光的光谱。科学发现的历史和本质

光的光谱。科学发现的历史和本质

最重要的科学发现

笛卡尔早在 1629 年，他就在棱镜和各种形状的眼镜中发现了光线的轨迹。他甚至发明了玻璃抛光机制。苏格兰教授格雷戈里根据凹面镜理论建造了一个在当时引人注目的望远镜模型。因此，即使在那时，实用光学也已经达到了相当程度的完美，并且是当时科学界最占主导地位的科学之一。

到 1666 年牛顿开始光学研究时，折射理论自笛卡尔时代以来进展甚微。关于彩虹的颜色和物体的颜色有非常混乱的理论和概念：当时几乎所有的科学家都将自己限制在这样或那样的颜色代表“光与暗的混合”或其他颜色的组合。颜色。不言而喻，当通过棱镜或劣质光学玻璃观察物体时，会观察到像彩虹色这样明显的事实，对于光学领域的每个人来说都是众所周知的。但每个人都坚信，各种光线通过棱镜或放大镜时，都以完全相同的方式折射。着色和虹彩边界仅归因于棱镜或玻璃表面的粗糙度。

起初，牛顿努力打磨放大镜和镜子。这些作品经验性地向他介绍了反射和折射的基本定律，他在理论上已经从笛卡尔和詹姆斯格雷戈里的论文中熟悉了这些定律。牛顿开始了一系列实验，后来这位伟大的科学家本人在他的著作中详细描述了这些实验。

“1666年初，也就是我忙着磨非球面光学眼镜的时候，我拿出一个三角玻璃棱镜，决定用它来测试一下著名的色彩现象。为此，我把房间弄暗了，在百叶窗上打了一个小洞，以便让一缕薄薄的阳光透过它。我在光线的入口处放置了一个棱镜，以便它可以折射到对面的墙壁上。由此产生的明亮鲜艳的色彩让我很开心。但过了一会儿，我强迫自己更仔细地观察它们，我对它们的细长形状感到惊讶，根据已知的折射定律，我希望它们是圆形的。侧面，颜色仅限于直线，而在末端，光线的衰减是如此缓慢，以至于很难确定它们的确切形状，甚至似乎是半圆形。

比较这个色谱的长度和宽度，我发现它大约大了五倍。这种不成比例是如此不寻常，以至于它比通常的好奇心更能激起我的好奇心，渴望找出可能是什么原因。玻璃的不同厚度或明暗之间的边界不太可能导致这种光效。我决定首先研究这些情况，尝试让光线穿过不同厚度的玻璃，或者通过不同大小的孔，或者在室外安装一个棱镜，让光线在它出现之前被折射。被坑变窄了。。但我发现这些情况都不是必需的。在所有情况下，颜色的图案都是相同的。

然后我想：会不会是一些玻璃瑕疵或其他不可预见的意外导致颜色膨胀的原因？为了测试这一点，我拿了另一个棱镜，与第一个相似，并将其放置在这样的方式下，使穿过两个棱镜的光可以以相反的方式折射，第二个棱镜将光返回到首先偏转它。因此，我认为，第一个棱镜的普通效果会被另一个棱镜破坏，而不寻常的效果会被多次折射增强。然而，事实证明，被第一个棱镜散射成细长形状的光束被第二个棱镜带回了圆形，就像它根本没有穿过任何东西一样清晰。因此，无论伸长的原因是什么，它都不是由于随机不规则造成的。

接下来，我开始更实际地考虑什么可能会产生来自太阳不同部分的光线入射角的差异。根据经验和计算，对我来说很明显，来自太阳不同部分的光线的入射角差异不会在它们相交后导致发散角明显大于它们之前的发散角收敛，这个角度的值不超过31 32分；因此，必须找到另一个可以解释出现 XNUMX 度 XNUMX 分角的原因。

然后我开始怀疑光线在穿过棱镜后是否是曲线的，以及根据它们的曲线大小，它们是否没有趋向于墙壁的不同部分。当我想起我经常看到一个网球用球拍斜击时，我的怀疑就更加强烈了，它描绘了一条类似的曲线。在这种情况下，球被告知圆周运动和平移运动。两个运动一致的球一侧必须比另一侧以更大的力推动和推动相邻的空气，因此会相应地激发更多的空气阻力和反应。正是由于这个原因，如果光线是球体（笛卡尔的假设），当它们从一种介质倾斜移动到另一种介质时，它们将获得圆周运动，它们将不得不经历来自以太的更大阻力。四面八方从那一侧。，那里的动作是一致的，并且会逐渐向另一侧弯曲。然而，尽管这个假设似乎很合理，但我在检查它时并没有观察到任何光线的曲率。此外（这对我的目的来说已经足够了），我观察到图像的长度和光通过的孔的直径之间的差异与它们之间的距离成正比。

