Dispersión de la luz
El fenómeno de descomposición de la luz policromática en luz monocromática se llama dispersión de la luz. Newton observó por primera vez la dispersión de la luz en 1666 utilizando un prisma, que dividía la luz blanca en bandas de colores (espectro). El fenómeno de dispersión representa la velocidad (o dispersión) de la luz en un medio.
El índice de refracción n=c/v) cambia con la frecuencia de la luz. La dispersión de la luz se puede conseguir mediante prismas, rejillas de difracción, interferómetros, etc. La dispersión de la luz demuestra que la luz fluctúa.
Luz policromática
La luz blanca se compone de rojo, naranja, amarillo, verde, azul, índigo, violeta y otros colores. La luz mezclada con luz monocromática se llama luz policromática. La luz de color que no se puede descomponer se llama luz monocromática.
Dispersión
El fenómeno de dividir la luz policromática en luz monocromática para formar un espectro se llama dispersión óptica. La dispersión se puede lograr utilizando prismas o rejillas como "sistemas de dispersión". Después de que la luz policromática ingresa al prisma, tiene un índice de refracción diferente para la luz de diversas frecuencias y la dirección de propagación de varias luces policromáticas tiene distintos grados de desviación, por lo que al salir del prisma, se separan y dispersan para formar un espectro.
Los tres colores primarios de la luz
Rojo, verde y azul. Además, el polvo de fósforo de la televisión que vemos también está en esta combinación. Simplemente mire el CRT frente al televisor en color, no el monitor de la computadora frente a usted. Sus píxeles son demasiado pequeños para distinguirlos a simple vista. La combinación de estos tres colores, RGB, forma casi todos los colores. El rojo, el verde y el azul se denominan "tres colores primarios" de la luz. Debido a que los tres colores rojo, verde y azul en la naturaleza no se pueden mezclar con otros colores, se pueden obtener otros colores mezclando rojo, verde y azul. Por lo tanto, los tres colores rojo, verde y azul se denominan los tres colores primarios de la luz. Después de que la luz del sol pasa a través de un prisma, se descompone en varios colores de luz. Si la pantalla blanca lo acepta, se formará una línea en la pantalla blanca. Esto muestra que la luz blanca es una mezcla de varios colores y un arco iris es la dispersión de gotas de agua en el aire durante la propagación de la luz solar. La luz de color es una típica "luz y color crecientes", es decir, cuando se superponen diferentes colores, el brillo también aumenta.
El índice de refracción de un medio cambia con la frecuencia o longitud de onda de las ondas de luz en el vacío. Cuando la luz policromática se refracta en la interfaz del medio, el medio tiene diferentes índices de refracción para la luz de diferentes longitudes de onda, y la luz de cada color se separa entre sí debido a diferentes ángulos de refracción. En 1672, Newton utilizó prismas para dispersar la dispersión.
La luz del sol se descompone en franjas de colores. Este es el primer experimento de dispersión realizado por personas. La ley de dispersión generalmente se describe mediante la relación entre el índice de refracción n o la relación de dispersión DN/D λ y la longitud de onda λ. La dispersión de cualquier medio se puede dividir en dispersión normal y dispersión anormal.
Editar este espectro
El fenómeno de dividir la luz policromática en luz monocromática para formar un espectro. Deje que un rayo de luz blanca brille sobre el prisma de vidrio. Después de que el prisma refracte la luz, formará una franja de luz de color en la pantalla blanca del otro lado. La disposición de los colores es roja cerca de las esquinas superiores del prisma, violeta en los extremos cerca de la parte inferior y naranja, amarillo, verde e índigo en el medio. Esta banda de luz se llama espectro. Cada color de luz del espectro no se puede dividir en otros colores de luz. Se llama luz monocromática. La luz mezclada con luz monocromática se llama luz policromática. La luz emitida por la luz solar, las lámparas incandescentes y las lámparas fluorescentes en la naturaleza es luz policromática. Cuando la luz incide sobre un objeto, parte de la luz es reflejada por el objeto y parte de la luz es absorbida por el objeto. Si el objeto es transparente, parte de él seguirá atravesándolo. Diferentes objetos tienen diferente reflexión, absorción y transmisión de diferentes colores, por lo que muestran diferentes colores.
