Несподівані властивості променів світла, заломлених призмою, або де точка початку дисперсії (повідомлення друге)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Комунальне некомерційне підприємство «Міська клінічна лікарня №14, м. проф. Л.Л. Гіршмана» Харківської міської ради

Несподівані властивості променів світла, заломлених призмою, або де точка початку дисперсії (повідомлення друге)

Арнаутов Анатолій Григорович кандидат медичних наук, лікар - офтальмолог вищої категорії, завідуючий відділом мікрохірургії ока

Анотація

Відчуття кольору має велике значення в діагностиці очних хвороб. При дослідженні автором призматичного спектру видимого світла не на екрані, а безпосередньо оком через призму, виявилося, що спектр виглядає аномально (навпаки). Той самий феномен виник при спробі фотографування (фотореєстрації) спектра через призму. Заломлення довгохвильової частини спектру виявилося сильнішим, ніж короткохвильової. Це суперечить (протилежно) теорії дисперсії Ньютона. Виникло багато питань. 1. Як правильно досліджувати спектр - оком через призму, чи очима картинку на екрані? 2. Як вести фотореєстрацію спектра: на екрані чи через призму? 3. Який тоді правильний спектр - спектр на екрані чи спектр, видимий через призму неозброєним оком? Адже вони протилежні. 4. Що називати нормальною дисперсією? 5. Чи правильно виміряні довжини хвиль різних кольорів, що становлять видимий спектр? 6. Чи правильно виміряно показники заломлення променів різного кольору?

Явище дисперсії було описане Ньютоном понад триста років тому. Після цього такі питання навіть не порушувалися. На підставі ньютонівського трактування цього явища з'явилося багато нових напрямків у фізиці: спектроскопія, спектрометрія, спектрографія, астроспектрографія та інші.

У своєму дослідженні автор спробував розібратися в закономірностях цього незвичайного явища, яке принципово суперечить теорії дисперсії Ньютона. Автор продовжив експерименти з вивчення дисперсії світла в трикутній призмі. Виявилось, що променям світла, які заломлені призмою, присутні унікальні властивості, незрозумілі з точки зору сучасної науки. Це відкриття змусило по-новому поглянути на саму схему призматичної дисперсії.

Дослідження автора (лікаря - офтальмолога) в галузі сприйняття кольору підняли багато, на перший погляд, простих теоретичних проблем і змусили переглянути теорію нормальної дисперсії для подальших досліджень відчуття кольору в нормі та патології.

Ключові слова: кольоровідчуття, зорове відчуття, Ньютон, дисперсія, нормальна дисперсія, аномальна дисперсія, призматичний спектр, показник заломлення світла, оптичний процесор.

Abstract

Arnautov Anatoly Grigorievich Candidate of Medical Sciences, doctor - ophthalmologist of the highest category, Head of the Department of Eye Microsurgery, Municipal non-profit enterprise "City Clinical Hospital №14 named after prof. L.L. Hirshman" Kharkiv City Council, Kharkiv

UNEXPECTED PROPERTIES OF LIGHT RAYS REFRACTED BY A PRISM, OR WHERE IS THE STARTING POINT OF DISPERSION (message two)

The sense of color is of great importance in the diagnosis of eye diseases. When the author further investigated the prismatic spectrum of visible light not so much on the screen, but directly with the eye through the prism, it unexpectedly turned out that the visible spectrum looks anomalous (on the contrary). The same phenomenon occurred when trying to photograph (photo-register) the spectrum through a prism. The refraction of the long-wave part of the spectrum turned out to be stronger than the short-wave part. This contradicts Newton's theory of dispersion. Many questions arose. 1. How to properly examine the spectrum - with the eye through a prism or with the eyes of the picture on the screen? 2. How to conduct photo-registration of the spectrum: on the screen or through a prism? 3. What then is the correct spectrum - the spectrum on the screen or the spectrum visible through the prism to the naked eye? After all, they are opposites. 4. What is normal variance? 5. Are the wavelengths of the different colors that make up the visible spectrum correctly measured? 6. Are the refractive indices of rays of different colors correctly measured?

The phenomenon of dispersion was described by Newton more than three hundred years ago. After that, such questions were not even discussed. Based on the Newtonian interpretation of this phenomenon, many new directions in physics appeared: spectroscopy, spectrometry, spectrography, astrospectrography, and others. In his research, the author tried to understand the regularities of this unusual phenomenon, which fundamentally contradicts Newton's theory of dispersion.

