8. Zjawisko rozszczepienia światła. Światło białe jako mieszanina barw

Zapewne obserwowałeś zjawisko powstawania na niebie wielobarwnego łuku – tęczy, czy piękne barwy kropelek rosy w słoneczny poranek. Jeśli nie lubisz deszczu i nie jesteś zwolennikiem porannego wstawania,  możesz postawić szklankę gazowanej wody mineralnej tak, aby oświetlały ją promienie słoneczne. Zaobserwujesz wówczas, że pęcherzyki gazu w  szklance zmieniają swoją barwę i połysk. Wszystkie te zjawiska są efektem rozszczepienia (dyspersji) światła. Aby dowiedzieć się więcej o  tym zjawisku, czytaj dalej.

RRwZbDUpPxY2q

Zdjęcie przedstawia pryzmat w postaci trójkątnej bryły. Od dołu leci biała wiązka światła i pada na ściankę dolną pryzmatu. Od lewej bocznej ścianki pryzmatu odchodzi długa wielobarwna wstęga. Barwy układają się od góry czerwień, poprzez żółty do fioletu na dole. Tło ciemne. Część wiązki padającej jest odbita i tworzy wąską białą wiązkę lecącą w prawą stronę.

Informacje znajdziesz w: Prawo odbicia światła. Powstawanie obrazu pozornego w zwierciadle płaskim. Rozproszenie światła i Zjawisko załamania światła.

Rozszczepienie światła białego

Fizykiem, który jako pierwszy udowodnił, że światło białe jest mieszaniną różnych barw, był znany nam już odkrywca prawa powszechnego ciążenia Isaac Newton. Właśnie Newton w swoim eksperymencie wykorzystał pryzmat.

RdsLcAogiShHf

Ilustracja przedstawia cztery przezroczyste pryzmaty w różnych ustawieniach na niebieskim tle.

Pryzmat to bryła z materiału optycznie przezroczystego (zwykle ze szkła), będąca graniastosłupem o podstawie trójkąta. Światło przechodząc przez pryzmat, ulega podwójnemu załamaniu, po raz pierwszy na granicy ośrodków powietrze–szkło (przy wejściu do pryzmatu), po raz drugi na granicy szkło–powietrze (przy wyjściu z pryzmatu). Bieg promienia światła w pryzmacie przedstawia poniższa ilustracja.

RZSTjC4UiHfO6

Ilustracja przedstawia schemat drogi światła przez pryzmat. Zaznaczono kąt łamiący pryzmatu jak i odchylenie promienia światła. Pryzmat stoi na podstawie, światło pada na jego lewą ścianę z pewnym kątem padania, na granicy powietrze‑materiał pryzmatu załamuje się pod kątem mniejszym od kąta padania, pada na prawą ścianę pryzmatu pod kątem padania i załamuje się na granicy materiał pryzmatu‑powietrze pod większym kątem. Zaznaczono kąt odchylenia promienia, między przedłużeniem padającej na pryzmat wiązki a wiązką z pryzmatu wychodzącą.

Jaki jest mechanizm powstawania widma światła białego?

Promień światła białego, który jest mieszaniną barw, ulega podwójnemu załamaniu podczas przejścia przez pryzmat. Każda ze składowych załamuje się pod innym kątem, ponieważ podczas przejścia z jednego ośrodka do drugiego zmienia się jej prędkość rozchodzenia.

R1cSPfP4bOlgX

Ilustracja przedstawia schemat powstawania widma światła białego przy przejściu przez pryzmat. Pryzmat przedstawiono jako przezroczysty trójkąt. Wiązka światła białego w postaci jasnoniebieskiego odcinka pada na lewą ściankę pryzmatu. Podczas przechodzenia przez ściany pryzmatu wiązka zostaje rozszczepiona na swoje składowe: najmocniej załamuje się światło fioletowe, potem kolejno niebieskie, zielone, żółte i najsłabiej załamujące się czerwone. W trójkącie widać kolorową wstęgę oraz z prawej strony pryzmatu.

Rozszczepienie odbywa się już przy wejściu światła białego do pryzmatupryzmatpryzmatu. Podczas wyjścia kąty załamania, pod którymi składowe barwy światła białego opuszczają pryzmat, rosną, dzięki czemu zjawisko staje się lepiej widoczne.

Rozszczepianie światła pozwala wytłumaczyć wiele zjawisk obserwowanych w przyrodzie, np. powstawanie tęczy.

Problemy wynikające z rozszczepienia światła

Rozszczepienie światła jest pięknym i widowiskowym zjawiskiem, ale może być także kłopotliwe. Pierwsze obserwacje nieba prowadzone były przy użyciu lunet, które posiadały pojedyncze szklane soczewki.

Luneta astronomiczna Keplera to układ dwóch soczewek skupiających, tak dobranych, aby ognisko obiektywu (soczewki dalszej od oka) pokrywało się z ogniskiem okularu (soczewki bliższej oku).