El fenómeno de descomposición de la luz policromática en luz monocromática se llama dispersión de la luz. Newton observó por primera vez la dispersión de la luz en 1666 utilizando un prisma, que dividía la luz blanca en bandas de colores (espectro). El fenómeno de dispersión muestra que la velocidad de la luz en el medio (o índice de refracción n=c/v) cambia con la frecuencia de la luz. La dispersión de la luz se puede lograr mediante el uso de prismas, rejillas de difracción, interferómetros, etc.
La luz blanca está compuesta por rojo, naranja, amarillo, verde, azul, índigo y violeta y se llama luz policromática. Los colores como el rojo, el naranja, el amarillo y el verde se denominan luz monocromática.
Dispersión: El fenómeno de la luz policromática al descomponerse en luz monocromática formando un espectro se denomina dispersión óptica. La dispersión se puede lograr utilizando prismas o rejillas como "sistemas de dispersión". Después de que la luz policromática ingresa al prisma, tiene un índice de refracción diferente para la luz de diversas frecuencias y la dirección de propagación de varias luces policromáticas tiene distintos grados de desviación, por lo que al salir del prisma, se separan y dispersan para formar un espectro.
Los tres colores primarios de la luz: rojo, verde y azul.
Además, el polvo fluorescente de la televisión que vemos también está en esta combinación. Puede mirar un CRT frente a un televisor en color, pero no mire el monitor de la computadora frente a usted. Sus píxeles son demasiado pequeños para distinguirlos a simple vista. La combinación de estos tres colores, RGB, forma casi todos los colores.
Dispersión de la luz
El índice de refracción de un medio cambia con la frecuencia o longitud de onda de las ondas de luz en el vacío. Cuando la luz policromática se refracta en la interfaz del medio, el medio tiene diferentes índices de refracción para la luz de diferentes longitudes de onda, y la luz de cada color se separa entre sí debido a diferentes ángulos de refracción. En 1672, Newton utilizó un prisma para descomponer la luz solar en bandas de colores. Este fue el primer experimento de dispersión realizado por humanos. La ley de dispersión generalmente se describe mediante la relación entre el índice de refracción n o la relación de dispersión DN/D λ y la longitud de onda λ. La dispersión de cualquier medio se puede dividir en dispersión normal y dispersión anormal.
El fenómeno de descomponer la luz policromática en luz monocromática para formar un espectro. Deje que un rayo de luz blanca brille sobre el prisma de vidrio. Después de que el prisma refracte la luz, formará una franja de luz de color en la pantalla blanca del otro lado. La disposición de los colores es roja cerca de las esquinas superiores del prisma, violeta en los extremos cerca de la parte inferior y naranja, amarillo, verde e índigo en el medio. Esta banda de luz se llama espectro. Cada color de luz del espectro no se puede dividir en otros colores de luz. Se llama luz monocromática. La luz mezclada con luz monocromática se llama luz policromática. La luz emitida por la luz solar, las lámparas incandescentes y las lámparas fluorescentes en la naturaleza es luz policromática. Cuando la luz incide sobre un objeto, parte de la luz es reflejada por el objeto y parte de la luz es absorbida por el objeto. Si el objeto es transparente, parte de él seguirá atravesándolo. Diferentes objetos tienen diferente reflexión, absorción y transmisión de diferentes colores, por lo que muestran diferentes colores.
Las ondas de luz tienen una frecuencia determinada, y el color de la luz está determinado por la frecuencia de las ondas de luz. En la región de la luz visible, la luz roja tiene la frecuencia más pequeña y la luz violeta tiene la frecuencia más grande. La velocidad de la luz de varias frecuencias en el vacío es la misma, igual a 3,0 × 10 ˇ 8 m/s, mientras que la luz monocromática de diferentes frecuencias es más lenta que en el vacío debido al efecto del medio. La velocidad de propagación de la luz violeta es pequeña, por lo que el índice de refracción del medio para la luz roja es pequeño y el índice de refracción para la luz violeta es grande. Cuando luz de diferentes colores incide sobre un prisma con el mismo ángulo de incidencia, la luz roja tiene el índice de refracción más pequeño, en el extremo del espectro cerca del ángulo superior. La luz violeta tiene una alta frecuencia e índice de refracción en el medio, y también está dispuesta en el extremo más cercano a la parte inferior del prisma en el espectro.
