¿Cuál es la ley de dispersión de la luz?
Dispersión de la luz
El fenómeno de descomposición de la luz de colores complejos en luz monocromática se llama dispersión de la luz. Newton observó por primera vez la dispersión de la luz utilizando un prisma en 1672, descomponiendo la luz blanca en bandas de luz de colores (espectro). El fenómeno de dispersión muestra que la velocidad de la luz en el medio (o índice de refracción n=c/v) cambia con la frecuencia. de la luz. La dispersión de la luz se puede conseguir mediante el uso de prismas, rejillas de difracción, interferómetros, etc.
La luz blanca se compone de varios colores: rojo, naranja, amarillo, verde, azul, índigo, violeta, etc. Se llama luz policromática. El rojo, el naranja, el amarillo, el verde y otros colores de luz se denominan luz monocromática.
Dispersión: El fenómeno de la luz de colores complejos que se descompone en luz monocromática para formar un espectro se llama dispersión de la luz. La dispersión se puede lograr utilizando instrumentos como prismas o rejillas como "sistemas de dispersión". Después de que la luz policromática ingresa al prisma, debido a que tiene diferentes índices de refracción para la luz de diversas frecuencias, las direcciones de propagación de los distintos colores de la luz se desvían en diversos grados, por lo que se dispersan cuando salen del prisma, formando un espectro.
1. Dispersión de la luz
Dispersión de la luz
El índice de refracción del medio cambia con la frecuencia de la onda luminosa o la longitud de onda en el vacío. Cuando la luz policromática se refracta en la interfaz del medio, el medio tiene diferentes índices de refracción para la luz de diferentes longitudes de onda, y los distintos colores de la luz se separan entre sí debido a los diferentes ángulos de refracción. En 1672, I. Newton utilizó un prisma para descomponer la luz solar en bandas de luz de colores. Este fue el primer experimento de dispersión realizado por humanos. La ley de dispersión suele describirse mediante la relación entre el índice de refracción n o el índice de dispersión dn/dλ del medio y la longitud de onda λ. La dispersión de cualquier medio se puede dividir en dos tipos: dispersión normal y dispersión anormal.
El fenómeno de la luz de colores complejos que se descompone en luz monocromática para formar un espectro. Deje que un rayo de luz blanca brille sobre el prisma de vidrio. Después de que el prisma refracta la luz, forma una franja de luz de color en la pantalla de papel blanco del otro lado. La disposición de color es roja cerca de la esquina superior del prisma. rojo cerca del borde inferior es violeta, con naranja, amarillo, verde e índigo en el medio. Esta banda de luz se llama espectro. Cada color de luz del espectro no se puede descomponer en otros colores de luz, por eso se llama luz monocromática. La luz formada al mezclar luz monocromática se llama luz de color complejo. La luz emitida por la luz solar, las lámparas incandescentes y las lámparas fluorescentes en la naturaleza es luz de colores complejos. Cuando la luz incide sobre un objeto, parte de la luz es reflejada por el objeto y parte de la luz es absorbida por el objeto. Si el objeto es transparente, parte de él se verá a través del objeto. Diferentes objetos tienen diferente reflexión, absorción y transmisión de diferentes colores, por lo que aparecen en diferentes colores.
Las ondas de luz tienen una frecuencia determinada. El color de la luz está determinado por la frecuencia de la onda de luz. En la región de la luz visible, la luz roja tiene la frecuencia más pequeña y la luz violeta tiene la frecuencia más grande. de luz de varias frecuencias propagándose en el vacío De todos modos, igual a. Sin embargo, cuando la luz monocromática de diferentes frecuencias se propaga en un medio, debido al efecto del medio, la velocidad de propagación es menor que la velocidad en el vacío y las velocidades son diferentes entre sí. La velocidad de la luz roja es grande y la velocidad de propagación de la luz violeta es pequeña. Por lo tanto, el índice de refracción del medio para la luz roja es pequeño y el índice de refracción para la luz violeta es grande. Cuando diferentes colores de luz inciden sobre el prisma en el mismo ángulo de incidencia, la luz roja es la que menos se desvía y se encuentra en el extremo del espectro cerca del ángulo del vértice. La luz violeta tiene una alta frecuencia y un alto índice de refracción en el medio, por lo que está dispuesta en el extremo más cercano a la parte inferior del prisma en el espectro.
