Χρωματικά πειράματα του Νεύτωνα. Πειράματα με πρίσμα Τριγωνικό Νευτώνειο πρίσμα

Δεν ήταν δύσκολο να αποδειχτεί η ανακρίβεια τέτοιων συμπερασμάτων εκτελώντας αντίστοιχα πειράματα με τα ίδια πρίσματα. Ωστόσο, κανείς δεν το είχε κάνει πριν από τον Νεύτωνα.

1.4. Τα πειράματα του Νεύτωνα με πρίσματα. Η θεωρία του Νεύτωνα για την προέλευση των χρωμάτων

Ο μεγάλος Άγγλος επιστήμονας Isaac Newton πραγματοποίησε μια ολόκληρη σειρά οπτικών πειραμάτων με πρίσματα, περιγράφοντάς τα λεπτομερώς στο "Optics", " Νέα θεωρίαφως και χρώματα», καθώς και στις «Διαλέξεις για την Οπτική». Ο Νεύτωνας απέδειξε πειστικά την αναλήθεια της ιδέας ότι τα χρώματα προκύπτουν από ένα μείγμα σκότους και λευκού φωτός. Με βάση τα πειράματά του, μπόρεσε να δηλώσει: «Κανένα χρώμα δεν προκύπτει από το άσπρο και το μαύρο που αναμιγνύονται μαζί, εκτός από τα σκούρα στο ενδιάμεσο. η ποσότητα του φωτός δεν αλλάζει την εμφάνιση του χρώματος.» Ο Νεύτων το έδειξε αυτό λευκό φωςδεν είναι θεμελιώδες, πρέπει να θεωρείται ως σύνθετο (σύμφωνα με τον Newton, "ανομοιογενές", σύμφωνα με τη σύγχρονη ορολογία, "μη μονοχρωματικό"). τα κυριότερα είναι διαφορετικά χρώματα («ομοιόμορφες» ακτίνες ή, διαφορετικά, «μονόχρωμες» ακτίνες). Η εμφάνιση των χρωμάτων σε πειράματα με πρίσματα είναι το αποτέλεσμα της αποσύνθεσης του σύνθετου (λευκού) φωτός στα κύρια συστατικά του (διαφορετικά χρώματα). Αυτή η αποσύνθεση συμβαίνει για το λόγο ότι κάθε χρώμα έχει το δικό του βαθμό διάθλασης. Αυτά είναι τα κύρια συμπεράσματα που εξάγει ο Newton. είναι σε απόλυτη συμφωνία με τις σύγχρονες επιστημονικές ιδέες.

Οι οπτικές μελέτες που εκτελούνται από τον Newton παρουσιάζουν μεγάλο ενδιαφέρον όχι μόνο από την άποψη των αποτελεσμάτων που λαμβάνονται, αλλά και από μεθοδολογική άποψη. Η μέθοδος έρευνας με πρίσματα που ανέπτυξε ο Νεύτωνας (συγκεκριμένα, η μέθοδος των διασταυρούμενων πρισμάτων) επιβίωσε αιώνες και εισήλθε στο οπλοστάσιο της σύγχρονης φυσικής.

Όταν ξεκίνησε την οπτική έρευνα, ο Newton έθεσε στον εαυτό του καθήκον «να μην εξηγήσει τις ιδιότητες του φωτός με υποθέσεις, αλλά να τις παρουσιάσει και να τις αποδείξει με συλλογισμό και πειραματισμό». Όταν δοκίμαζε αυτή ή εκείνη τη θέση, ο επιστήμονας συνήθως κατέληγε και εκτελούσε πολλά διαφορετικά πειράματα. Τόνισε ότι είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθούν διαφορετικοί τρόποι «για να ελέγξουμε το ίδιο, γιατί η αφθονία δεν εμποδίζει αυτόν που δοκιμάζει».

Ας δούμε μερικά από τα πιο ενδιαφέροντα πειράματα του Νεύτωνα με πρίσματα και τα συμπεράσματα στα οποία κατέληξε ο επιστήμονας με βάση τα αποτελέσματα που προέκυψαν. ΜΕΓΑΛΗ ομαδαΤα πειράματα αφιερώθηκαν στον έλεγχο της αντιστοιχίας μεταξύ του χρώματος των ακτίνων και του βαθμού διάθλασής τους (με άλλα λόγια, μεταξύ του χρώματος και της τιμής του δείκτη διάθλασης). Ας επισημάνουμε τρεις τέτοιες εμπειρίες.