逐渐消除了这些疑虑，我终于来到了十字架实验台，如下：我拿了两块木板，把其中一块放在窗户棱镜的正后方，这样光线就可以从上面开的一个小洞里照进来。这个目的并落在另一块板上，我将其放置在大约 12 英尺的距离处，并且在其上还打了一个孔，以便一些光线可以通过它。然后我在第二块板后面放置了另一个棱镜，这样光线穿过这两块板后，可以穿过棱镜，在撞到墙上之前再次在棱镜中折射。完成后，我拿起手中的第一个棱镜，慢慢地来回转动它，大约绕轴心，使落在第二块板上的图像的不同部分可以依次穿过其中的孔，我可以观察到墙上被抛出射线第二棱镜。我看到，通过改变这些位置，朝向图像那一端的光，在第一棱镜发生最大折射时，在第二棱镜中的折射比射向另一端的光大得多。因此，这幅图像长度的真正原因被发现了，这不能不在于光线由不同折射的光线组成，无论它们出现的差异如何，它们都会按照相应的方式落在墙壁的不同部分。与他们的折射度......“

各种毫无根据的“怀疑”——正如牛顿所说的他的假设——最终导致他产生了进行以下实验的想法。正如在分析开始时他从太阳中分离出一束细细的白色光线一样，现在他想到了分离出一部分折射光线的想法。这是频谱分析的第二步也是最重要的一步。牛顿注意到，根据他的经验，光谱的紫色部分总是在顶部，蓝色在下面，依此类推，一直到底部的红色，因此牛顿试图隔离一种颜色的光线并单独研究它们。牛顿拿了一块有很小孔的木板，把它贴在棱镜面向屏幕的表面上，将它压在棱镜上，上下移动，毫不费力地实现了单色的隔离，例如，只有红色光线穿过木板上的小孔。一束新的、更细的纯红色射线有待进一步研究。红色光线穿过第二个棱镜。牛顿看到它们再次折射，但这一次一切几乎都一样了。牛顿甚至认为这是完全一样的，即他认为一种颜色的光线是完全均匀的。在对黄色、紫色和所有其他光线进行重复实验后，他终于明白了区分其中一种光线与另一种颜色光线的主要特征。通过同一个棱镜，时而只有红色光线，时而只有紫色光线，等等，他最终确信白光由不同折射的光线组成，并且折射的程度与光线的质量密切相关，即他们的颜色。事实证明，红色光线的折射最小，依此类推，直至折射最大的紫色光线。

牛顿将最大发现的结论表述如下：

“1. 正如光线的折射程度不同一样，它们表现出一种特定颜色或另一种特定颜色的倾向也不同。颜色不是自然物体中折射或反射产生的光的质量（如通常认为的那样），但本质是自然和与生俱来的品质，在不同的光线中有所不同......

2.相同的折射度总是对应相同的颜色，相同的颜色总是对应相同的折射度。颜色和折射之间的联系非常精确和清晰：光线要么在这两个方面完全一致，要么在它们之间不成比例地一致。

3. 每种特定光线固有的颜色模式和偏差程度不会因自然物体的折射或反射或我能观察到的任何其他原因而改变。

弗拉基米尔·卡尔采夫（Vladimir Kartsev）在他的书中写道：“牛顿的理论使物理学成为一门精确的科学。它开始越来越接近数学，而离哲学越来越远。它在出版之前就得到了英国皇家学会的认可。”社会，在那里被倾听和讨论。这发生在 8 年 1672 月 XNUMX 日……

... 这是牛顿的第一篇科学文章。这么小的一部作品所获得的不同寻常的共鸣，它对牛顿命运和整个科学命运的巨大影响，迫使我们的同时代人更仔细地审视它给科学研究世界带来的新事物。

这篇文章标志着一门新科学的出现——新时代的科学，一门没有毫无根据的假设的科学，只基于牢固确立的实验事实和与之密切相关的逻辑推理。现在，在 XNUMX 世纪末，很难理解牛顿这篇小文章的耸人听闻和不寻常之处。但是 XNUMX 世纪最深刻的思想很快就从一个小字母中辨别出了“疯狂的想法”，最终导致了既定和习惯性想法的爆炸式增长，而这些想法又直到最近才战胜了亚里士多德的形而上学。

不同折射光线的发现是许多科学发现的起点。牛顿思想的进一步发展导致最近发现了所谓的光谱分析。

作者：萨明 D.K.

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