Rozptýlení světla: historie objevu a popis fenoménu

Svět kolem je naplněn miliony různých odstínů. Vzhledem k vlastnostem světla má každý objekt a objekt kolem nás určitou barvu, vnímán lidským zrakem. Studium světelných vln a jejich charakteristiky umožnily lidem hlubší pohled na povahu světla a jevy spojené s ním. Dnes hovoříme o rozptylu.

Povaha světla

Z fyzického hlediska je světlo kombinací elektromagnetických vln s různými délkami a frekvencemi. Lidské oko nevidí žádné světlo, ale pouze ten, jehož vlnová délka se pohybuje od 380 do 760 nm. Zbývající druhy zůstávají pro nás neviditelné. Patří sem například infračervené a infračervené záření ultrafialové záření. Slavný vědec Isaac Newton reprezentované světlo jako směrové proudění nejmenších částic. A teprve později se ukázalo, že to je z povahy vlna. Nicméně byl Newton stále částečně správný. Faktem je, že světlo má nejen vlnu, ale i korpuskulární vlastnosti. To je potvrzeno známým fenoménem fotoelektrického účinku. Ukázalo se to světelný tok má dvojí povahu.

Barevné spektrum

Bílé světlo, přístupné lidskému vidění, je sbírka několika vln, z nichž každá je charakterizována určitou frekvencí a vlastní energií fotonů. V souladu s tím se může rozložit na vlny různých barev. Každý z nich se nazývá monochromatický a konkrétní barva má vlastní rozsah délky, frekvence vln a fotonovou energii. Jinými slovy, energie vyzařovaná látkou (nebo absorbovanou) je rozdělena podle výše uvedených ukazatelů. To vysvětluje existenci světelného spektra. Například zelená barva spektrum odpovídá frekvenci v rozmezí od 530 do 600 THz a fialová - od 680 do 790 THz.

Rozptýlení světla

Každý z nás někdy viděl paprsky lesknoucí na výrobky z broušeného skla nebo například na diamanty. To lze pozorovat kvůli jevu rozptylu světla. Tento efekt odráží závislost indexu lomu objektu (látky, média) na délce (frekvenci) světelné vlny, která prochází tímto objektem. Důsledkem této závislosti je rozložení paprsku do barevného spektra, například při průchodu hranolem. Rozptyl světla je vyjádřen následující rovnicí:

n = ƒ (ƛ)

kde n je index lomu, ƛ je frekvence a ƒ je vlnová délka. Indikátor lomu se zvyšuje s rostoucí frekvencí a klesající vlnovou délkou. Často pozorujeme rozptýlení v přírodě. Jeho nejkrásnějším projevem je duha, která je tvořena rozptýlením slunečního světla při průchodu četnými dešťovými kapkami.

První kroky k rozpoznání rozptylu

Jak bylo uvedeno výše, při průchodu hranolem se světelný tok rozkládá na barevné spektrum, které Isaac Newton studoval podrobně včas. Výsledek jeho výzkumu byl objevem fenoménu rozptylu v roce 1672. Vědecký zájem o vlastnosti světla se objevil před naší dobou. Slavný Aristotel si už všiml, že sluneční světlo může mít různé odstíny. Vědec argumentoval, že povaha barvy závisí na "množství tmy", která je přítomna v bílém světle. Pokud je toho hodně, pak je fialová, a pokud je malá, pak červená. Velký myslitel také řekl, že hlavní barva světelných paprsků je bílá.

Newtonův předchůdce

Aristotelovská teorie interakce temnoty a světla nebyla vyvrácena učenci 16. a 17. století. Jak český badatel Marci, tak anglický fyzik Hariot nezávisle prováděli pokusy s hranolem a byli pevně přesvědčeni, že příčinou vzhledu různých odstínů spektra bylo právě míchání světelného toku s tmou, když prošel hranolem. Na první pohled mohou být poznatky vědců nazývány logickými. Ale jejich experimenty byly poměrně povrchní a nemohli je podpořit dalším výzkumem. To bylo, dokud se Isaac Newton nepřeměnil.

Newtonův objev

Díky zvědavé mysli tohoto vynikajícího vědce bylo dokázáno, že bílé světlo není hlavním světlem a že jiné barvy nevznikají v důsledku interakce světla a tmy v různých poměrech. Newton vyvrátil tyto přesvědčení a ukázal, že bílé světlo je kompozitní ve své struktuře, je tvořeno všemi barvami spektra světla, nazývané monochromatické. V důsledku průchodu světelného paprsku přes hranol se vytvoří řada barev, které jsou způsobeny rozkladem bílého světla do jeho proudových proudů. Takové vlny s různou frekvencí a délkou se v médiu lámou různými způsoby a vytvářejí určitou barvu. Newtonovy experimenty, které se stále používají ve fyzice. Například experimenty se zkřížené hranolky, s použitím dvou hranolů a zrcadla, stejně jako průchod světla přes hranoly a perforovanou obrazovku. Nyní víme, že rozklad světla do barevného spektra nastává kvůli různým rychlostem průchodu vln různými délkami a frekvencemi průhlednou látkou. Jako výsledek, některé vlny vycházejí z hranolu dříve, jiní - o něco později, jiní - dokonce později, a tak dále. Stejně tak je rozklad světelného toku.

Abnormální rozptýlení

Následně fyzici posledního století dělali další objevy týkající se rozptylu. Francouz Leroux zjistil, že v některých prostředích (zejména v jodových párech) je závislost vyjadřující fenomén rozptylu porušena. Fyzik Kundt, který žil v Německu, začal zkoumat tuto otázku. Pro svůj výzkum si zapůjčil jednu z Newtonových metod, totiž zkušenost s použitím dvou zkřížených hranolů. Jediným rozdílem bylo, že namísto jednoho z nich používal Kundt hranolovou nádobu s roztokem kyaninu. Ukázalo se, že index lomu, když světlo prochází těmito hranoly, se zvyšuje, nehrozí, jako tomu bylo u Newtonových experimentů s obyčejnými hranoly. Německý vědec zjistil, že tento paradox je pozorován v důsledku fenoménu absorpce světla látkou. V popsaném experimentu společnosti Kundt se roztok cyaninu chová jako absorpční médium a disperze světla pro takové případy se nazývá anomální. V moderní fyzice se tento termín téměř nikdy nepoužívá. K dnešnímu dni se normální Newton objevil a později objevil anomální rozptýlení jsou považovány za dva jevy patřící ke stejné doktríně a mají společnou povahu.

Nízkodisperzní čočky

Ve fotografii je rozptyl světla považován za nežádoucí jev. Stává se příčinou tzv chromatická aberace kde se obrázky zobrazují zkreslené barvy. Stíny fotografií neodpovídají odstínům objektu, který má být odstraněn. Tento efekt je obzvláště nepříjemný pro profesionální fotografy. Kvůli rozptýlení na fotografiích je nejen barva zkreslená, ale hrany jsou často rozmazané nebo naopak vzhled příliš přesně definované hranice. Globální výrobci fotografických přístrojů zvládnou důsledky takového optického jevu pomocí speciálně konstruovaných nízko disperzních čoček. Sklo, z něhož jsou vyráběné, má vynikající vlastnost rovnoměrně rozbít vlny s různými délkami a frekvencemi. Objektivy, ve kterých jsou namontovány nízko disperzní čočky, se nazývají achromaty.