Физика

за сваког по нешто

Дисперзија светлости

Преузми Word документ

До сада смо разматрали преламање светлости тако да једном зраку упадне светлости одговара само један зрак преломљене светлости. Међутим када сноп сложене, беле (полихроматске) падне на оптичку призму прелама се и разлаже на светлост различитих боја. Ови зраци на заклону дају обојену траку која се назива спектар. Ова појава се назива разлагање или дисперзија светлости.

Процес разлагања беле светлости на све саставне боје назива се дисперзија светлости.

Ову појаву је запазио Њутн 1672. године. Показао је да Сунчева светлост може да се разложи на боје, а те боје су повезане са различитим таласним дужинама.

Експериментално је доказано да је таласна дужина видљиве светлости у ваздуху (вакууму) од 380 до 760nm. Таласни опсег видљиве светлости подељен је на седам области. Свакој области одговара по једна основна боја светлости.

  • љубичаста 380-440nm
  • модра 440-460nm
  • плава 460-510nm
  • зелена 510-560nm
  • жута 560-610nm
  • наранџаста 610-660nm
  • црвена 660-760nm
 

Да бисмо објаснили ову појаву, размотрићемо како се, при преласку из једне средине у другу, мењају величине којима је описана светлост.

Брзина светлости у вакууму износи приближно 300000\frac{km}{s} односно 3\cdot 10^{8}\frac{m}{s}.

Брзина светлости је највећа позната брзина у природи.

Брзина светлости у ваздуху је приближна брзини светлости у вакууму, док је у другим срединама знатно мања.

пример:

вода – 225000\frac{km}{s}

стакло – 200000\frac{km}{s}

Што је у некој средини брзина светлости мања, та средина је оптички гушћа. Оптичку густину средине одређује апсолутни индекс преламања. Апсолутни индекс преламања неке средине представља однос брзине светлости у вакууму и у тој средини. Означава се малим словом n.

n=\frac{c_{0}}{c}

средина вода лед алкохол стакло кварц дијамант
n 1,33 1,31 1,36 1,50 1,54 2,42

Потребно је напоменути да таласна дужина светлости није њена основна карактеристика, јер се она мења у зависности од оптичке густине средине. У оптички гушћим срединама брзина светлости је мања, па је мања и таласна дужина и обрнуто.

Пошто се приликом преласка у другу средину мења таласна дужина, могло би да се закључи да светлост мења боју када прелази из једна средине у другу, али то се не дешава. Из искуства знамо, да је, на пример, боја светлости иста у води и ваздуху. Па треба напоменути да се претходна подела видљиве светлости на боје према таласној дужини односи само на вакуум (ваздух). Било би исправно да се ова подела изврши према фреквенцији јер је она основна карактеристика светлости. Фреквенцију одређује стање атома који емитује светлост и не може да се мења. Ово је слично као код механичког таласа, чија је фреквенција одређена фреквенцијом осцилатора. За један емитовани талас или једну извршену осцилацију, она више не може да се мења.

Талас на свом путу може да мења брзину простирања, па тиме и таласну дужину, док фреквенција не зависи од природе средине кроз коју се талас простире.

\lambda=\frac{c}{f}          f=\frac{c}{\lambda}

Пример:

Талас који сукцесивно прелази кроз различите оптичке средине.

f=\frac{c_{1}}{\lambda _{1}}=\frac{c_{2}}{\lambda _{2}}=\frac{c_{3}}{\lambda _{3}} ...

Формулу поделимо са брзином светлости у вакууму:

f=\frac{c_{1}}{c_{0}\lambda _{1}}=\frac{c_{2}}{c_{0}\lambda _{2}}=\frac{c_{3}}{c_{0}\lambda _{3}} ... пошто је n=\frac{c_{0}}{c}

\frac{1}{n_{1}\lambda _{1}}=\frac{1}{n_{2}\lambda _{2}}=\frac{1}{n_{3}\lambda _{3}} ...

n_{1}\lambda _{1}=n_{2}\lambda _{2}=n_{3}\lambda _{3} ...

n\lambda =const

Ако је прва средина вакуум (ваздух) тада је таласна дужина светлости у другој средини.