Πείραμα 1. Πέρασμα φωτός από διασταυρωμένα πρίσματα. Μπροστά από την οπή Α, η οποία μεταδίδει μια στενή δέσμη ηλιακού φωτός σε ένα σκοτεινό δωμάτιο, τοποθετείται ένα πρίσμα με οριζόντια προσανατολισμένη διαθλαστική νεύρωση (Εικ. 4.3α).

Στην οθόνη εμφανίζεται μια κατακόρυφα επιμήκης χρωματισμένη λωρίδα CF, το κάτω μέρος της οποίας έχει κόκκινο χρώμα και το επάνω μέρος είναι μοβ. Ας χαράξουμε τα περιγράμματα της λωρίδας στην οθόνη με ένα μολύβι. Στη συνέχεια τοποθετούμε ένα άλλο παρόμοιο πρίσμα μεταξύ του πρίσματος και της οθόνης που εξετάζουμε, αλλά η διαθλαστική ακμή του δεύτερου πρίσματος θα πρέπει να είναι προσανατολισμένη κατακόρυφα, δηλαδή κάθετα στη διαθλαστική ακμή του πρώτου πρίσματος. Η δέσμη φωτός που αναδύεται από την οπή Α διέρχεται διαδοχικά από δύο σταυρωτά πρίσματα. Στην οθόνη εμφανίζεται μια λωρίδα του φάσματος KF, μετατοπισμένη σε σχέση με το περίγραμμα KF κατά μήκος του άξονα Χ. εμφανίζεται με κλίση προς την κατακόρυφο. Ο Νεύτωνας καταλήγει στο συμπέρασμα: εάν το πείραμα με ένα μόνο πρίσμα μας επιτρέπει να υποστηρίξουμε ότι οι ακτίνες με διαφορετικούς βαθμούς διάθλασης αντιστοιχούν σε διαφορετικά χρώματα, τότε το πείραμα με σταυρωμένα πρίσματα αποδεικνύει επίσης την αντίθετη θέση - ακτίνες διαφορετικών χρωμάτων έχουν διαφορετικούς βαθμούς διάθλασης . Πράγματι, η ακτίνα που διαθλάται περισσότερο στο πρώτο πρίσμα είναι μια ιώδης ακτίνα. Στη συνέχεια, περνώντας από το δεύτερο πρίσμα, αυτή η ιώδης ακτίνα βιώνει τη μεγαλύτερη διάθλαση. Συζητώντας τα αποτελέσματα του πειράματος με διασταυρωμένα πρίσματα, ο Newton σημείωσε: «Από αυτό το πείραμα προκύπτει επίσης ότι οι διαθλάσεις μεμονωμένων ακτίνων προχωρούν σύμφωνα με τους ίδιους νόμους, είτε αναμειγνύονται με ακτίνες άλλων ειδών, όπως στο λευκό φως, είτε διαθλάται χωριστά ή με προκαταρκτική μετατροπή του φωτός σε χρώματα».

Στο Σχ. Το σχήμα 4.4 παρουσιάζει μια άλλη εκδοχή του πειράματος με σταυρωτά πρίσματα: δύο όμοιες δέσμες φωτός περνούν μέσα από τα πρίσματα. Και οι δύο δέσμες σχηματίζουν πανομοιότυπες λωρίδες φάσματος στην οθόνη, παρά το γεγονός ότι στο πρώτο πρίσμα ακτίνες του ίδιου χρώματος (αλλά από διαφορετικές δέσμες) ταξιδεύουν μονοπάτια διαφορετικού μήκους.

Αυτό αντέκρουσε την προαναφερθείσα υπόθεση ότι το χρώμα εξαρτάται από το μήκος της διαδρομής της δέσμης μέσα στο πρίσμα.

Πείραμα 3. Πέρασμα φωτός από ένα σύστημα που αποτελείται από δύο πρίσματα και έναν ανακλαστικό καθρέφτη.

