Как работает призма? Объяснение света, преломления и дисперсии

Призма работает, преломляя свет, проходящий через стекло, и поскольку каждый цвет света изгибается под немного разным углом, белый свет распадается на полный видимый спектр. Этот процесс включает в себя два ключевых физических принципа: преломление и дисперсия . Понимание того, как взаимодействуют эти две силы, объясняет все: от радуги в небе до лазерных экспериментов в физической лаборатории.

Что происходит, когда свет попадает в призму

Когда луч света проходит из воздуха в стекло, он замедляется. Стекло оптически плотнее воздуха, а это значит, что свет проходит через него с меньшей скоростью. Это изменение скорости заставляет луч света изгибаться на границе между двумя материалами. Этот изгиб называется преломление .

Величина изгиба описывается законом Снеллса, который гласит, что отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно отношению скоростей света в двух средах. С практической точки зрения свет изгибается к линии, перпендикулярной поверхности при входе в более плотную среду, и отклоняется от нее при выходе.

Призма имеет как минимум две плоские наклонные поверхности. Свет входит через одно лицо и выходит через другое. Поскольку две поверхности не параллельны, преломление, происходящее на входе, не уравновешивается на выходе. Вместо этого оба преломления складываются, изгибая свет дальше в одном направлении.

Почему белый свет распадается на цвета

Белый свет не является одноцветным. Это смесь всех цветов видимого спектра, каждый из которых имеет свою длину волны. Фиолетовый свет имеет длину волны примерно от 380 до 450 нанометров, а красный свет находится на другом конце примерно от 620 до 750 нанометров.

Важная деталь заключается в том, что стекло замедляет волны разной длины в разной степени. Волны с более короткой длиной волны, такие как фиолетовый, сильнее замедляются внутри стекла и, следовательно, более резко изгибаются. Более длинные волны, такие как красный цвет, меньше замедляются и меньше изгибаются. Это изменение угла изгиба в зависимости от длины волны называется дисперсия .

В типичной стеклянной призме разница показателей преломления фиолетового и красного света составляет примерно от 0,02 до 0,05 , в зависимости от типа стекла. Этой небольшой разницы достаточно, чтобы цвета распределились в видимую радугу, когда свет выходит из призмы.

Порядок цветов в спектре

Цвета всегда появляются в одной и той же последовательности, поскольку они всегда изгибаются в фиксированной, предсказуемой степени. Порядок от наименее изогнутого к наиболее изогнутому:

• Красный
• Оранжевый
• Желтый
• Зеленый
• Синий
• Индиго
• Фиолетовый

Это та же последовательность, что и в естественной радуге, где капли воды действуют как крошечные призмы в атмосфере.

Роль формы призмы

Треугольная форма стандартной призмы не случайна. Угол при вершине треугольника, называемый углом при вершине или углом призмы, напрямую определяет, насколько общему отклонению подвергается свет. Больший угол при вершине обеспечивает большее разделение цветов.

Большинство демонстрационных призм имеют угол при вершине 60 градусов , который обеспечивает сильное и легко заметное рассеивание, не требуя экстремальной геометрии. Призма с углом 30 градусов отклоняет свет более мягко, а углы более 70 градусов начинают вызывать значительные потери света из-за внутренних отражений от поверхностей.

Материал призмы также имеет значение. Плотное флинтовое стекло имеет более высокий показатель преломления, чем стандартное боросиликатное стекло, поэтому оно сильнее рассеивает цвета. Вот почему в оптических приборах, требующих точного разделения цветов, используется специально разработанное стекло, а не обычное оконное стекло.

Сравнение показателей преломления разных цветов

Несмотря на то, что различия в показателе преломления на бумаге кажутся небольшими, они создают четко видимый разброс цветов, когда геометрия призмы усиливает их по выходной грани.

Может ли призма превратить свет обратно в белый?

Да. Исаак Ньютон продемонстрировал это в 1666 году, поместив вторую призму вверх тормашками на пути рассеянного спектра от первой. Вторая призма снова выровняла каждый цвет, объединив их в единый луч белого света. Этот эксперимент доказал две вещи: белый свет содержит все цвета, а сама призма не добавляет цвета свету, а только раскрывает то, что уже присутствовало.

Эта обратимость важна в оптической конструкции. Системы, которым необходимо разделить длины волн для анализа, могут позже объединить их без потери информации, предполагая идеальную оптику без аберраций.

Практическое использование призм помимо разделения цветов

Призмы используются не только для создания радуги. Они выполняют множество точных функций в оптических приборах и технологиях.

