Дисперсія світла. Спектроскоп

1. ФІЗИЧНІ ОСНОВИ КОЛЬОРУ

   

   Чому сонце жовте?
   Чому небо синє?
   Чому трава зелена?
   Чому буває кольорова райдуга?
   Чому змінюється колір предмета?
   
   Ще сто років тому на ці дитячі питання не змогли би відповісти самі відомі вчені. Колір - це таке просте явище природи, а ось істинне зрозуміння того, що уявляє собою колір, прийшло до людства зовсім недавно. Першою наукою, яка стала вивчати світло та колір, була фізика. Виявилось, що колір — не тільки складне для нашого зрозуміння явище, колір також має непростий склад. Його можна розподілити на частки, а потім всі зібрати, об`єднати та знову отримати первинний білий колір. Видиме світло дає нам найбільш повне відтворення дійсності. Зір постачає мозок людини значно більшим обсягом інформації, ніж будь-який інший орган почуттів, а наша здатність обробляти зорову інформацію розвинена найбільше сильно. При цьому існує один з головних недоліків головного мозку — нездатність зберігати у візуальній пам'яті всі подробиці видимого зображення, перебороти який людина намагається постійно. Світло за своєю природою значно більш складне і мінливе явище, чим може припустити звичайна людина, час зорового сприйняття якої обмежене тривалістю його життя. Наші очі і мозок спільно прагнуть пристосувати, скорегувати, відкинути чи проігнорувати багато особливостей освітлення. Без глибокого розуміння природи світла і освітлення не можна досягти професійної майстерності при роботі над будь-яким видом створення кольорових зображень. В часи Середньовіччя вважали світло надзвичайно делікатним тілом, що ширилося з ока до зовнішніх предметів. І тільки у 1704 році Ньютон пояснив, що світло — це вібрація безконечно малих невидимих світлових частин, що виходять із світного тіла.

У 1665 р. видатний англійський вчений Ісаак Ньютон (1643-1727), провів серію цікавих дослідів. Для отримання вузького пучка сонячного світла Ньютон зробив у віконниці невеликий круглий отвір.

Проходячи крізь призму, пучок білого світла заломлюється, і на екрані утворюється веселкова смужка – спектр.

У спектрі виділяють сім кольорів: червоний, оранжевий, жовтий, зелений, блакитний, синій, фіолетовий (Чапля Осінь Жде Завзято Буде Сани Фарбувати).

Ньютон виділив із широкого різнокольорового пучка променів вузькі одноколірні (монохроматичні) пучки світла і знову спрямовував їх на призму. Такі пучки відхилялися призмою, але вже не розкладались у спектр. При цьому найбільше відхилявся фіолетовий пучок світла, а найменше – червоний.

Результати цих дослідів дозволили Ньютону дійти таких висновків:

1) призма не «фарбує» біле світло, а розкладає його у спектр;

2) пучок білого світла складається з багатьох різнокольорових пучків;

3) показник заломлення середовища для променів різного кольору є різним.

Дисперсія світла

Чому пучки різних кольорів по-різному відхиляються призмою?

Згідно з хвильовою теорією світла колір світла визначається частотою електромагнітної хвилі, якою є світло. Найменшу частоту має червоне світло, найбільшу – фіолетове.

Аналізуючи досліди Ньютона та спираючись на хвильову теорію світла, доходимо висновку: показник заломлення світла залежить від частоти світлової хвилі. 

Чому і як з'являється веселка? Яке явище природи лежить в основі веселки? Чому різнобарвна веселка? Буває веселка взимку?

Веселка – дивовижне, але вже давно розгадане природне явище. 

Після дощу, поки маленькі краплі води ще втримуються потоками повітря, промені сонця проходять крізь них, переломлюються, відбиваються й повертаються до нас під кутом 42 градуси (оптимальний кут). Коли сонячні промені проходять крізь краплі, то світло розкладається на кольори спектра від червоного до фіолетового.

Чим більші краплі води, тим яскравіший і насиченіший колір веселки. Двоє людей, що стоять поруч, не можуть побачити абсолютно однакову веселку, тому що розмір і щільність крапель у різних місцях не однакові. Поступово кількість і розмір крапельок зменшується; вони або випаровуються або падають на землю, - і веселка втрачає свою яскравість, а потому і зовсім зникає.

Звичайно, веселку можна побачити не лише після або під час дощу: вона утворюється  біля водоспадів, фонтанів, на тлі кожної, зокрема й, штучно створеної завіси води.