En verano, a menudo aparecen en el cielo arcos de colores orientados hacia el sol después de la lluvia. Este es un arco iris. Los arcoíris se forman porque hay muchas pequeñas gotas de agua suspendidas en el cielo después de una lluvia. Cuando el sol brilla en cierto ángulo, estas pequeñas gotas de agua se extienden. Mira las pequeñas gotas de agua y aparecerá un arcoíris de colores. Los colores del arcoíris son el rojo por fuera y el violeta por dentro, dispuestos en ese orden.
1. El fenómeno de dispersión de la luz en la antigua China
La comprensión de la dispersión de la luz en la antigua China se originó a partir de la comprensión del fenómeno de dispersión natural: el arco iris, que es el fenómeno de la luz solar. Al impactar en un determinado ángulo, las gotas de agua en el aire provocan complejos fenómenos de dispersión provocados por la refracción y la reflexión. China tiene registros de arcoíris en inscripciones de huesos de oráculos ya en las dinastías Yin y Shang. En ese momento, la palabra "arcoíris" se escribía como "". En las Canciones de Chu durante el Período de los Reinos Combatientes está registrado que los colores del arco iris se dividen en cinco colores. Cai Yong (132~192) en la dinastía Han del Este y Kong (574~648) a principios de la dinastía Tang revelaron aproximadamente el origen óptico del arco iris en "Notas sobre el Libro de los Ritos": "Si las nubes son delgadas y el el sol se filtra, y hay gotas de lluvia sobre el sol, habrá gotas de lluvia", explicando. Un arco iris es un fenómeno natural causado por las gotas de lluvia que se iluminan con la luz del sol. A mediados del siglo VIII, Zhang (744~773), siguiendo el espíritu de Xuan Zhen Zidao, utilizó métodos experimentales por primera vez. Y fue el primer experimento consciente de dispersión de luz blanca: "El agua rociada desde la parte posterior del sol parece un arco iris, pero no puede ser recta y parece una sombra, después de la dinastía Tang, se han repetido experimentos similares". Por ejemplo, Cai Bian de la dinastía Song del Sur llevó a cabo un experimento para simular "gotas de lluvia bajo el sol", vinculando el arco iris con el fenómeno del halo del sol y la luna, mostrando intencionalmente que el arco iris es un proceso de dispersión. También señala la relación entre el arco iris y la posición del sol. Cheng Dachang (1123 ~ 1195) de la dinastía Song del Sur describió el fenómeno de la división de las gotas de rocío en "Fan Yanlu" y señaló que la luz del sol se puede convertir en múltiples colores a través de una gota de agua, que en realidad es dispersión, pero este color no. poseído por la propia gota de agua.
En China, a partir de la dinastía Jin, muchos clásicos han registrado el fenómeno de la dispersión de los cristales. Por ejemplo, se sabe que las plumas de pavo real y la epidermis de un insecto cambian constantemente de color con la luz del sol, y las láminas de mica pueden observar diferentes colores de luz. Li Shizhen también señaló que los cristales hexagonales más grandes y las cuentas de cristal más pequeñas pueden formar dispersiones. Al final de la dinastía Ming, Fang Yizhi (1611 ~ 1671) hizo un maravilloso resumen del fenómeno de la dispersión en su libro "Introducción a la Física". Dividió la luz blanca en cinco colores usando cristales naturales con bordes y cristales triangulares disparados artificialmente, y luego mezcló el arco iris artificial de cinco colores con el arco iris. Así como fenómenos naturales como los colores del arcoíris, halos de sol y luna y nubes de cinco colores. Se cree que "todo esto es dispersión de luz blanca". Todo esto muestra que China tenía una comprensión integral de la naturaleza de los fenómenos de dispersión antes de la dinastía Ming, pero también refleja que la mayor parte del conocimiento de la física china antigua era fragmentado y empírico.