The author continued experiments on the dispersion of light in a triangular prism. It turned out that the rays of light, which are refracted by a prism, have unique properties that are incomprehensible from the point of view of modern science. This discovery made us take a fresh look at the scheme of prismatic dispersion itself.

The research of the author (a doctor - ophthalmologist) in the field of color vision raised many, at first glance, simple theoretical problems and forced to revise the theory of normal dispersion for further studies of color perception in normal and pathological conditions.

Keywords: color perception, visual sensation, Newton, variance, normal variance, abnormal variance, prismatic spectrum, light refractive index, optical processor.

Постановка проблеми

З погляду офтальмолога відчуття кольору, його динаміка мають велике значення в ранній діагностиці очних хвороб. У цьому сенсі офтальмологу необхідно мати інструменти для нескладної чутливої діагностики зміщення сприйняття кольору в той чи інший бік видимого спектру.

Під час наших досліджень [1] призматичного ньютонівського спектру ми зіткнулися з незрозумілим природним явищем. При спробі фотореєстрації спектру через призму, або спробі дослідити спектр оком через призму послідовність кольорів райдужного спектру виявилась протилежною тому, що написано у всіх підручниках фізики.

На основі спектру Ньютона у всьому світі одночасно проводяться мільойни наукових та суто практичних досліджень: спектроскопія, спектрографія, спектральний аналіз. Виходить, що вони суперечать теорії нормальної дисперсії Ньютона. Щось одне з трьох речей не вірне: чи довжина хвилі кольорових ліній видимого спектру, чи їх показники заломлення, чи сама теорія дисперсії. Ми зайнялися дослідженням цього питання. Спочатку треба було дослідити де знаходиться точка початку дисперсії в оптичній схемі класичного ньютонівського досліду.

Аналіз останніх досліджень і публікацій

У 1704 році вийшов фундаментальний труд Ньютона «Оптика[2], у якому він детально виклав описи своїх дослідів з розкладання видимого світла в спектр. Схема основного досліду дисперсії була представлена в такому вигляді (рис.1).

розташована перед призмою.

Пучок світла після проходження щілинної діафрагми проходив через трикутну призму. Отриманий спектр вивчався на білому екрані. Точкою початку дисперсії, на думку Ньютона, була передня грань призми. За цією теорією на передній грані призми світло зазнавало заломлення та розкладання в спектр. Всередині призми кольоровий пучок світла, що розклався у вигляді віяла повинен був падати на задню грань призми. На задній грані призми первинний спектр ще раз повинен був заломлюватись і виходити ще більш розширеним віялом.

Гьоте [3] припустив, що всередині призми пучок білого світла спектрально чистий (білий), а спектр виникає на задній грані призми (рис. 2).

Рис. 2. Схема досліду з дисперсії Гьоте.

Йоган Керн [4] своїм дослідом хотів перевірити, чи відбувається розкладання світла всередині призми. Він спорудив водну призму у вигляді трикутного акваріума. В якості екрану використовувалася біла пластикова пластина, яка рухалась всередині водної призми. Виявилося, що всередині водної призми білии пучок світла не розкладається на спектр. Таким чином, Керн експериментально підтвердив припущення Гьоте про те, що спектр не виникає в початковому місці заломлення світла, переходячи з менш щільного в більш щільне середовище. Всередині призми, дисперсії немає. Отже, вона виникає в місці переходу від більш щільного середовища до менш щільного, тобто на задній грані призми. заломлення дисперсія кольороутворення

Але при проходженні світла через прозору плоско-паралельну пластину ніякої дисперсії не відбувається. Інакше, через віконне скло ми б бачили всю вулицю в райдужних смужках. Хоча, виходячи з останнього припущення, світло, виходячи зі скла, мало б розкластися в спектр. Ще один дослід Ньютона пояснює цей кур'йоз (рис. 3).

Рис. 3. Схема досліду Ньютона з зустрічними призмами

Рис. 4. Схема досліду Ньютона з зустрічними призмами

Розташувавши послідовно дві однакові призми зустрічним чином, він отримав на виході повне відновлення білого пучка світла із спектру. Якщо дві однакові зустрічні призми скласти разом протилежними гранями, то в сумі виходить плоскопаралельна пластина (рис.4).

З цього витікає, що для дисперсії недостатньо заломлення у призмі. Вірогідно, що світло повинно пройти оптичні середи з різною оптичною щільністю або з різною довжиною шляху (трикутна призма).