Después de una lluvia de verano, a menudo aparece en el cielo un arco colorido frente al sol. Se trata de un arco iris. La razón por la que se forma un arco iris es que después de que llueve, hay muchas gotas de agua muy pequeñas suspendidas en el cielo. La luz del sol golpea estas gotas de agua en un cierto ángulo y se dispersa. Cuando miras las pequeñas gotas de agua, se ve colorido. Aparecerá el arcoíris. El color del arcoíris es rojo, dispuesto en secuencia con morado en el exterior y morado en el interior.
2. Dispersión de la luz
1. Dispersión de la luz en la antigua China
La comprensión de la dispersión de la luz en la antigua China se originó a partir del fenómeno de dispersión natural: comprensión de arcoiris. Un arco iris es un fenómeno de dispersión relativamente complejo causado por la refracción y la reflexión provocadas por la luz solar que golpea las gotas de agua en el aire en un cierto ángulo. China tiene registros sobre el arco iris desde las inscripciones en huesos de oráculos de la dinastía Yin. En aquella época, la palabra "arcoíris" se escribía como " ". Durante el Período de los Reinos Combatientes, "Chu Ci" registró que los colores del arco iris se dividían en "cinco colores". Cai Yong (132-192), de la dinastía Han del Este, describió las condiciones de formación y la ubicación del arco iris en "Yue Ling Zhang Ju". A principios de la dinastía Tang, Kong Yingda (574-648) reveló aproximadamente la causa óptica del arco iris en el "Comentario al Libro de los Ritos": "Si las nubes son delgadas y falta el sol, el sol brillará sobre las gotas de lluvia". , y aparecerá un arco iris." Esto demuestra que el arco iris es un fenómeno natural producido por el sol que brilla sobre las gotas de lluvia. Fenómeno. A mediados del siglo VIII d.C., Zhang Zhihe (744-773) utilizó métodos experimentales para estudiar el arco iris por primera vez en "Xuan Zhenzi·Tao Zhi Ling", y también fue el primer experimento consciente de dispersión de luz blanca: " Exhalando el sol contra el sol "El agua parece un arco iris, pero no puede ser recto, es casi como una sombra." Después de la dinastía Tang, la gente continuó repitiendo experimentos similares. Por ejemplo, Cai Bian en la dinastía Song del Sur realizó un experimento que simulaba "gotas de lluvia solares", conectando el arco iris con el fenómeno del halo solar-lunar, explicando intencionalmente que la generación del arco iris. Es un proceso de dispersión, y señaló comprender la relación entre el arco iris y la posición del sol. Cheng Dachang (1123-1195) de la dinastía Song del Sur registró el fenómeno de la luz que se divide en gotas de rocío en "Yan Fanlu" y señaló que la luz del sol puede transformarse en múltiples colores a través de una sola gota. este color no es una gota de agua, sino que es causado por el color de la luz del sol. Esto indica claramente que la luz del sol contiene varios colores, que aparecen por la acción de las gotas de agua. con la esencia de la dispersión.
En mi país, a partir de la dinastía Jin, muchos clásicos han registrado el fenómeno de dispersión de los cristales. Por ejemplo, se ha registrado que las plumas de pavo real y la epidermis de ciertos insectos cambian constantemente de color bajo la luz del sol. Se pueden observar varios colores de luz si se sostiene un trozo de mica hacia el sol. Li Shizhen también señaló que los cristales hexagonales más grandes y las cuentas de cristal más pequeñas pueden formar dispersión. A finales de la dinastía Ming, Fang Yizhi (1611-1671) sintetizó los resultados de investigaciones anteriores en su libro "Pequeños conocimientos de física" e hizo un maravilloso resumen del fenómeno de dispersión. Combinó los cristales naturales con las nervaduras y los artificiales. los disparados El cristal triangular divide la luz blanca en cinco colores y está relacionado con el arco iris artificial de cinco colores formado al rociar agua hacia el sol, el fenómeno de cinco colores causado por la luz del sol que brilla sobre el manantial volador y fenómenos naturales como. como el color del arco iris, el halo del sol y la luna y la nube de cinco colores. Se cree que "todos tienen el mismo principio. Es decir, todos son dispersiones de luz blanca. Todo esto muestra que China tenía una comprensión relativamente completa de la naturaleza de los fenómenos de dispersión antes de la dinastía Ming, pero también refleja que el conocimiento de la física china antigua era en su mayor parte conocimiento disperso y empírico.