\lambda =\frac{\lambda_{0}}{n}

\lambda_{0} – таласна дужина светлости у вакууму

n – апсолутни индекс преламања

Закључак:

При преласку светлости из једне средине у другу, таласна дужина се мења, док фреквенција и боја остају исте. Боја светлости је одређена фреквенцијом светлосног таласа.

Утицај средине на простирање светлости условљен је узајамним деловањем светлости и честица средине. То узајамно деловање доводи до промене брзине светлости, а тиме и до промене апсолутног индекса преламања.

Светлост различитих фреквенција (различитих) боја простире се кроз исту средину различитим брзинама и имаће различите индексе преламања. Значи, када на граничну површину две средине пада бела светлост (састављена од електромагнетних таласа различитих фреквенција – боја), она ће се због зависности индекса преламања од фреквенције приликом преламања разложити на компоненте, које се преламају под различитим угловима (различити монохроматски таласи ће се преломити под различитим углом). Значи настаје разлагање сложене светлости по фреквенцијама  (или таласним дужинама) на спектар.

Експериментално утврђено:

  • најмање скреће црвена светлост, има најмању фреквенцију па самим тим и најмањи индекс преламања
  • највише скреће љубичаста светлост.

У поређењу са дифракционим спектром уочава се да дисперзиони спектар има обрнути редослед боја.

Ако се на пут разложене беле светлости на одређени начин постави друга призма из ње ће излазити бела светлост односно иста светлост коју је прва призма разложила.

 

РАСЕЈАЊЕ И АПСОРПЦИЈА СВЕТЛОСТИ

Расејање светлости представља скретање светлости у свим правцима у односу на првобитни правац простирања. Појава је последица различитих вредности индекса преламања у различитим тачкама средине – средина је оптички нехомогена.

Нехомогеност средине може да се појави због присуства честица које не припадају средини (честице прашине, дима…) или због промена густине хемијски чистих средина због кретања молекула.

Расејање светлости у нехомогеним срединама пручавао је енглески физичар Тиндал, по коме се појава расејања светлости при проласку кроз нехомогене средине назива Тиндалов ефекат.

 

Емисиони спектар елемената

Ако дати елеменат – рецимо водоник – загрејемо до температуре белог усијања (већа од  3000 oC), тада ће он емитовати светлост.

Светлост коју он емитује треба пропустити кроз стаклену призму и на заклону ће се, као последица дисперзије пoјавити спектар емитоване светлости. Међутим, овај спектар неће садржати све боје, већ ће се појавити неколико светлих линија карактеристичних за  дати елеменат. Код водоника то ће бити 5 карактеристичних линија таласних дужина:  654.54 nm – наранџаста линија,  484.84 nm – зелено–плава линија,  432.90 nm – плаво–модра линија,  409.09 nm и 395.95 nm – обе ове линије су љубичасте.

Добијени спектар се назива емисиони зато што настаје емисијом светлости из усијаног елемента, линијски зато што се састоји од разнобојних светлих линија и карактеристични јер су добијене линије карактеристичне за дати елеменат и он се по њима разликује од свих осталих елемената.

 

Апсорпциони спектар

Овај спектар настаје када белу светлост, која има непрекидни спектар састављен од свих боја, пропустимо кроз дати елеменат који није усијан него се рецимо налази на собној температури. Узмимо, ради поређења, да је то опет водоник. Водоник ће из беле светлости апсорбовати баш оне боје које иначе емитује када је усијан.

Због тога ће се у спектру ове светлости појавити пет тамних, тј. црних линија које се називају Фраунхоферове линије – по немачком оптичару који их је открио.

Водоникове Фраунхоферове линије су тачно на оним местима где се иначе налазе емисионе линије усијаног водоника. Због тога се може рећи да се емисиони и апсорпциони спектар истог елемента односе један према другом као позитив и негатив у фотографији.

Емисиони и апсорпциони спектри елемената имају значајну примену у анализи састава различитих материјала, како у научно – истраживачким лабораторијама, тако и у индустрији. Оно што је најважније помоћу ових спектара астрономи су одредили хемијски састав нашег Сунца, али и других удаљених звезда.

 


Додатак:

 

 

Поларизација светлости Доплеров ефекат у оптици