To ciekawe

Do 10 najpiękniejszych eksperymentów fizycznych, wybranych przez społeczność fizyków całego świata, należy rozszczepienie światła słonecznego w pryzmacie, dokonane przez Isaaca Newtona. Oto jak opisuje on jedno ze swych doświadczeń:

„W roku 1666 (kiedy to zajmowałem się szlifowaniem szkieł optycznych o kształcie innym niż kulisty) sporządziłem sobie trójkątny pryzmat szklany, aby za jego pomocą badać znane zjawiska barw. W tym celu zaciemniłem pokój, a w okiennicy wykonałem mały otworek, aby wpuścić dogodną ilość światła słonecznego, po czym umieściłem przed tym wejściem pryzmat, tak by światło mogło się w nim załamywać i padać na przeciwległą ścianę. Była to zrazu bardzo przyjemna rozrywka – oglądać wytworzone przez pryzmat żywe i soczyste barwy.”

R1SdfEFMbsdrn

Rys. A. Ilustracja przedstawia rozczepienie światła białego w pryzmacie tak, jak mógł to widzieć Newton. Wiązka światła białego pada na jeden z boków równobocznego pryzmatu, ugina się wewnątrz pryzmatu i następnie na wyjściu z przeciwległego bogu. Po wyjściu z pryzmatu przedstawiono już nie białą wiązkę tylko wiązkę wielobarwną złożoną ze wszystkich kolorów. Pierwszy od dołu jest czerwony, następnie żółty, zielony, jasnoniebieski, niebieski i fioletowy.

Dzisiaj wiemy, że światło jest falą elektromagnetyczną o pewnym (bardzo małym) zakresie częstotliwości, pokazanym na Rys. B.

R174JhAhM03r0

Rys. B. Ilustracja przedstawia widmo fal elektromagnetycznych, na którym szerokość zakresu światła widzialnego jest znacznie powiększona dla jasności rysunku. Są widoczne dwie osie, jedna skierowana w lewą stronę przedstawia długość fali wyrażoną w metrach. Jej wartości rosną od strony prawej, od długości rzędu dziesięć do potęgi minus szesnastej metra w stronę lewą do wartości rzędu trzy razy dziesięć do potęgi czwartej metra. Fale najkrótsze, do około trzy razy dziesięć do minus dwunastej są typowe dla promieniowania gamma. Fale w granicach trzy razy dziesięć do minus dwunastej do trzy razy dziesięć do minus ósmej to promieniowanie Roentgena. Następnie nadfiolet, światło widzialne i podczerwień. Mikrofale to fale centymetrowe. Najdłuższe fale to fale radiowe nawet rzędu kilometrów. Druga oś na dole skierowana jest w prawą stronę i wyraża częstotliwość w hercach. Skala rozciąga się od dziesięć do czwartej do dziesięć do dwudziestej herca. Wniosek z ilustracji jest jednoznaczny. Fale najkrótsze są najbardziej energetyczne, a co za tym idzie najbardziej niebezpieczne, wręcz groźne. Natomiast fale długie nie są szkodliwe, są wszechobecne w naszym życiu, służą nam na przykład do komunikacji.

Warto przeczytać

W czasach Newtona pryzmat był popularnym przedmiotem sprzedawanym na jarmarkach i służącym zabawie. Miał on ciekawą własność – gdy się na niego popatrzyło w odpowiedni sposób, można było zobaczyć paletę barw. Było to uważane za własność pryzmatu jako „magicznego przedmiotu”. Dopiero Newton zauważył, że obserwacja tęczy w pryzmacie jest możliwa tylko wtedy, gdy z drugiej strony do pryzmatu wpada światło, na przykład słoneczne. Stąd już prosta droga do odkrycia, że światło słoneczne jest mieszaniną światła o różnych barwach. Promienie świetlne przechodzące przez pryzmat, ulegają odchyleniu pod różnymi kątami, w zależności od ich barwy (Rys. 1.). W rezultacie następuje rozszczepienie światła białego na poszczególne barwy. Newton przekonał się, że barwny promień światła wychodzący z pryzmatu nie może już ulec dalszemu rozszczepieniu w następnym pryzmacie. Nazwał on kolory promieni świetlnych wychodzących z pryzmatu kolorami podstawowymi.