Веселку  можна побачити й уночі, але тоді вона буде менш яскрава, тому що місячне світло менш інтенсивне, ніж сонячне, а за слабкої освітленості знижується чутливість  наших очей.

Perfect Round Rainbow.mp4

Спектроскоп

Спектр випромінювання речовини – це сукупність частот світлових хвиль, які містяться у випромінюванні цієї речовини.

Спектральний аналіз – метод визначення хімічного складу речовини за її спектром.

Спектральний склад світла вивчають за допомогою спектральних апаратів. Зазвичай спектральний апарат складається із трьох основних частин: коліматора, призми, лінзи.

Коліматор являє собою вузьку трубку, на одному кінці якої розташована ширма зі щілиною; щілина перебуває у фокальній площині збиральної лінзи 1. Вузький паралельний пучок світла від коліматора спрямовується на призму. Оскільки кожній частоті світла (кожному кольору) відповідає власний показник заломлення, після заломлення з призми виходять монохроматичні паралельні пучки, кожний з яких відхиляється на власний кут. Ці пучки потрапляють на іншу збиральну лінзу 2 і фокусуються на її фокальній площині.

Якщо у фокальній площині лінзи 2 розташовано фотопластину, екран тощо, такий прилад називають спектрографом.

Якщо замість лінзи 2 та екрана використовують зорову трубу, маємо справу зі спектроскопом.

Різнокольоровий світ.

...для появи кольору необхідні світло і морок,
світле та темне Й.Гете

Всі кольори є наслідком дії світла — сонячне світло є першою умовою, щоб створити враження кольору, головне світло в природі. Все те, що ми навколо бачимо, всі ті кольори, видима форма предметів є результатом сонячного освітлення, бо світло — це фізична об'єктивна причина зорових вражень, що різняться за інтенсивністю та кольором. Якщо бракує світла, то постає враження чорного. Колір предмета — це та фарба, котру він відбиває, поглинаючи всі інші. Згідно Ньютону, чорна фарба — відсутність будь-якого кольору, біла — сума всіх кольорів. Фізичне поняття "абсолютно чорне тіло" умовне. Такий об'єкт повністю поглинає всі падаючи на нього промені будь-якої довжини хвилі і вже не відпускає їх назад. Таке тіло абсолютно невидиме, тому що ні один промінь світла від нього не відбивається та не попадає в очі. В природі таких тіл не має — це недотягнений ідеал. Реальні тіла хоч трохи відображають та поглинають світло. Найчорніші бархат і сажа. Більшість всіх предметів і об`єктів, що ми бачимо та зображаємо, мають колір тільки завдяки світлу, яке на них падає. З фізичної точки зору колір поверхні є складом відбитого від предмета світлового потоку

Колір того чи іншого тіла, яке ми спостерігаємо, визначається частотою хвиль, що потрапляють в око після взаємодії світла з матеріалом, із якого складається тіло, а саме після часткового поглинання і розсіювання світла.

Розсіювання світла – це явище перетворення світла матеріальним середовищем, яке супроводжується зміною напрямку поширення світла і виявляється як невласне світіння середовища.

Поглинання світла – зменшення інтенсивності світла, яке проходить через матеріальне середовище.

Колір тіла визначається його властивістю відбивати (розсіювати) світлові хвилі тієї чи іншої частоти (довжини).

Яблуко має червоний колір, тому що воно відбиває хвилі переважно червоного кольору і поглинає хвилі всіх інших кольорів.

Листя дерев має зелений колір, тому що воно відбиває хвилі переважно зеленого кольору і поглинає хвилі всіх інших кольорів.

Якщо голуб освітлюється білим світлом і відбиває всі падаючі світлові хвилі, то голуб здаватиметься нам білим.

Чорний кіт, навпаки, взагалі не відбиває світлових хвиль, а повністю їх поглинає.

Який колір матимуть предмети, якщо на них падає світло якого-небуть іншого кольору?

Синє світло, спрямоване на червоні пелюстки троянди, майже цілком поглинеться ними, бо пелюстки відбивають переважно червоні промені, а решту – поглинають. Тому троянда, освітлена синім світлом, здаватиметься нам практично чорною.

Якщо ж червоним світлом освітити білий сніг, то він здаватиметься нам червоним, адже білий сніг відбиває промені всіх кольорів (у тому числі й червоні).

А от чорна шерсть кота добре поглинає всі промені, тому, хоч яким світлом ми його освітимо, кіт однаково здаватиметься чорним.

Перейдіть за посиланням та перевірте кольорові фільтри та зміщування кольорів

https://phet.colorado.edu/sims/html/color-vision/latest/color-vision_uk.html