2. La comprensión previa de la dispersión de la luz por parte de Western Newton
En los primeros días del desarrollo de la óptica, era particularmente difícil explicar el color. Antes de Newton, las ideas de Aristóteles dominaban la comprensión europea del color. Aristóteles creía que el color no es un atributo objetivo de un objeto, sino un sentimiento subjetivo de una persona. La formación de todos los colores es el resultado de una mezcla proporcional de luz y oscuridad, blanco y negro. Boyle también estudió el color de un objeto en 6438 0663. Creía que el color de un objeto no pertenece a la naturaleza sustantiva del objeto, sino que es causado por el cambio de luz en la superficie del objeto. Los objetos que reflejan completamente la luz son blancos y los objetos que absorben completamente la luz son negros. Además, muchos científicos como Descartes y Hooke también discutieron el problema de la dispersión o acumulación de luz blanca en colores, pero todos defendieron que el rojo es luz muy concentrada y el púrpura es luz muy diluida. Esta es una teoría muy compleja y desordenada. . Entonces, antes de Newton,
3. La exploración experimental y la investigación teórica de Newton sobre la dispersión de la luz.
(1) Diseñar y realizar experimentos con prismas.
Cuando la luz blanca atraviesa fragmentos de vidrio incoloro y varias piedras preciosas, formará luces brillantes de varios colores. Este hecho se conocía desde siglos antes que Newton, pero no fue hasta mediados del siglo XVII que Newton investigó el problema experimentalmente. Este experimento fue calificado como uno de "los experimentos más bellos de la física".
Newton hizo por primera vez un famoso experimento con el prisma. Escribió en el libro: "A principios de 1666, hice un prisma de vidrio triangular para estudiar el color de la luz. Para ello, pinté la habitación con tinta e hice un pequeño agujero en la ventana para dejar entrar una cantidad adecuada. de luz solar. Coloqué el prisma en la entrada de la luz y dejé que la luz refractada brillara en la pared opuesta. Me alegré mucho cuando vi el color brillante e intenso de la luz por primera vez". El diseño experimental de Newton era así. esto: A través de este experimento, se obtiene un punto de color en la pared. La disposición de los colores es rojo, naranja, amarillo, verde, cian, azul y morado. Newton llamó a este color espectro moteado.
(2) Nuevos experimentos de diseño para obtener espectros puros.
El espectro de Newton obtenido en el experimento anterior es impuro. Creía que el espectro era impuro porque consistía en una serie de imágenes superpuestas de puntos circulares. Para obtener un espectro muy puro, Newton diseñó un conjunto de instrumentos ópticos para experimentos. El diseño experimental se muestra en la siguiente figura:
La luz blanca ilumina la rendija S a través de la lente y una lente convergente. se coloca detrás de la hendidura para formar una hendidura Imagen I de la costura S. Luego se coloca el prisma en la trayectoria óptica de la lente. Como resultado, la luz atraviesa el prisma debido a diferentes ángulos de desviación, creando bandas espectrales del rojo al violeta en la pantalla blanca. Esta banda espectral consta de una serie de imágenes en color de rendijas adyacentes. Si la rendija se hace muy estrecha, se pueden minimizar los fenómenos de superposición, por lo que el espectro se vuelve muy puro.
(3) Newton propuso una teoría para explicar el espectro.
Para explicar la descomposición de la luz blanca en el experimento del prisma, Newton creía que la luz blanca se compone de diferentes colores y que el índice de refracción del vidrio es diferente. Cuando la luz blanca pasa a través de un prisma, todos los colores se refractan en diferentes ángulos, lo que da como resultado una separación en el espectro de colores. Cuando la luz blanca pasa a través de un prisma, se desvía hacia la parte inferior del prisma, siendo la luz violeta la más grande y la luz roja la más pequeña. El fenómeno en el que un prisma separa la luz blanca en varios colores se llama dispersión. En sentido estricto, hay muchos colores en el espectro.
(4) Diseñar experimentos para verificar la exactitud de la teoría anterior.
