужку КРФ (спектр), бо промені різних кольорів падають на лінзу під різними кутами і, отже, збираються в різних точках фокальній площині. Але ці ж кольорові пучки променів, що проходять через діафрагму D за різними напрямками, дадуть завдяки лінзі L зображення діафрагми D у вигляді білого

Мал. 312. Схематичне зображення досвіду по змішуванню кольорів. Малюнок має кольоровий дублікат (див. Форзац)

гуртка в площині АВ; в кожній точці зображення змішані всі промені, які входили до складу пучка білого світла, що впав на призму.

Помістимо тепер в площину MN, де отримано різке зображення спектра, якусь непрозору смужку (наприклад, олівець) так, щоб вона затримала який-небудь ділянку спектра, наприклад зелений (рис. 313).

Мал. 313. Олівець Про затримує частину спектру (зелену). Малюнок має кольоровий дублікат (див. Форзац)

Тоді зображення виявиться кольоровим і притому червоним. Перемістимо олівець так, щоб він затримував інші промені спектру, наприклад сині; зображення стане жовтим. Переміщаючи олівець паралельно самому собі уздовж MN, т. Е. Послідовно закриваючи доступ то одним, то іншим променям, ми змусимо змінюватися забарвлення зображення, бо при кожному положенні олівця в освіті зображення беруть участь не всі кольори променів білого світла, а лише частина їх.

Мал. 314. Прнзмочка Р відхиляє частину спектру (зелену]. Малюнок має кольоровий дублікат (див. Форзац)

Ще наочніше стає подібний досвід, якщо відхилити частина променів спектру в сторону, помістивши на їх шляху дзеркальце або прізмочкі (рис. 314).

Мал. 315. Картини перекриття зображень в додаткових кольорах,

отримані за методом, схематично представленому на рис. 314.

Малюнок має кольоровий дублікат (див. Форзац)

В такому випадку на екрані АВ ми отримаємо два зображення, розташованих поруч один з одним. Одне утворено відхиленими променями, інше - всіма іншими променями спектра. Обидва зображення опиняться кольоровими. Якщо кут відхилення підібраний так, що кольорові зображення частково перекривають один одного, то загальна частина зображення буде висвітлена всіма променями спектра і буде білою.

Таким чином, загальна картина буде подібна зображеної на рис. 315. Частини А і В, покриті простий штрихуванням, пофарбовані в різні кольори, а частина С - біла. Кольори ділянок А і В звуться додаткових, бо вони доповнюють один одного до білого кольору.

Варіюючи описані досліди, можна підібрати досить велика кількість сполучень додаткових квітів. Деякі з них наведені в табл. 10.

Таблиця 10. Додаткові кольори

Додаткові кольори можна отримувати і за допомогою відповідним чином підібраних кольорових стекол. Якщо скла обрані вдало, то, отримавши з їх допомогою два кольорових зображення, частково накладаються один на одного, ми можемо отримати картину, подібну зображеною на рис. 315. Два додаткових кольори в сукупності можуть і не представляти собою всього спектра. Так, наприклад, вузьку ділянку червоного кольору досить вдало доповнює відповідну ділянку зеленого. Однак найбільш досконалими додатковими кольорами є кольори, отримані розділенням спектру білого світла на дві частини.

Date: 2015-05-17; view: 940; Порушення авторських прав