Murdumisnäitaja sõltuvus valguse lainepikkusest
Mida nimetatakse dispersiooniks?
Alustuseks tuletame jälle meelde põhikoolis õpitut. Seal tegime katse, kus valge valgus juhiti läbi klaasprisma. Tulemuseks saime vikerkaarevärvilise riba ekraanil. Siis seletati värvilise riba tekkimist sellega, et erinevat värvi valgused väljuvad prismast erinevates suundades. Nüüd saame seda levimissuundade erinevust ka põhjendada. Seda võimaldab asjaolu, et erinevat värvi valgustele ehk erineva lainepikkusega valguslainetele vastavad erinevad murdumisnäitaja väärtused. Aine absoluutse murdumisnäitaja sõltuvust valguse lainepikkusest (või sagedusest) nimetatakse dispersiooniks (ld dispersio – hajumine).
Newtoni dispersioonikatse
Sellise katse prismaga tegi 1666. a ka Newton. Ta suunas aknakardinas olevast august tulnud päikesekiired läbi klaasprisma toa vastasseinale. Sinna tekkis vikerkaarevärvides valgusriba. Vikerkaart on iidsetest aegadest arvatud koosnevat seitsmest värvist. Ka Newton eristas selles ribas seitset värvust, mida kasutatakse tänapäevalgi. Need on, alustades lühematest lainepikkustest: violetne, sinine, helesinine, roheline, kollane, oranž ja punane. Seda värvilist riba hakkas Newton nimetama spektriks. Valguse spekter näitab, millistest koostisosadest (komponentidest) valgus koosneb.
Spektri tekkimine valguse läbiminekul prismast oli tuntud juba ammu enne Newtonit. Seda seletati mingi salapärase mõjuga, mida klaas avaldab valgusele, muutes tema värvust. Newton järeldas oma katsetest, et see pole õige. Prisma ei muuda valget valgust, vaid lahutab selle koostisosadeks, mille liitmisel saab taastada valge valguse.
Newtoni katse põhimõtteline skeem on toodud joonisel 10.1. Valges valguses olevad erineva lainepikkusega lained langevad prismale kõik ühesuguse nurga all (päikesekiirte paralleelne kimp). Prismast väljuvad aga erineva lainepikkusega (värvusega) lained erinevais suundades. See on põhjustatud prisma dispersioonist, s.t et prisma aine (klaasi) murdumisnäitaja oleneb valguse lainepikkusest. Katseskeemilt on näha, et prismast läbi minnes kalduvad oma esialgsest suunast rohkem kõrvale valguslained, millel on lühem lainepikkus. See tähendab, et aine absoluutne murdumisnäitaja on seda suurem, mida väiksem on valguse lainepikkus.
Valguse dispersioon klaasplaadis
Dispersioon esineb ka siis, kui valgus ei lähe läbi prisma, vaid läbib näiteks klaasplaati (joon. 10.2). Kuid sel juhul väljuvad plaadist erivärvilised valguslained kõik ühes suunas ja meie silm ei suuda neid eristada.
Dispersioon on erinevates ainetes erineva suurusega, kuid need erinevused on üldiselt väikesed. Tüüpiline murdumisnäitaja sõltuvus valguse lainepikkusest, nn dispersioonikõver on toodud joonisel 10.3. Valguse lainepikkuse suurenedes väheneb peaaegu kõigi ainete murdumisnäitaja. Dispersioonikõveralt saab leida erinevatele lainepikkustele vastavaid murdumisnäitaja väärtusi.
Murdumisnäitaja muutub spektri nähtavas piirkonnas küllaltki vähe, kõigest 1–2%. Kuid sellestki piisab, et lahutada valge valgus erivärvilisteks komponentideks.
Paratamatult kerkib küsimus, miks oleneb aine murdumisnäitaja valguse lainepikkusest? Sellele küsimusele pole lihtsat vastust. Tõsiseks vastamiseks tuleks tungida füüsikaprobleemide sügavusse, mida tehakse ülikooli füüsikakursuses.
- rohelise
- kollase
Vikerkaar
Vikerkaare vaatlemine
Kõik me oleme mõnikord taevas näinud vikerkaart. Vikerkaar tekib siis, kui kusagil sajab vihma ja päike paistab. Selleks, et vikerkaart näha, peame olema päikese ja vihmapilve vahel, nii et päike jääks meile seljataha.