На рисунку 5 показана схема просування пучка світла в трикутній призмі з умовою, щоб він не відчував заломлення на задній грані трикутної призми. Це можливо в разі виходу світла під прямим кутом до задньої грані призми (при нульовому куті падіння і заломлення).

Рис. 5. Схема досліду з дисперсії в разі виходу світла під прямим кутом до задньої грані призми

Досвід показує, що дисперсії в такій схемі немає. Це означає, що для дисперсії необхідно, щоб на тильній грані призми була як різниця в ході променів, так і заломлення.

Гьоте [2] своїми дослідами показав, що дисперсія білого світла взагалі не виникає поки перед призмою не з'явиться якийсь темний предмет. У дослідах Ньютона цим темним предметом була щілинна діафрагма певної ширини, розташована перед призмою. Гьоте припустив, що цим темним предметом можуть бути навіть краї самої призми. Тобто не перед призмою, а вже в площині призми. Виникає питання: якщо діафрагма є обов'язковим атрибутом призматичної дисперсії, то де вона повинна розташовуватися?

Мета статті (постановка завдання). Природа світла ще далеко не вивчена. Для офтальмолога дуже важлива інформація що до кольоровідчуття пацієнта, особливо в динаміці лікування.

Наші дослідження кольороутворення та сприйняття кольорів у нормі та патології [І] натрапили на нові, несподівані закономірності, незрозумілі з точки зору теорії нормальної дисперсії. Виявилося, що спектр, при спостереженні спектра безпосередньо оком через призму, сприймається за правилом аномальної дисперсії, тобто навпаки. Крім того, виявилося, що в межах класичного спектру видимого світла взагалі не дотримується правило нормальної дисперсії. Це змусило засумніватися у величині довжин хвиль кольорів, що становлять спектр. З цього, у свою чергу, постало питання про місце класичного спектру видимого світла на загальній шкалі електромагнітних хвиль. Для отримання відповідей на ці питання ми продовжили дослідження самої оптичної схеми досліду розкладання світла в спектр. В якій точці схеми оптичної дисперсії починається сама дисперсія? Мета статті полягає в тому, щоб розробити універсальну методику дослідження дисперсії і практичні рекомендації для таких досліджень.

Виклад основного матеріалу

Досліди проводилися зі скляною трикутною призмою, вершина якої, стандартно, знаходиться вгорі, а основа - внизу. Іноді, для зручності проведення дослідів, замість класичної трикутної призми використовувалася трикутна призма прямого бачення - призма Амічі. Це зручно при проведенні дослідів та при графічній побудові схем оптичних дослідів (всі елементи схеми розташовуються на прямій оптичній вісі). У наведених нижче схемах дослідів усі елементи розтащовані на одній оптичній вісі. А схематичне уявлення трикутної призми має на увазі, що це призма Амічі. Джерело світла - лампа з конденсором або сонячне світло. Щильова діафрагма, яка складається з двох горизонтальних шторок. Спостереження проводилося на білому екрані.

Рис. 6. Схема класичного досліду Ньютона з дисперсії, коли діафрагма розташована перед призмою.

На рисунку 6 зображена схема класичного досліду дисперсії Ньютона. оптичній вісі послідовно розташовані: джерело світла, діафрагма, трикутна призма, екран. Світло після проходження щілинної діафрагми заломлюється в призмі та розпадається у спектр на екрані.

На рисунку 7 представлена схема дисперсії Гьоте. Схема містить ті ж елементи, але діафрагма начебто відсутня.

Рис. 7. Схема дисперсії Гьоте. Роль діафрагми виконують краї призми. Спектр досліджують на екрані.

Роль діафрагм в цій схемі виконують краї призми. В результаті на екрані - майже той спектр, що і в класичній схемі. Ширини діафрагми виявилося недостатньо для формування «вузького» пучка світла. Тому замість зеленої смуги в центрі спектру - широка біла полоса.

Якщо висоту призми обмежити заслінкою, наприклад, зверху (рис. 8), то «повноцінний» класичний спектр може бути відновлений. У цьому експерименті є два ребри діафрагми: вгорі - заслінка, внизу - край призми. Якщо заслінка сформує певну ширину світлового пучка, замість білої смуги в центрі спектру з'являється зелена.

Рис. 8. Схема досліду з дисперсії, коли діафрагма розташована в площині призми.