Para seguir estudiando el color de la luz y verificar la exactitud de la teoría anterior, Newton realizó otro experimento. El diseño experimental es el siguiente:
Newton hizo un pequeño agujero en la pantalla para observar el espectro, y luego colocó una pantalla con un pequeño agujero en la parte posterior, de modo que la luz que pasaba por el agujero fuera de un determinado color. Newton colocó un segundo prisma abc en el camino de este rayo y una nueva pantalla de visualización V detrás de él. Los experimentos muestran que el segundo prisma abc desvía el haz de luz monocromático solo en un ángulo, sin cambiar el color de la luz. En el experimento, Newton giró el primer prisma ABC. La luz de diferentes colores del espectro pasa a través de pequeños orificios en las pantallas DE y DE. En todos estos casos, estas luces monocromáticas de diferentes colores ya no pueden ser descompuestas por el segundo prisma y sólo se desvían en un ángulo determinado después de atravesar el segundo espejo de inspección. Además, también se descubrió que la luz de diferentes colores se desvía en diferentes ángulos.
A través de estos experimentos, Newton concluyó que la luz blanca se puede descomponer en diferentes colores y es monocromática, y los prismas ya no pueden descomponerla.
(5) Experimento de síntesis de luz blanca a partir de luz monocromática.
Dado que la luz blanca se puede descomponer en luz monocromática, ¿se puede sintetizar también la luz monocromática en luz blanca? "Newton realizó un experimento para esto. Como se muestra en la Figura 55, la luz coloreada del espectro se puede recombinar en luz blanca colocándola en una fila de pequeños espejos planos rectangulares. Ajuste el ángulo de cada espejo plano con la luz incidente de modo que sobre el que cae toda la luz reflejada
Newton señaló que hay otra forma de recombinar la luz de color en luz blanca dibujando el espectro en un disco en forma de abanico y girándolo a alta velocidad, el disco. aparecerá blanco. Este efecto experimental se conoce generalmente como "efecto de persistencia visual". El cerebro puede retener la impresión durante unas décimas de segundo después de que la imagen formada en la retina del ojo se combina para formar. una imagen blanca estática en una pantalla de televisión o de cine.
(6) Resultados de la investigación de Newton sobre la dispersión de la luz
Los resultados se resumen en varios experimentos de dispersión y estudios teóricos. son los siguientes:
El índice de refracción de la luz es diferente y el color también es diferente. El color no es un cambio de luz, sino una propiedad inherente de la luz.
②Lo mismo. el color pertenece al mismo índice de refracción, y viceversa
El tipo de color y el grado de refracción son inherentes a la luz y no cambiarán por refracción, reflexión o cualquier otro motivo.
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Para distinguir entre colores puros originales y colores compuestos de ellos
⑤ El color blanco se produce mezclando adecuadamente todos los colores de la luz. Para sintetizar los colores del espectro para obtener luz blanca.
⑥Con base en lo anterior, podemos explicar la razón por la cual los prismas producen color en la luz y el principio del arco iris.
⑦El color de los objetos naturales se debe a lo anterior. mucha luz y menos otra luz.
⑧Entonces el color es la cualidad de la luz (varios rayos), por lo que la luz en sí no puede ser calidad, porque la cualidad del color se origina en la luz. Así que ahora hay base suficiente. creer que la luz es una entidad.
(7) Características del método de investigación de Newton sobre el fenómeno de dispersión de la luz
Como se puede ver en lo anterior, Newton es muy importante. El estudio de la dispersión adopta el método típico de investigación de leyes físicas de inducción experimental, teoría de hipótesis y pruebas experimentales, y penetra en métodos de investigación física como el método analítico (descomponer la luz blanca en luz monocromática) y el método integral (sintetizar la luz monocromática en blanca). luz).
La dispersión de la luz muestra que la luz tiene fluctuaciones porque la dispersión es causada por el diferente índice de refracción de los componentes de la luz, y el índice de refracción está determinado por la frecuencia de la onda. /p>
El ejemplo más típico de la naturaleza partícula de la luz es el efecto fotoeléctrico.
Fuerza de dispersión
Debido al movimiento constante de los electrones y los núcleos en las moléculas, la Nube de electrones en las moléculas no polares. La distribución presenta un estado ondulado, provocando un desplazamiento relativo instantáneo entre ellas y los núcleos atómicos, dando lugar a dipolos instantáneos, que deforman las moléculas. Cuantos más electrones, átomos y radios atómicos haya en la molécula, más más fácil es deformarse.