2. La comprensión previa de la dispersión de la luz por parte de Western Newton
En los primeros días del desarrollo de la óptica, era particularmente difícil explicar el color. Antes de Newton, la comprensión del color por parte de los europeos se basaba en el punto de vista de Aristóteles. Aristóteles creía que el color no es una propiedad objetiva de los objetos, sino los sentimientos subjetivos de las personas. La forma de todos los colores.
Chengdu es el resultado de mezclar luz y oscuridad, blanco y negro en proporción. En 1663, Boyle también estudió el color de los objetos. Creía que el color de un objeto no era una propiedad sustancial del objeto, sino que era causado por la variación de la luz en la superficie del objeto que se iluminaba. Los objetos que reflejan completamente la luz aparecen blancos y los objetos que absorben completamente la luz aparecen negros. Además, muchos científicos, como Descartes y Hooke, también han discutido el problema de la dispersión o acumulación de luz blanca en colores, pero todos sostienen que la luz roja es luz muy concentrada y la luz violeta es luz muy diluida. trastorno. Entonces, antes de Newton, se suponía que la refracción producida por el prisma en realidad producía el color, en lugar de simplemente separar el color que ya existía.
3. Exploración experimental e investigación teórica de Newton sobre la dispersión de la luz
(1) Diseñar y realizar un experimento con un prisma
Cuando la luz blanca atraviesa un vidrio incoloro y varios Cuando se plantan fragmentos de gemas, se formarán luces brillantes de varios colores. Este hecho se entendió siglos antes que Newton. Sin embargo, no fue hasta mediados del siglo XVII que Newton estudió este tema de manera experimental.
Newton hizo por primera vez un famoso experimento con un prisma triangular y dejó constancia en su obra: "A principios de 1666, hice un prisma de vidrio triangular y lo usé para estudiar el color de la luz. Con este fin, hice el La habitación está a oscuras y hago un pequeño agujero en la ventana para dejar entrar la cantidad adecuada de luz solar. También puse el prisma en la entrada de la luz para que la luz refractada pueda llegar a la pared opuesta. Cuando lo hice por primera vez, sentí una gran alegría. Vi el color de luz brillante e intenso producido por él". El diseño experimental de Newton es el que se muestra a continuación: A través de este experimento, se obtuvo un punto de luz de color en la pared y la disposición del color fue rojo, naranja, amarillo, verde, cian, azul, morado. Newton llamó espectro a esta mancha de color.
(2) Diseñe aún más el experimento para obtener un espectro puro.
El espectro obtenido por Newton en el experimento anterior era impuro. Él creía que la razón por la que el espectro era impuro era porque. el espectro estaba compuesto por una serie de puntos circulares superpuestos. Para obtener un espectro muy puro, Newton diseñó un conjunto de instrumentos ópticos para realizar experimentos. El diseño experimental es el que se muestra en la figura:
Utiliza luz blanca que pasa a través de una lente para iluminar la rendija S. y coloque una rendija detrás de la rendija. Lente convergente para formar la imagen I de la rendija S. Luego coloque un prisma en el camino óptico de la lente. De este modo, la luz se separa a través del prisma debido a diferentes ángulos de desviación, de modo que en la pantalla de luz blanca se forma una banda espectral que va del rojo al violeta. Esta banda espectral está compuesta por una serie de imágenes en color de rendijas adyacentes. Si la rendija se hace muy estrecha, el fenómeno de superposición se puede reducir al mínimo y el espectro se vuelve muy puro.
(3) Newton propuso una teoría para explicar el espectro
Para explicar el fenómeno de descomposición de la luz blanca en el experimento del prisma, Newton creía que la luz blanca se compone de varios colores. de la luz y el vidrio tiene diferentes efectos en varios El índice de refracción de la luz coloreada es diferente Cuando la luz blanca pasa a través de un prisma, cada luz coloreada se refracta en diferentes ángulos y el resultado se separa en un espectro de colores. Cuando la luz blanca pasa a través de un prisma, se desvía hacia el borde inferior del prisma. La luz violeta es la que más se desvía y la luz roja es la que menos. El fenómeno en el que un prisma separa la luz blanca en varios colores de luz se llama dispersión. Estrictamente hablando, hay muchas líneas finas de varios colores en el espectro, y todas están mezcladas en líneas finas adyacentes con tanta suavidad que la gente no puede detectar sus límites.
(4) Diseñar experimentos para verificar la exactitud de la teoría anterior.