Μια δέσμη ηλιακών ακτίνων, αφήνοντας την τρύπα Α, περνά από το πρίσμα 1 και στη συνέχεια χτυπά στον καθρέφτη 2. Προσανατολίζουμε τον καθρέφτη με τέτοιο τρόπο ώστε να στείλουμε στο πρίσμα 3 μόνο εκείνο το μέρος των ακτίνων που διαθλώνται στη μεγαλύτερη έκταση. Έχοντας διαθλαστεί στο πρίσμα 3, αυτές οι ακτίνες πέφτουν στην οθόνη στην περιοχή του σημείου Β. Στη συνέχεια μετακινούμε τον καθρέφτη 2, τοποθετώντας τον τώρα έτσι ώστε να στέλνει στο πρίσμα 3 εκείνες τις ακτίνες που διαθλώνται στον ελάχιστο βαθμό (βλ. γραμμή εικόνα). Έχοντας βιώσει διάθλαση στο πρίσμα 3, αυτές οι ακτίνες θα χτυπήσουν την οθόνη στην περιοχή του σημείου C. Φαίνεται ξεκάθαρα ότι εκείνες οι ακτίνες που διαθλώνται στο μεγαλύτερο βαθμό στο πρώτο πρίσμα θα διαθλαστούν πιο έντονα στο δεύτερο πρίσμα.

Όλα αυτά τα πειράματα επέτρεψαν στον Νεύτωνα να βγάλει ένα σίγουρο συμπέρασμα: «Τα πειράματα αποδεικνύουν ότι οι ακτίνες, που διαθλώνται διαφορετικά, έχουν διαφορετικά χρώματα. Το αντίστροφο είναι επίσης αποδεδειγμένο, ότι οι ακτίνες που έχουν διαφορετικό χρώμα είναι ακτίνες που διαθλώνται διαφορετικά».

Στη συνέχεια, ο Νεύτων ρώτησε: «Είναι δυνατόν να αλλάξουμε το χρώμα των ακτίνων οποιουδήποτε είδους ξεχωριστά με διάθλαση;» Αφού ολοκλήρωσε μια σειρά από προσεκτικά μελετημένα πειράματα, ο επιστήμονας έρχεται σε μια αρνητική απάντηση στο ερώτημα που τέθηκε. Ας εξετάσουμε ένα από αυτά τα πειράματα.

Πείραμα 4. Πέρασμα φωτός από πρίσματα και οθόνες με σχισμές

Μια δέσμη ηλιακών ακτίνων αποσυντίθεται σε χρώματα από το πρίσμα 1. Μερικές από τις ακτίνες ενός συγκεκριμένου χρώματος περνούν από την οπή Β στην οθόνη που βρίσκεται πίσω από το πρίσμα. Στη συνέχεια, αυτές οι ακτίνες περνούν από την οπή C στη δεύτερη οθόνη, μετά την οποία πέφτουν στο πρίσμα 2. Περιστρέφοντας το πρίσμα 1, χρησιμοποιώντας οθόνες με οπές, είναι δυνατό να απομονωθούν ακτίνες του ενός ή του άλλου χρώματος από το φάσμα και να μελετηθεί η διάθλασή τους στο πρίσμα 2. Η πείρα έχει δείξει ότι η διάθλαση στο πρίσμα 2 δεν οδηγεί σε αλλαγή του χρώματος των ακτίνων.

Πίσω στη δεκαετία του '60. XVII αιώνα Ο Νεύτων άρχισε να ενδιαφέρεται για την οπτική και έκανε μια ανακάλυψη που, όπως φαινόταν στην αρχή, μιλούσε υπέρ της σωματιδιακής θεωρίας του φωτός. Αυτή η ανακάλυψη ήταν το φαινόμενο της διασποράς του φωτός και των απλών χρωμάτων.

Η αποσύνθεση του λευκού φωτός από ένα πρίσμα σε ένα φάσμα είναι γνωστή εδώ και πολύ καιρό. Ωστόσο, κανείς δεν μπόρεσε να καταλάβει αυτό το φαινόμενο πριν από τον Νεύτωνα. Οι επιστήμονες που ασχολούνται με την οπτική ενδιαφέρθηκαν για το ζήτημα της φύσης του χρώματος. Η πιο κοινή πεποίθηση ήταν ότι το λευκό φως είναι απλό. Οι έγχρωμες ακτίνες λαμβάνονται ως αποτέλεσμα ορισμένων αλλαγών σε αυτό. Υπήρχαν διάφορες θεωρίες για αυτό το θέμα.