Спектроскопия

Ученые используют призменные спектрометры для анализа света, излучаемого или поглощаемого веществами. Каждый элемент создает уникальный набор спектральных линий, действующих как отпечаток пальца. Астрономы используют этот метод для определения химического состава звезд, находящихся на расстоянии миллионов световых лет, даже не собирая физические образцы.

Бинокли и перископы

Призмы Руфа и призмы Порро внутри бинокля используются полное внутреннее отражение а не дисперсия. Когда свет падает на внутреннюю поверхность стекла под углом, превышающим критический угол, он полностью отражается без каких-либо потерь. Это позволяет биноклю складывать оптический путь в компактную форму, сохраняя при этом яркость и ориентацию изображения.

Телекоммуникации и оптоволокно

Мультиплексирование с разделением по длине волны в оптоволоконных сетях использует компоненты на основе дисперсии, которые действуют аналогично призмам. Различные каналы данных передаются на разных длинах волн света, а затем разделяются или объединяются с помощью дифракционных решеток или призматических элементов, что позволяет одному волокну одновременно переносить огромные объемы информации.

Системы камер и проекторов

Высококлассные видеокамеры используют светоделительные призмы для разделения входящего света на отдельные красные, зеленые и синие каналы, каждый из которых улавливается специальным датчиком. Это обеспечивает более точную цветопередачу, чем системы с одним датчиком, использующие массивы цветовых фильтров.

Как угол падения влияет на результат

Угол, под которым свет падает на поверхность призмы, существенно влияет на результат. При минимальном угле отклонения свет проходит через призму симметрично и дисперсия наиболее чистая. При более крутых углах падения некоторые длины волн могут подвергаться полному внутреннему отражению и вообще не выходить из призмы.

Для призмы из крон-стекла с углом 60 градусов минимальный угол отклонения составляет примерно от 37 до 40 градусов для видимого света. Инженеры-оптики точно рассчитывают это при разработке инструментов, чтобы обеспечить прохождение желаемых длин волн с минимальными искажениями.

Если свет падает на поверхность под слишком малым углом, он может отразиться, а не проникнуть в стекло вообще - явление, определяемое уравнениями Френеля. Антибликовые покрытия на высококачественных оптические призмы минимизируйте эту поверхностную потерю и улучшите эффективность передачи.

Разница между призмами и дифракционными решетками

И призмы, и дифракционные решетки могут разделять свет на составляющие его длины волн, но делают это посредством совершенно разных физических механизмов. Призма использует преломление и зависимость показателя преломления от длины волны. Дифракционная решетка использует интерференцию световых волн, которые рассеиваются от поверхности, покрытой тысячами тонких параллельных линий.

Примечательно, что порядок цветов между ними обратный. В призме больше всего изогнут фиолетовый цвет. В дифракционной решетке красный цвет преломляется под наибольшим углом. Эта разница является прямым следствием лежащей в основе физики в каждом случае.

Почему некоторые материалы рассеивают свет больше, чем другие

Склонность материала рассеивать свет измеряется его числом Аббе. А низкое число Аббе означает высокую дисперсию, то есть материал сильно разделяет цвета. Высокое число Аббе означает низкую дисперсию. Плотное флинтовое стекло имеет число Аббе около 36, а боросиликатное кронен-стекло — около 64.

В объективах фотокамер высокая дисперсия обычно нежелательна, поскольку она создает хроматическую аберрацию, при которой разные цвета фокусируются на несколько разных расстояниях и создают окантовку или размытие. Разработчики объективов намеренно комбинируют элементы, изготовленные из стекла с высокой и низкой дисперсией, чтобы компенсировать хроматическую ошибку. Этот метод называется ахроматической коррекцией.

Однако в призменном спектрометре высокая дисперсия — это именно то, что вам нужно. Чем сильнее дисперсия, тем больше расширяется спектр, что облегчает различение близко расположенных длин волн.

Ключевые выводы

Призма разделяет белый свет на спектр, потому что стекло замедляет разные длины волн в разной степени, заставляя каждый цвет преломляться под уникальным углом. Треугольная геометрия призмы гарантирует, что преломление на входе и выходе изгибает свет в одном направлении, усиливая разделение. В результате получается видимая радуга, цвет которой меняется от красного на мелком конце до фиолетового на крутом.

1. Преломление заставляет свет искривляться при перемещении между материалами разной оптической плотности.
2. Дисперсия приводит к тому, что волны разной длины изгибаются на разную величину в одном и том же материале.
3. Форма призмы комбинирует преломление на двух поверхностях, создавая видимое разделение цветов.
4. Процесс полностью обратим, что доказал Ньютон, рекомбинировав спектр со второй призмой.
5. Призмы используются в спектроскопии, системах визуализации, биноклях и телекоммуникациях, а не только в демонстрациях в классе.