RGeCrK55NBuTh

Rys. 1. Ilustracja przedstawia, w jaki sposób światło białe rozszczepia się w pryzmacie na poszczególne barwy podstawowe. Wiązka światła białego pada na jeden z boków równobocznego pryzmatu, prostopadłościanu z podstawą trójkątną, ugina się i wychodzi z pryzmatu w formie wielobarwnej wiązki. Pod rysunkiem przedstawiono kolorowy prostokąt przedstawiający całe spektrum. Prostokąt od strony lewej do prawej jest fioletowy niebieski, jasnoniebieski, zielony, żółty, pomarańczowy, a na końcu czerwony.

Kolory podstawowe są raczej rzadkością w przyrodzie. Oprócz omówionego już rozszczepienia światła w pryzmacie, spotykamy je w tęczy, która powstaje, gdy promienie słoneczne przechodzące przez drobne kropelki wody zawieszone w powietrzu i załamują się pod różnymi kątami, zależnymi od barwy światła. Barwy tęczy możemy też zaobserwować w kropelkach ogrodniczego zraszacza i w cieniutkich błonach oleju rozlanego na drodze, które mienią się kolorami. Natomiast większość kolorów, które obserwujemy wokół nas jest mieszaniną promieni świetlnych o różnych kolorach podstawowych i w różnych proporcjach. Nazywamy je barwami złożonymi.

Światło białe jest mieszaniną wszystkich podstawowych kolorów, mniej więcej w równych proporcjach.

Dziś wiemy, czym różni się światło o różnych barwach. Światło jest falą elektromagnetyczną, którą charakteryzuje:

• częstotliwość $\nu$, czyli liczba pełnych zmian pola magnetycznego lub elektrycznego w ciągu jednej sekundy, wyrażona w hercach (Hz),

• długość fali $\lambda$, czyli odległość między sąsiednimi punktami, w których pole elektryczne lub magnetyczne mają taką samą fazę.

Wielkości te są ze sobą związane: im większa jest częstotliwość, tym mniejsza długość fali:

gdzie $c$ jest prędkością światła, w próżni równą 3 · 10Indeks górny 8⁸ m/s.

Światło widzialne to wąski zakres długości fal od 3,8 · 10Indeks górny -7^-7 m do 7,5 · 10Indeks górny -7^-7 m (od 380 nmNanometrnm do 750 nmNanometrnm). Rozszczepienie światła w pryzmacie spowodowane jest zależnością współczynnika załamania światłaWspółczynnik załamania światławspółczynnika załamania światła od długości fali. Fale o najmniejszej długości i największej częstotliwości, odbierane przez nas jako światło fioletowe załamują się najsilniej, natomiast światło czerwone, o najmniejszej długości fali, załamuje się pod najmniejszym kątem.

W widmie światła widzialnego istnieją przedziały o różnych długościach fal, które oko ludzkie odbiera jako wrażenie różnych barw:

• fioletowa 380‑430 nm,

• niebieska 430‑500 nm,

• zielona 500‑570 nm,

• żółta 570‑620 nm,

• czerwona 620‑780 nm.

Powyższe granice barw światła są umowne. Możemy wydzielić i nazwać więcej odcieni barw, na przykład dodać między barwą żółtą i czerwoną kolor pomarańczowy o zakresie od 589 nm do 627 nm. Sam Newton, opisując tęczę, początkowo wyróżnił pięć kolorów: czerwony, żółty, zielony, niebieski i fioletowy. Potem doszedł do wniosku, że kolorów tęczy powinno być siedem, ponieważ siedem to mistyczna cyfra. Odpowiada siedmiu sferom niebieskim i siedmiu nutom w europejskiej skali muzycznej. Dodał więc pomarańczowy między żółtym i czerwonym oraz indygo między niebieskim i fioletowym.

Newton, badając rozszczepienie światła w pryzmacie wykazał, że przepuszczenie rozszczepionego światła słonecznego przez drugi, odwrócony pryzmat i skupienie go za pomocą soczewki spowoduje ponowne powstanie światła białego. Nie ulega więc wątpliwości, że połączenie światła o różnych barwach podstawowych tworzy światło białe. Inaczej przedstawia się sprawa z łączeniem barwników. Wielu z nas pamięta pierwsze próby malowania farbami – im więcej kolorów łączymy, tym ciemniejszy jest efekt. W skrajnym przypadku połączenie wielu barwników daje czarny lub prawie czarny kolor. Jak to wytłumaczyć?

