Дисперсия: атомная теория

Скорость распространения световых лучей разной частоты в среде определяется свойствами вещества на атомном уровне.

Мы знаем, что скорость света в среде меньше скорости света в вакууме. Это свойство обычно находит отражение в так называемом коэффициенте или показателе преломления среды, который определяется соотношением:

    n = c/v

где с — скорость распространения света в вакууме, а v — в среде.

Свет затормаживается в среде в результате постоянных взаимодействий с электронными оболочками атомов. Ситуацию здесь можно сравнить с дорожным движением: если скорость света в вакууме уподобить движению по идеально прямому и совершенно свободному загородному шоссе, на котором машина может всю дорогу ехать на максимальной скорости, то скорость света в среде можно представить себе как движение по большому городу — световой луч-машина раз за разом притормаживает на очередном перекрестке-атоме. В результате скорость света в веществе оказывается непременно ниже скорости света в вакууме. Коэффициент преломления, в частности, стекла составляет около 1,5; следовательно, в стекле свет распространяется примерно на треть медленнее, чем в вакууме.

О том, что не только разные материалы имеют разные коэффициенты преломления, но и в одном материале световые лучи разных цветов преломляются по-разному, известно достаточно давно. Это явление получило название дисперсии света. По закону Снеллиуса угол преломления луча после его попадания в прозрачную среду зависит от коэффициента преломления этой среды, соответственно дисперсия проявляет себя тем, что лучи разных цветов, обладая разными коэффициентами преломления в среде, преломляются под разными углами. В большинстве материалов, в частности в стекле, наблюдается нормальная дисперсия, при которой показатель преломления обратно пропорционален длине волны: чем короче волна, тем выше коэффициент преломления. (У некоторых веществ, однако, имеются диапазоны длин световых волн, в которых наблюдается аномальная дисперсия: короткие волны преломляются слабее длинных.)

Именно этот принцип лежит в основе действия призмы. При попадании обычного «белого» (а в действительности содержащего все цвета спектра) света, например, солнечных лучей на призму луч начинает расщепляться сразу после пересечения границы воздуха со стеклом, поскольку фиолетовые лучи преломляются сильнее всего, а красные — слабее всего. В результате после пересечения светом второй границы стекла с воздухом белый луч оказывается расщепленным на составляющие его цветные лучи. В результате мы наблюдаем на экране или стене знакомую картину радужного спектра.

Кстати, о радуге: она тоже возникает в результате дисперсии света на дождевых каплях. Попадая внутрь капли, солнечный луч преломляется, внутри капли происходит его дисперсия, затем разложенный на спектр луч отражается от задней полусферы капли, на обратном пути происходит его дальнейшая дисперсия, и, наконец, луч выходит обратно через переднюю поверхность капли, будучи разложенным на радужный спектр солнечного света. Именно поэтому мы и наблюдаем радугу лишь тогда, когда Солнце находится с одной стороны от нас, а дождь идет с другой стороны. Из-за дисперсии каждый цвет в отраженных лучах собирается под своим строго определенным углом, и это объясняет, почему радуга образует в небе дугу. Цвета в дождевой радуге разделены не очень четко, поскольку капли имеют разный диаметр, и на одних каплях дисперсия проявляется сильнее, на других — слабее. Воспринимаемая же нашим зрением радуга образуется совокупностью отраженных лучей от всех дождевых капель, пролетающих в момент наблюдения через зону отражения.

Более редкое явление двойной радуги наблюдается, когда внутри части дождевых капель световой луч отражается от внутренней поверхности дважды, а совсем редкая тройная радуга свидетельствует об эффекте тройного внутреннего отражения луча в части дождевых капель.

Принципиальные физические причины дисперсии удалось объяснить только в рамках современной атомной теории строения материи и взаимодействия света с веществом. Подобно лучам всех диапазонов спектра электромагнитного излучения, световые лучи представляют собой поперечные электромагнитные волны. Электрическое поле, возбуждаемое в такой волне, согласно уравнениям Максвелла воздействует на электроны атомов, возбуждая их. Возбуждаясь, электрон поглощает фотон определенной частоты, чтобы почти сразу же испустить в точности такой же фотон и вернуться в нормальное состояние на нижней незанятой орбитали своего атома. Таким образом, свет в среде распространяется посредством цепочки непрерывных поглощений и испусканий фотонов. Именно этим обусловлено замедление распространения света в среде.

Электроны в атомах — пленники своих ядер. Для понимания некоторых явлений субатомного мира полезно представить себе электроны прикрепленными к ядрам на жестких пружинах. Реакция электрона на воздействии электрического поля световой волны зависит от того, как частота волны соотносится с частотами собственных колебаний этой воображаемой пружины. Расчеты показывают, что чем короче длина световой волны, тем выше вероятность ее попадания в резонанс с собственными частотами возбуждения электронов и, соответственно, тем чаще электроны будут поглощать и вновь испускать фотоны соответствующей частоты, задерживая тем самым распространение света этой частоты. Доказано, что интенсивность испускания таких вторичных световых волн атомами пропорциональна длине волны в четвертой степени!