Μελετώντας το φαινόμενο της αποσύνθεσης του λευκού φωτός σε φάσμα, ο Νεύτων κατέληξε στο συμπέρασμα ότι το λευκό φως είναι σύνθετο φως. Είναι το άθροισμα απλών έγχρωμων ακτίνων.

Ο Newton εργάστηκε με μια απλή εγκατάσταση. Μια μικρή τρύπα είχε γίνει στο παντζούρι του παραθύρου του σκοτεινού δωματίου. Μια στενή δοκός πέρασε από αυτή την τρύπα ηλιακό φως. Ένα πρίσμα τοποθετήθηκε στη διαδρομή της δέσμης φωτός και ένα πλέγμα τοποθετήθηκε πίσω από το πρίσμα. Ο Νεύτων παρατήρησε το φάσμα στην οθόνη, δηλ. μια επιμήκη εικόνα μιας στρογγυλής τρύπας, σαν να αποτελείται από πολλούς έγχρωμους κύκλους. Σε αυτή την περίπτωση, οι ιώδεις ακτίνες είχαν τη μεγαλύτερη απόκλιση - το ένα άκρο του φάσματος - και τη μικρότερη απόκλιση - το κόκκινο - το άλλο άκρο του φάσματος.

Αλλά αυτό το πείραμα δεν ήταν ακόμη οριστική απόδειξη της πολυπλοκότητας του λευκού φωτός και της ύπαρξης απλών ακτίνων. Ήταν πολύ γνωστό και από αυτό θα μπορούσε να συναχθεί το συμπέρασμα ότι, όταν περνάει ένα πρίσμα, το λευκό φως δεν αποσυντίθεται σε απλές ακτίνες, αλλά αλλάζει, όπως πολλοί νόμιζαν πριν από τον Νεύτωνα.

Για να επιβεβαιώσει το συμπέρασμα ότι το λευκό φως αποτελείται από απλές έγχρωμες ακτίνες και αποσυντίθεται σε αυτές όταν διέρχεται από ένα πρίσμα, ο Νεύτων διεξήγαγε ένα άλλο πείραμα. Μια μικρή τρύπα έγινε επίσης στην οθόνη στην οποία παρατηρήθηκε το φάσμα. Δεν ήταν πια λευκό φως που περνούσε από την τρύπα, αλλά φως που είχε ένα συγκεκριμένο χρώμα, λέγοντας σύγχρονη γλώσσα, μονοχρωματική δέσμη φωτός. Στο μονοπάτι αυτής της δέσμης, ο Νεύτων τοποθέτησε ένα νέο πρίσμα, και πίσω από αυτό μια νέα οθόνη. Τι θα φαίνεται σε αυτή την οθόνη; Θα χωρίσει μια μονόχρωμη δέσμη φωτός σε ένα νέο φάσμα ή όχι; Η εμπειρία έχει δείξει ότι αυτή η δέσμη φωτός εκτρέπεται από το πρίσμα ως ένα σύνολο, υπό μια ορισμένη γωνία. Σε αυτή την περίπτωση, το φως δεν αλλάζει το χρώμα του. Περιστρέφοντας το πρώτο πρίσμα, ο Νεύτων πέρασε έγχρωμες ακτίνες από διαφορετικά μέρη του φάσματος μέσα από το άνοιγμα της οθόνης. Σε όλες τις περιπτώσεις, δεν αποσυντέθηκαν από το δεύτερο πρίσμα, αλλά εκτρέπονταν μόνο από μια συγκεκριμένη γωνία, διαφορετική για ακτίνες διαφορετικών χρωμάτων.

Μετά από αυτό, ο Νεύτων κατέληξε στο συμπέρασμα ότι το λευκό φως αποσυντίθεται σε έγχρωμες ακτίνες, οι οποίες είναι απλές και δεν μπορούν να αποσυντεθούν από ένα πρίσμα. Για κάθε χρώμα, ο δείκτης διάθλασης έχει τη δική του συγκεκριμένη τιμή. Το χρώμα αυτών των ακτίνων και η ευθραυστότητά τους δεν μπορούν να αλλάξουν «ούτε με διάθλαση, ούτε με ανάκλαση από φυσικά σώματα, ή από οποιαδήποτε άλλη αιτία», έγραψε ο Νεύτων. Αυτή η ανακάλυψη έκανε μεγάλη εντύπωση. Τον 18ο αιώνα Ο Γάλλος ποιητής Duward έγραψε: «Μα τι είναι αυτό; Η λεπτή ουσία αυτών των ακτίνων δεν μπορεί να αλλάξει από τη φύση της! Καμία τέχνη δεν μπορεί να το καταστρέψει και η κόκκινη ή μπλε ακτίνα έχει το δικό της χρώμα, νικώντας κάθε προσπάθεια»..