Un dipolo instantáneo puede hacer que otra molécula no polar adyacente produzca un dipolo instantáneo inducido. Los dos dipolos instantáneos siempre asumen el estado de ser adyacentes entre sí. La fuerza entre los dipolos instantáneos producida por las moléculas en cualquier momento es la fuerza de dispersión (llamada así porque la expresión de su energía de acción es similar a la fórmula de dispersión de la luz). Aunque el dipolo instantáneo tiene una vida corta, los estados adyacentes de diferentes polos se repiten uno tras otro, por lo que siempre existe una fuerza de dispersión entre las moléculas. No hace falta decir que las fuerzas de dispersión existen no sólo entre moléculas no polares sino también entre moléculas polares y entre moléculas polares y no polares.
Existen fuerzas de dispersión entre todas las moléculas. Las fuerzas de dispersión están relacionadas con la capacidad de las moléculas para deformarse. Cuanto mayor sea la capacidad de deformación, más fácil será la polarización y más fuerte será la fuerza de dispersión. Las moléculas de los gases nobles no forman enlaces químicos, pero cuando están cerca unas de otras pueden licuarse y liberar energía, lo que demuestra la existencia de fuerzas de dispersión.
Estas tres fuerzas intermoleculares se denominan colectivamente fuerzas de van der Waals. Fue propuesto cuando la gente estudiaba la desviación entre los gases reales y los gases ideales. La fuerza intermolecular tiene las siguientes características: ① La fuerza intermolecular es inversamente proporcional a la sexta potencia de la distancia entre moléculas. Entonces, cuando las moléculas se separan ligeramente, las fuerzas intermoleculares se debilitan repentinamente. Su distancia de trabajo es de aproximadamente 300 ~ 500 pm. Cuando existe una cierta distancia de contacto entre las moléculas y las nubes de electrones no se superponen, la mitad de la distancia nuclear entre dos átomos en moléculas adyacentes se llama radio de van der Waals del átomo. El radio de van der Waals de un átomo de cloro es 180 pm, que es mucho mayor que su radio de valencia de 99 pm. ②La fuerza intermolecular no tiene direccionalidad ni saturación. ③La energía de la fuerza intermolecular es generalmente de 2 ~ 20 kJ·mol-1, que es aproximadamente 1 ~ 2 órdenes de magnitud menor que la energía del enlace químico (100 ~ 600 kj·mol-1).
Las propiedades físicas de las moléculas de halógeno se pueden explicar fácilmente cualitativamente mediante fuerzas intermoleculares: F2, Cl2, Br2 e I2 son todas moléculas no polares. A medida que aumentan el peso molecular de la secuencia, el radio atómico y el número de electrones, aumentan las fuerzas de dispersión, la deformabilidad molecular y las fuerzas intermoleculares. Así, las moléculas de halógeno se funden secuencialmente y el punto de ebullición aumenta rápidamente. A temperatura ambiente, F2 y Cl2 son gases, Br2 es líquido y I2 es sólido. Los pesos moleculares de HF, H2O y NH3 son significativamente más pequeños que los de los hidruros correspondientes de la misma familia, pero sus puntos de fusión y de ebullición son inusualmente altos debido a los enlaces de helio entre estas moléculas.
Índice de refracción
Índice de refracción cromogénico
Morado 1.532
Azul 1.528
Verde 1.519
p>Amarillo 1.517
Naranja 1.514
Rojo 1.513
El índice de refracción de un medio es igual a la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en esta relación de velocidad media. La velocidad de todos los colores de la luz en el vacío es la misma, igual a c. Su índice de refracción en el mismo medio (como el vidrio) es diferente, lo que indica que su velocidad en el mismo medio es diferente. El índice de refracción de la luz roja es menor que el de otros colores, lo que significa que la velocidad de la luz roja en el medio es mayor que la de otros colores. Las ondas con longitudes de onda más cortas se dispersan fácilmente, mientras que las ondas con longitudes de onda más largas tienen menos probabilidades de dispersarse.