Zastanówmy się, dlaczego widzimy wokół nas kolory, na przykład zieloną trawę. Trawa nie wysyła zielonego światła. Białe światło słoneczne, oświetlające przedmiot, jest pochłaniane w sposób zależny od rodzaju powierzchni. Chlorofil w trawie i liściach pochłania światło w prawie wszystkich zakresach długości fali z wyjątkiem barwy zielonej (Rys. 2.). Światło zielone jest odbijane i takie dociera do naszych oczu.

R17zEEIsBSeHb

Rys. 2. Ilustracja pokazuje maksima absorpcyjne chlorofili na tle widma światła białego. Na tle spektrum światła widzialnego zaznaczono dwa wykresy. Jeden linią białą podpisany chlorofil duże A. Drugi linią czarną podpisany chlorofil duże B. Chlorofil A ma maksimum na tle fioletowym oraz pomarańczowo czerwonym. Chlorofil B ma maksimum na tle niebieskim i żółtym. Obydwa chlorofile wykazują zupełne minimum w obszarze zielonym. Chlorofil w trawie i liściach które są zielone pochłania światło w prawie wszystkich zakresach długości fali z wyjątkiem barwy zielonej. Dlatego światło zielone jest odbijane i dociera do naszych oczu.

Podobnie, czerwone jabłko odbija światło o barwach dających w sumie wrażenie czerwieni, a pozostałe barwy (w tym zieleń) są pochłaniane. Jeśli więc zmieszamy farbę zieloną i czerwoną, odbije się od takiego barwnika znacznie mniej światła niż od każdego z barwników oddzielnie. Gdy zmieszamy farby we wszystkich możliwych kolorach, pochłonięte zostanie prawie całe światło białe. Brak odbitego światła odbieramy jako kolor czarny.

Newtonowi zawdzięczamy konstrukcję pierwszej tarczy barw, zwanej krążkiem Newtona (Rys. 3.).

R1Yz5Wcxcf35q

Rys. 3. Ilustracja prezentuje tarczę barw według Izaaca Newtona. Jest to czarny okrąg podzielony na różnej wielkości fragmenty za pomocą odcinków prowadzonych od środka koła do jego krawędzi. Kolejne fragmenty są opisane w języku angielskim. Prezentują wszystkie znane kolory.

Barwny krążek Newtona widzimy na Rys. 4. Gdy tarcza kręci się dostatecznie szybko, następujące po sobie obrazy nie są widziane oddzielnie, ale jako występujące jednocześnie. Takie złożenie obrazów o różnych barwach daje wrażenie, że krążek jest biały. Spowodowane jest to bezwładnością ludzkiego wzroku, co oznacza, że oko po zarejestrowaniu wrażenia wzrokowego przez krótki czas nie jest w stanie odebrać nowego obrazu. Przy szybkim obracaniu się krążka, nie widzimy poszczególnych barw – obraz zlewa się, tak jakby w jednej chwili oko otrzymywało światło odbite od wszystkich części krążka.

R1DMPQ8KCZm9r

Rys. 4. Ilustracja prezentuje krążek Newtona. Koło podzielono na siedem identycznej wielkości kawałków. Jest to wielobarwny dysk złożony z współosiowych radialnych fragmentów. Każdy kawałek ma inny kolor, najbardziej u góry jest czerwony. Idąc zgodnie z wskazówkami zegara mamy fiolet, niebieski, jasnoniebieski, zielony, żółty, pomarańczowy.

Opracowanie przez Newtona tarczy barw uznawane jest za początek ścisłej nauki o działaniu wzroku i jedną z podstaw optyki.

Taki krążek można zrobić samodzielnie, na przykład naklejając wycinki koła z kolorowego papieru na płycie CD. Jednak kręcąc takim krążkiem Newtona, nie zawsze zaobserwujemy barwę białą. Głównym powodem takiego zjawiska jest fakt, że barwy występujące na krążku mogą mieć źle dobraną intensywność i proporcje, co daje w wyniku barwę różną od białej.

Słowniczek