Βασικά φασματική ανάλυσημπορεί να χαρακτηριστεί ως εξής:

«Το φως οποιασδήποτε πηγής μπορεί να αποσυντεθεί σε μια σειρά από στοιχεία, τα οποία δημιουργούν μεμονωμένα την εντύπωση των χρωμάτων. Αυτά τα στοιχεία δεν μπορούν να διακριθούν απότομα, μεταμορφώνονται σταδιακά το ένα στο άλλο. Με τον απλούστερο τρόπο, το φως μπορεί να αποσυντεθεί χρησιμοποιώντας ένα γυάλινο πρίσμα. Με αυτή τη μέθοδο ο Νεύτων πραγματοποίησε μια σειρά πειραμάτων που τον οδήγησαν στα θεμέλια της φυσικής οπτικής και του επέτρεψαν να κάνει ένα από τα μεγαλύτερες καταθέσειςστην επιστήμη. Μια ακτίνα ηλιακού φωτός μπαίνει σε ένα σκοτεινό δωμάτιο από μια τρύπα σε ένα παντζούρι και πέφτει σε ένα γυάλινο πρίσμα. Το φως που αναδύεται από το πρίσμα σχηματίζει μια έγχρωμη ζώνη που ονομάζεται φάσμα. Το κόκκινο άκρο του φάσματος σχηματίζεται από τις ακτίνες που εκτρέπονται λιγότερο όταν διέρχονται από ένα πρίσμα, το ιώδες άκρο είναι το πιο εκτρέπεται. Τα υπόλοιπα χρώματα βρίσκονται μεταξύ των καθορισμένων ορίων χωρίς κανένα αιχμηρά όριαΕνότητα..."

Αυτές οι μελέτες οδήγησαν τον επιστήμονα στην εφεύρεση του πρώτου ανακλαστικού τηλεσκοπίου (1688). Ο Νεύτων μελέτησε επίσης την παρεμβολή του φωτός. Παρά το γεγονός ότι τα πειράματά του επιβεβαίωσαν την κυματική θεωρία του φωτός, αντιτάχθηκε σθεναρά και υπερασπίστηκε την υπόθεση σύμφωνα με την οποία η πηγή εκτοξεύει τα μικρότερα υλικά σωματίδια - σωματίδια. Αυτή η θεωρία διαψεύστηκε εντελώς για αρκετό καιρό, αλλά τώρα αναβιώνει ξανά σε τροποποιημένη μορφή.

Αυτό που μας πείθει περαιτέρω για τη δύναμη της επιστήμης είναι το πώς ζυγίστηκε... Γη. Φαίνεται ότι αυτό είναι αδύνατο. Ωστόσο, οι επιστήμονες έχουν βρει μια τέτοια πιθανότητα. Χρησιμοποιήθηκε νόμος καθολική βαρύτητα, ανακαλύφθηκε από τον Ισαάκ Νεύτωνα.

Ας θυμηθούμε ξανά: όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα ενός σώματος, τόσο περισσότερη δύναμη έλκει άλλα σώματα προς τον εαυτό του. Ο Κάβεντις προσδιόρισε τη δύναμη με την οποία η τεράστια μολύβδινη σφαίρα προσέλκυσε τις μικρές μπάλες προς τον εαυτό της και στη συνέχεια συνέκρινε αυτή τη δύναμη με μια άλλη δύναμη - την έλξη των μικρών σφαιρών από τη Γη, δηλαδή το βάρος τους. Πόσες φορές αυτή η δεύτερη δύναμη είναι μεγαλύτερη από την πρώτη, όσες φορές η μάζα της Γης είναι μεγαλύτερη από τη μάζα μιας μεγάλης μολύβδου μπάλας. Έτσι ζυγίστηκε η Γη! Η μάζα του αποδείχθηκε ότι ήταν περίπου 6.000.000.000.000.000.000.000 τόνοι. Γνωρίζοντας το βάρος και τον όγκο της Γης, οι επιστήμονες υπολόγισαν εύκολα τη μέση πυκνότητά της: ισούται με 5,5 g/cm3, με άλλα λόγια, η ουσία που συνθέτει την υδρόγειο είναι 5,5 φορές βαρύτερη από το νερό.