Следствием этого же эффекта взаимодействия света с атомами является и рассеяние света в среде. Свет, не вступавший во взаимодействие с атомами, доходит до нас напрямую. Поэтому, когда мы глядим не на источник света, а на рассеянный свет от этого источника, мы наблюдаем в нем преобладание коротких волн синей части спектра.

Вот почему небо выглядит синим, а Солнце желтоватым! Когда вы смотрите на небо в стороне от Солнца, вы видите там рассеянный солнечный свет, где преобладают короткие волны синей части спектра. Когда же вы смотрите непосредственно на Солнце, вы наблюдает спектр его излучения, из которого, путем рассеяния на атомах воздуха, удалена часть синих лучей, и изначально белый спектр Солнца смещается в желто-красную область при прохождении через атмосферу. (Только никогда не пытайтесь удостовериться в этом собственными глазами, глядя прямо на Солнце. Интенсивность прямых солнечных лучей настолько высока, что даже секундного взгляда на Солнце в зените достаточно, в лучшем случае, для временного ослепления, а в худшем — для хронических функциональных нарушений зрения.) На закате, когда солнечные лучи совершают значительно более длительное путешествие сквозь атмосферу, Солнце кажется нам и вовсе красным, поскольку в этом случае рассеиваются и исчезают из его спектра не только синие, но и зеленые, и желтые лучи.


8
Показать комментарии (8)
Свернуть комментарии (8)

  • sancho  | 21.10.2007 | 02:56 Ответить
    дорогие ученые мужья и жены.
    расскажите, пожалуйста, почему на ВОСХОДЕ солнце сильно желтее, чем на ЗАКАТЕ.
    Ответить
    • DIO > sancho | 30.04.2008 | 12:07 Ответить
      Утром атмосфера гораздо спокойнее, а потому чище. К заходу Солнца конвективными потоками, которые весь день выносили аэрозоли из приземного слоя воздуха, создаётся "завеса" мутного воздуха до довольно большой высоты. Границу этой мути можно с высоких зданий наблюдать. Я за городом, западнее Москвы, наблюдаю восход не желтее заката из-за того, что как раз через мегаполисную муть свет пробивается.
      Ответить
  • volodya  | 21.07.2008 | 21:23 Ответить
    Цитата :
    "Возбуждаясь, электрон поглощает фотон определенной частоты, чтобы почти сразу же испустить в точности такой же фотон и вернуться в нормальное состояние на нижней незанятой орбитали своего атома. Таким образом, свет в среде распространяется посредством цепочки непрерывных поглощений и испусканий фотонов. Именно этим обусловлено замедление распространения света в среде."
    1.Согласно квантовой механике электрон может поглотить только фотон из строго определенного набора частот, далеко не любой (спектральные линии). А как быть с фотонами, которые не попадают в даный набор ? Ведь они тоже замедляются в веществе.
    2.После поглощения, фотон испускается не обязательно в том же направлении, в котором летел исходный (вообще в любом). Это обясняет голубое небо (рассеяние фотонов с определенной частотой - голубой). Но как все-таки обяснить переломление света при его вхождении в призму, т.е. изменение скорости распространения света ? Ведь даже если бы все-таки любые фотоны могли поглощатся атомами, переизлучение должно происходить в произвольном направлении, и все вещества были бы непрозрачными как туман. При этом скорость распространения света оставалась бы такой же как и в вакууме, т.е. переломления для непоглощенных/непереизлученных фотонов не происходило бы.
    3. Согласно современным представления, электроны и ядро занимаю очень малую долю объема атома, все остальное - вакуум. В котором скорость света известна. В таком случае может быть часть фотонов, которая сможет "проскочить" вещество (например стекляную пластинку, призму) без поглощения. Они будут двигатся с максимальной скоростью (скоростью света в вакууме) и не подвергнутся переломлению. Другие - которые поглотятся и переиспустятся атомами наоборот. В зависимости от количества поглощений будет зависеть скорость распространения фотонов. Т.е пучок света должен разбиватся на дискретные пучки по количеству поглощений (0,1,2,3...) с разным углом переломления. Может я чего-то не знаю, но я не слышал о таких опытах. Как тогда это обясняется ?

    Так какая же истинная причина замедления света в веществе ?
    Ответить
    • rod1gin > volodya | 11.01.2009 | 16:11 Ответить
      На первый и второй вопросы не знаю ответа (не физик).

      На третий вопрос ответ такой: в квантовой физике существует так называемый корпускулярно-волновой дуализм, т.е. фотон имеет свойства не только частицы, но и волны (электромагнитной). Для видимого света длина этой волны не такая уж маленькая: от 400 до 760 нанометров, что намного больше, чем расстояние между атомами в веществе. Поэтому фотон видимого света не может пролететь в веществе сколько-нибудь значительное расстояние, "не задев" ни один атом.