З цього ми робимо висновок: щоб виник призматичний спектр, неважливо, де знаходиться діафрагма: перед призмою або в її площині.

На рисунку 9 показано схему нашого наступного модифікованого експерименту з дисперсії. Схема містить ті ж елементи, але діафрагму ми розмістили не перед призмою, а після неї - між призмою і екраном.

результаті на екрані з явився той же спектр, що і в класичній схемі. Тобто заломлені в призмі промені світла, які самі по собі ахроматичні, можуть розкладатися на спектр після проходження діафрагми, розташованої за призмою.

Рис. 9. Схема нашого досліду з дисперсії, коли діафрагма розташована за призмою (між призмою і екраном)

Виходячи з сучасних знань, світло, проходячи через призму, заломлюється під певним кутом. Якщо широкий пучок променів без діафрагми після проходження через призму відкидається на екран, то на екрані можна спостерігати певне райдужне забарвлення протилежних країв заломленого білого пучка світла. Це пояснюється тим, що у цій схемі верхній і нижній краї призми грають роль діафрагми, що обмежує потік світла. При цьому ламається ньютонівська дисперсійна схема, де діафрагма повинна розташовуватися перед призмою. Це означає, що в дисперсійній схемі діафрагма може розташовуватися і в площині призми. У нашому наступному дисперсійному експерименті діафрагма була розташована після призми. При цьому пучок світла, який пройшов через призму, а потім через діафрагму, також розклався на спектр.

Розташування діафрагми в дисперсійній схемі може бути різним: 1 - перед призмою, 2 - в площині призми і 3 - після призми. У всіх цих випадках на екрані з'являється дисперсійний спектр.

Висновки

Розташування діафрагми перед призмою в дисперсійній схемі Ньютона виявилось випадковим.

Не важливо, де в дисперсійній схемі розташована діафрагма.

Промені світла, пропущені через призму без діафрагми (промені, заломлені призмою), мають унікальні властивості. Діафрагма, розміщена на шляху ахроматичних променів, заломлених призмою, викликає дисперсію.

Для отримання спектру видимого світла необхідні три речі одночасно: щоб світло проходило через трикутну призму, відчувало заломлення і було обмежене по ширині в будь-якому місці дисперсійної схеми: перед призмою, в площині призми і навіть за призмою.

Точка початку дисперсії не має конкретної позиції. Вона там, де є в наявності одночасно ці три речі. Практично, дисперсія виникає у двох місцях: на задній поверхні призми і на діафрагмі, якщо вона розташована між призмою і екраном.

Дисперсійна схема Ньютона повинна бути докорінно переглянута.

. Теорія нормальної дисперсії не витримує навіть простої критики.

8. Спектр видимого світла, швидше за все, не містить 7 кольорів веселки. Його вигляд і місце на загальній шкалі електромагнітних хвиль потребують перегляду.

Література

1. Арнаутов А. (2023). Парадоксальне сприйняття неозброєним оком призматичного ньютонівського спектру. Журнал «Перспективи та інновації науки», серія «Медицина», №27 (25).

2. Isaac Newton. (1704). Opticks: or, A Treatise of the Reflexions, Refractions, Inflexions and Colours of Light. London, United Kingdom: Printed for Sam Smith and Benj. Walford.

3. Johann Wolfgang von Goethe. (1810).Theory of Colours. Cambridge, United Kingdom: MIT Press.

4. Иохан Керн. (2010). Разгадка вечнмх тайн природн. Издательство Политехнического университета,

References

1. Arnautov A. (2023). Paradoksal'ne spryynyattya neozbroyenym okom pryzmatychnoho n'yutonivs'koho spektru. [Paradoxical perception of the prismatic newtonian spectrum with the unaid eye]. Zhurnal «Perspektyvy ta innovatsiyi nauky», seriya «Medytsyna» №27 (25) - "Perspectives and Innovations of Science", series «Medicine», №27 (25).

2. Isaac Newton. (1704). Opticks: or, A Treatise of the Reflexions, Refractions, Inflexions and Colours of Light. Printed for Sam Smith and Benj. [London, United Kingdom,Walford].

3. Johann Wolfgang von Goethe. (1810).Theory of Colours. Cambridge, MIT Press [United Kingdom].

4. Yokhan Kern. (2010). Razhadka vechnykh tayn pryrody- [Unraveling the eternal mysteries of nature] Yzdatel'stvo Polytekhnycheskoho unyversyteta - Publishing house Polytechnic University,

Размещено на Allbest.ru