Vikerkaar on seda kõrgem, mida madalamal horisondi kohal päike asub. Kui päike on kõrgel, horisondist üle 42°, siis me vikerkaart ei näe. See jääb lihtsalt horisondist madalamale. Mõnikord võib taevas näha teineteise kohal kahte vikerkaart. Kõrgemal olevas, nn teist järku vikerkaares on värvid vastupidises järjekorras kui madalamas vikerkaares. Vikerkaar pole sugugi ainult taevane nähtus, seda võib näha ka purskkaevu veepritsmetes või aiakastmise vihmutis.
Millises ilmakaares võib näha vikerkaart varahommikul?
- põhjas
- lõunas
- idas
- läänes
Millal on vikerkaar kõrgem, kas kell neli või kell viis pärast lõunat?
- 16.00
- 17.00
Vikerkaare tekkimine
Vikerkaare kõikide omaduste seletamine on küllalt keeruline. Meie käsitleme ainult vikerkaare tekkepõhjust. Vikerkaar tekib sellepärast, et valguslained murduvad ja peegelduvad vihmapiiskades. Vikerkaare tekkepõhjuse mõistmiseks piisab, kui jälgida, mis juhtub valgusega ühes vihmapiisas, sest kõik piisad on sarnased (joon 10.4).
Vikerkaare olemuse mõistmiseks jälgime meie silma jõudva valguse teed. Piisale langev päikesevalgus murdub piisas ning osa sellest peegeldub piisa tagaküljelt. Ülejäänud osa valgusest läheb piisast läbi ja see meie silma ei satu. Peegeldunud valgusest väljub osa piisa meiepoolsest küljest. Ka nüüd toimub valguse murdumine, kuid dispersiooni tõttu väljuvad erineva lainepikkusega valguslained piisast erinevais suundades. Violetne valgus kui kõige lühilainelisem murdub kõige rohkem, punane valgus seevastu kõige vähem (joon 10.4). Seepärast ongi vikerkaare alumine osa violetne ja ülemine punane.
Teist järku vikerkaart näeme siis, kui meieni jõuavad valguskiired, mis on piisas enne väljumist kaks korda peegeldunud. See valgus on aga nõrk ja seetõttu on teine vikerkaar nähtav ainult tugeva saju puhul, kui vihmapiisku on väga palju. Põhimõtteliselt on võimalikud ka kõrgemat järku vikerkaared.
Ülesanded
- Joonistage rohelise ja kollase valguse tee läbi prisma, kui mõlemad valgused langevad prismale ühesuguse nurga all.
- Joonistage oranži ja violetse valguse läbiminek tasaparalleelsest klaasplaadist, kui mõlemad valgused langevad plaadile ühesuguse nurga all.
- Tõmmake valgele paberile must joon ja vaadake seda läbi prisma nii, et joon on paralleelne prisma murdva servaga. Mida võib märgata? Mis juhtub, kui prismat keerata 90°? Seletage nähtut.
- Mustale klassitahvlile on kinnitatud horisontaalne valge paberi riba. Millist värvi paistavad selle riba servad, vaadatuna läbi prisma, kui prisma murdev serv on ka horisontaalne. Seletage nähtust.
- *Vees asetseb õhuga täidetud õhukeste seintega klaasprisma. Joonistage punase ja sinise valguse läbiminek sellest prismast, kui mõlema valguse langemisnurgad on võrdsed. Murdumist prisma klaasseintes mitte arvestada.
?
- Kuidas teha kindlaks, et prisma ise ei „värvi” valgust, s.t ei tööta mingi erilise „vikerkaarevärvilise” filtrina?
- Miks ainult kitsas kiirtekimp tekitab prismast läbiminekul spektri, laial kiirtekimbul aga värvuvad ainult ääred?
- Mis juhtub, kui läbi prisma juhitud valgus lasta veel läbi teise prisma? Kas tulemus oleneb sellest, et teine prisma on esimese suhtes ümber pööratud või mitte?
- *Kas klaaskuubi naabertahke saab kasutada prismana?
- Kas murdumisnäitaja vähenemine lainepikkuse kasvades on seadus või seaduspärasus?
- *Kuidas saada päikesevalguse spektrit, kui on kasutada klaas veega ja taskupeegel?
🌈 Oluline
- Dispersiooniks nimetatakse absoluutse murdumisnäitaja sõltuvust valguse lainepikkusest.
- Valguse spekter näitab, millistest komponentidest valgus koosneb.
- Väiksema lainepikkusega valgus kaldub prismast läbi minnes oma esialgsest suunast rohkem kõrvale kui suurema lainepikkusega valgus.