Para estudiar más a fondo el color de la luz y verificar la exactitud de la teoría anterior, Newton hizo otro experimento. El diseño experimental se muestra en la figura:
Newton hizo un pequeño agujero en la pantalla DE para observar el espectro, y luego colocó una pantalla DE con un pequeño agujero detrás, de modo que la luz que pasa a través del El pequeño agujero tenía un cierto color de luz monocromática. Newton colocó un segundo prisma abc en la trayectoria de este rayo y una nueva pantalla de observación V detrás de él. Los experimentos muestran que el segundo prisma abc sólo desvía el haz de luz monocromático en un ángulo sin cambiar el color de la luz. En el experimento, Newton giró el primer prisma ABC para que los diferentes colores de luz en el espectro pasaran a través de los pequeños agujeros en las pantallas DE y de. En todos estos casos, estos diferentes colores de luz monocromática no pudieron ser descompuestos nuevamente por el. segundo prisma, cada uno de ellos solo se desvía en un cierto ángulo después de pasar por el segundo microscopio.
Y se encontró que los ángulos de desviación de la luz de diferentes colores son diferentes.
A través de estos experimentos, Newton concluyó que la luz blanca se puede descomponer en luz de diferentes colores. Estas luces ya son monocromáticas y los prismas ya no pueden descomponerlas.
(5) Experimento sobre la recombinación de luz monocromática en luz blanca
Dado que la luz blanca se puede descomponer en luz monocromática, ¿se puede también recombinar la luz monocromática en luz blanca?" Para esto Por esta razón, Newton realizó un experimento como se muestra en la Figura 55, dividiendo el espectro en una fila de pequeños espejos planos rectangulares, la luz coloreada del espectro se puede recombinar en luz blanca. Ajuste el ángulo entre cada espejo plano y la luz incidente de manera. que todas las luces reflejadas caen sobre la pantalla de luz. En la misma posición, se obtiene una clase de luz blanca.
Newton señaló que se puede utilizar otro método para recombinar la luz de color en luz blanca. en un disco y luego gírelo a alta velocidad, este disco aparece blanco. Este efecto experimental se denomina generalmente "efecto de persistencia visual" después de que la imagen en la retina del ojo desaparece, el cerebro puede retener la impresión durante unas décimas. de segundo. Las imágenes de color que cambian rápidamente se combinan para formar una imagen blanca estática. En la pantalla del televisor o de la película, podemos ver imágenes continuas. La razón es también el uso del "efecto de persistencia visual".
(6) Resultados de la investigación de Newton sobre la dispersión de la luz.
A través de una serie de experimentos de dispersión y estudios teóricos, Newton resumió los resultados en varios elementos. Los puntos clave son los siguientes:
①La luz tiene diferentes colores según su índice de refracción. El color no es una variación de la luz, sino una propiedad inherente a la luz.
②Sin embargo, un mismo color pertenece a un mismo índice de refracción y viceversa.
③El tipo de color y el grado de refracción son inherentes a la luz y no cambian debido a la refracción, reflexión o cualquier otra razón.
④El color puro original y el grado. de refracción hay que distinguir. El color que combinan.
⑤ No existe luz que sea blanca en sí misma. El blanco se produce mediante la mezcla adecuada de todos los colores de luz. recombinando los colores del espectro.
⑥Según los elementos anteriores, podemos explicar la razón por la cual el prisma produce el color de la luz y el principio del arco iris.
⑦El color del arco iris. Los objetos naturales se deben al reflejo de cierta luz por el material.
⑧Se puede ver que el color es la cualidad de la luz (varios rayos), por lo que la luz en sí no puede ser el origen de la calidad de la luz. por lo que ahora hay base suficiente para creer que la luz es una entidad.
(7) Las características del método de investigación de Newton sobre el fenómeno de dispersión de la luz se pueden ver en su estudio de la dispersión de la luz. luz, Newton adoptó los métodos de investigación típicos de las leyes físicas de la inducción experimental, la teoría de hipótesis y las pruebas experimentales, y lo impregnó con métodos analíticos (descomponer la luz blanca en luz monocromática para su estudio) y métodos integrales (combinar luz monocromática en luz blanca) y. otros métodos de investigación física.
La dispersión de la luz muestra que la luz tiene propiedades ondulatorias porque la dispersión es causada por el diferente índice de refracción de los componentes de la luz (diferentes colores de la luz). El índice de refracción está determinado por la frecuencia de la luz. la onda.
El ejemplo más típico de la naturaleza partícula de la luz es el efecto fotoeléctrico.