      Вот гамма-частица (т.е. тот же фотон, но с длинной волны менее 0.005 нм.) - другое дело.
      Ответить
  • ASY-Lviv  | 10.10.2008 | 02:28 Ответить
    Cкорость распространения квантов света различной частоты определяется
    свойствами многомерного пространства и порожденным им же - электронами.
    Нуклоны состоят из того же спектра элекронов, но с различной , четко
    выраженной энергетической градацией по толщине массивной частицы. Атомные ядра состоят из наборов экапротонов, однотипных, одинаковых по
    массе ,положительно заряженных частиц ,так как наружные оболчки
    нуклонов (при образовании ядерного вещества)вынужденно по слойно объединены ....Поэтому любое ядро атомов это не точечное образование,
    а тем более набор каких то микро шариков. а реально и оччень протяженные строго упорядоченные структуры.
    Подробности на сайте: http://www.yssy.narod.ru "Физика
    фундаментального выживания"
    Вывод: Все процессы, в том числе и дисперсионные на прямую связаны и
    отображают фундаментальные свойства полного атомного набора электронов.
    Первородное пространство , энергетически подпитывая электроны, физически прокачивает сквозь них собственную фотонную поляризацию.
    Тем самым заставляя электроны принудительно повторять зарядом прокачиваемый рельеф фотонов и вторично одномоментно воспроизводить
    первичное возмущение пространственно не симметричной поляризации.
    Массы модефицированных составом электронов строго различны и потому
    скорость реакции на поляризацию у них причинно различна.Отсюда пример
    двойного лучепреломления и размножения гармоник в лазерах и оптических
    модуляторах....
    Высокоточная пикоквантовая теория не терпит громадного обилия кварков,
    разноцветных , да еще безмассовых глюонов,векторных супер тяжелых бозонов и прочей подобной и никем не увиденной чепухи...
    Ответить
  • маг  | 02.09.2010 | 18:20 Ответить
    Свет - это продукт нашей психики, продукт наших психофизических систем. Вовне его нет. Есть его причина. Допустим, что это X-поток, X-процесс. Наша зрительная система моделирует реальность вовне, обрабатывая результаты взаимодействия структур организма с потоком. Солнце - это ориентационная модель, которая используется вторично нами уже на уровне сознания, на уровне принятия решений в выборе программ управления процессами организма, что связано с деятельностью наших защитных структур вовне. На характеристики этой модели влияет плотность среды. Например, размеры ее уменьшаются с увеличением плотности среды. Система
    зрения реагирует на величины энергетических характеристик частей потока и фона. Менять ощущения цветности можно увеличением плотности, изменением величины энергетической характеристики фона, изменением характеристик самих частей потока. Никакого преломления света нет. Это можно показать экспериментально. Могу предложить нашим ученым мужам познакомиться с работами Лэнда, Зэки, Оливера Сакса и еще многих.
    Можно познакомиться с моими публикациями ФОТОГРАФИЙ на Прозе.ру (Мальцев-Ганичев 2, Николай Маг).
    Ответить
  • Филатов  | 16.02.2014 | 09:54 Ответить
    Фотон движется в пространстве по принципу реактивного двигателя протягивая сквозь себя окружающую материю со скоростью зависящую от плотности этой среды.
    Ответить
    • ASY-Lviv > Филатов | 11.11.2014 | 23:31 Ответить
      ASY-Lviv
      Фотон, к сожалению - это вторичная импульсная модуляция несущего гравитационного пространства...
      Принцип реактивного двигателя, применительно к фотону не уместен, по причине мгновенной световой скорости переизлучения фотона. Отсутствует
      этап разгона фотона до световой скорости.
      Следует так же учесть наличие физики электромагнитного трения при гипотетическом протягивании материи сквозь себя (фотоном). Этот простой эффект практически мгновенно привёл бы к разрушению фотона.
      Однако многие миллиарды световых лет не помеха космическим фотонам, летящим от космообъектов.
      Ответить
Написать комментарий

1621
1864
1864
1924
Дисперсия: атомная теория
Закат над Адриатическим морем. Небо алеет из-за интенсивной дисперсии солнечного света, поскольку лучи проделывают в атмосфере путь, в десятки раз превышающий путь солнечных лучей при нахождении светила в зените. Синие, зеленые и желтые лучи полностью исчезли из спектра Солнца, и оно кажется нам красным
Закат над Адриатическим морем. Небо алеет из-за интенсивной дисперсии солнечного света, поскольку лучи проделывают в атмосфере путь, в десятки раз превышающий путь солнечных лучей при нахождении светила в зените. Синие, зеленые и желтые лучи полностью исчезли из спектра Солнца, и оно кажется нам красным
Элементы

© 2005-2017 «Элементы»