RJ3XNKt5L9HDj

Schemat przedstawiający działanie lunety astronomicznej Keplera. Przedmiot, dwie soczewki i oko ludzkie na jednej linii. Od czubka przedmiotu poprowadzono dwie linie. Jedna linia pada prostopadle na soczewkę obiektywu, na niej ugina się i przebiega przez jej ognisko aż do soczewki obiektywu. Druga linia przebiega przez ognisko przed obiektywem, a na soczewce ugina się tak, że tworzy z nią kąt prosty. W przecięciu się linii znajduje się czubek obrazu dawanego przez obiektyw - pomniejszony i odwrócony. Narysowano również linię przechodzącą przez czubek obrazu i środek soczewki okularu aż do oka, linię od czubka obrazu, prostopadłą do soczewki okularu i uginającą się na niej tak, że pada na ognisko, w którym znajduje się oko, oraz linię prostopadłą do soczewki, na wysokości gdzie linia przedmiotu ugięta na soczewce obiektywu i przechodząca przez ognisko między soczewkami, przecina się z soczewką okularu. Przecięcie trzech ostatnich linii tworzy obraz dawany przez okular - względem obrazu dawanego przez obiektyw powiększony.

W przypadku gdy przez soczewkę przebiega wiązka światła i ulega załamaniu, to podobnie jak w pryzmacie, zwłaszcza w przypadku „grubych” soczewek, może dojść do rozszczepienia światła na barwy podstawowe. Każda z barw ma inne ognisko – nie ma zatem jednego punktu, w którym zbiegają się wszystkie promienie świetlne. W rezultacie możemy zauważyć kolorową obwódkę wokół obserwowanych przedmiotów oraz odczuć utratę ostrości widzenia ich obrazu.

RKRuK8pV4j7aJ

Ilustracja przedstawiająca wady układów optycznych soczewek. Na białym tle są dwie soczewki skupiające. Promienie różnych barw skupiają się w różnych miejscach na głównej osi optycznej.

Zjawisko, o którym mowa powyżej, nazywamy aberracją chromatycznąaberracja chromatycznaaberracją chromatyczną. Wpływa ona na jakość obrazu zarówno przy obserwacjach astronomicznych wykonywanych przy zastosowaniu prostych teleskopów, jak i na proces powstawania zwykłych zdjęć, gdyż aparaty fotograficzne wyposażone są w plastikowe lub szklane obiektywy. Efekt ten można skorygować, używając układu odpowiednio dobranych soczewek (układu achromatycznego) zamiast pojedynczych soczewek.

Podsumowanie

• Pryzmat to bryła z materiału optycznie przezroczystego (zwykle ze szkła), będąca graniastosłupem o podstawie trójkąta.

• Światło przechodząc przez pryzmat ulega podwójnemu załamaniu, po raz pierwszy na granicy ośrodków powietrze – szkło (przy wejściu do pryzmatu), po raz drugi na granicy szkło – powietrze (przy wyjściu z pryzmatu).

• Widmo światła białego jest to zestaw kolorów od fioletowego do czerwonego, płynnie przechodzących jeden w drugi, będący wynikiem rozszczepienia wiązki światła białego.

• Światło białe jest mieszaniną barw.

• Podczas przejścia przez pryzmat największemu załamaniu ulega światło fioletowe, a najmniejszemu – czerwone.

• Aberracja chromatyczna to wada soczewki spowodowana rozszczepieniem światła białego na barwy składowe, przez co każda z barw posiada własne ognisko, leżące w różnej odległości od soczewki.

Ćwiczenie 3

Dlaczego odbicie światła białego od zwierciadła (bez warstwy szkła) nie powoduje jego rozszczepienia? Odpowiedź zapisz w poniższym polu.

RsD04r0CaAFpr

(Uzupełnij).

Pokaż podpowiedź

Przypomnij sobie, w jakich warunkach występuje rozszczepienie promieni światła białego.

Pokaż odpowiedź

RCG4R83DgdW4w

Ilustracja składa się z dwóch części. Na górnej znajduje się pozioma, gładka powierzchnia odbijająca. Od prawej, pod kątem, pada na nią promień światła białego. Promień odbija się od powierzchni pod tym samym kątem, pod którym na nią pada. Poniżej narysowano poziomą, gładką powierzchnię odbijającą, która jest dolną powierzchnią szkła. Nad górną powierzchnią szkła znajduje się powietrze. Od prawej, na górną powierzchnię szkła pada promień światła białego. Promień wpada w warstwę szkła, rozszczepiając się. Różne składowe światła załamują się pod innym kątem, następnie odbiją od dolnej powierzchni odbijającej pod kątem padania na nią i znów przechodzą przez granicę ośrodków szkło‑powietrze, pod kątem pod którym na nią padał promień pierwotny, jednak wychodzą w innych miejscach.

Podczas odbicia od zwierciadła światło nie zmienia ośrodka – cały czas znajduje się w powietrzu, co oznacza brak załamania, i w konsekwencji brak rozszczepienia. Zasada ta nie dotyczy luster z warstwą szkła, gdyż tam promień światła rozdziela się na skutek dwukrotnego przejścia przez granicę szkło – powietrze. Niewielkie przesunięcie promieni oraz fakt, że z lustra zwykle korzystamy patrząc na wprost, powodują jednak, że tego nie zauważamy.

Słownik