Περνώντας το ηλιακό φως μέσα από ένα γυάλινο πρίσμα, ο Νεύτων ανακάλυψε ότι το ηλιακό φως είχε μια πολύπλοκη σύνθεση. Αποτελείται από ακτινοβολία διαφορετικής ευθραυστότητας και διαφορετικών χρωμάτων. Ο βαθμός διάθλασης και το χρώμα της ακτινοβολίας σχετίζονται ένα προς ένα. Ο Νεύτων έγραψε: «Οι λιγότερο εύθραυστες ακτίνες είναι ικανές να παράγουν μόνο κόκκινο χρώμα και, αντίθετα, όλες οι ακτίνες που φαίνονται κόκκινες έχουν τη λιγότερη ευθραυστότητα». Το διάγραμμα ενός από τα πειράματα απεικονίζεται σε μια αρχαία γκραβούρα.

Απομονώνοντας την ακτινοβολία ενός συγκεκριμένου χρώματος από το φάσμα και περνώντας την από ένα πρίσμα για δεύτερη φορά, ο Νεύτωνας διαπίστωσε ότι δεν χωρίζονταν πλέον σε ένα φάσμα, αφού ήταν απλός, ή ομοιογενήςκατά σύνθεση.

Ο Νεύτωνας υπέβαλε ομοιογενή ακτινοβολία σε κάθε είδους μετασχηματισμούς: διάθλαση, εστίαση, ανάκλαση από διαφορετικές χρωματισμένες επιφάνειες. Έδειξε ότι μια δεδομένη ομοιογενής ακτινοβολία δεν μπορεί να αλλάξει το αρχικό της χρώμα, ανεξάρτητα από τους μετασχηματισμούς που υφίσταται. Όλη η ποικιλία των χρωμάτων αποτελείται από τα χρώματα των ομοιογενών ακτινοβολιών του ηλιακού φάσματος και τα χρώματα των μειγμάτων τους. Εκτός από αυτά, δεν υπάρχουν νέα χρώματα που λαμβάνονται από τυχόν μετασχηματισμούς του φωτός, επειδή οποιοσδήποτε μετασχηματισμός είναι μόνο διαφορετικοί μετασχηματισμοί των ίδιων ακτινοβολιών. "...Αν το φως του ήλιου αποτελούνταν μόνο από έναν τύπο ακτίνων, τότε θα υπήρχε μόνο ένα χρώμα σε ολόκληρο τον κόσμο..."- υποστήριξε ο Νιούτον.

Στον Νεύτωνα βρίσκουμε πρώτα τη διαίρεση της επιστήμης του χρώματος σε δύο μέρη: σκοπός- σωματική και υποκειμενικόςσχετίζεται με την αισθητηριακή αντίληψη. Ο Νεύτωνας γράφει: "...οι ακτίνες, για την ακρίβεια, δεν είναι έγχρωμες. Δεν υπάρχει τίποτα άλλο σε αυτές εκτός από μια ορισμένη δύναμη ή προδιάθεση να διεγείρουν το ένα ή το άλλο χρώμα." Ο Νεύτωνας κάνει περαιτέρω μια αναλογία μεταξύ ήχου και χρώματος. «Όπως οι δονήσεις του αέρα που ενεργούν στο αυτί παράγουν την αίσθηση του ήχου, έτσι και η δράση του φωτός στο μάτι παράγει την αίσθηση του χρώματος».

Ο Νεύτωνας έδωσε τη σωστή εξήγηση για τα χρώματα των φυσικών σωμάτων και τις επιφάνειες των αντικειμένων. Η εξήγησή του μπορεί να δοθεί κατά λέξη. «Αυτά τα χρώματα προέρχονται από το γεγονός ότι ορισμένα φυσικά σώματα αντανακλούν ορισμένους τύπους ακτίνων, άλλα σώματα αντανακλούν πιο άφθονα τις ακτίνες που διαθλώνται περισσότερο από άλλα, δημιουργώντας ένα κόκκινο χρώμα, και ως εκ τούτου φαίνεται ότι οι βιολετί αντανακλούν πιο άφθονα Οι πιο διαθλασμένες ακτίνες, λόγω των οποίων έχουν αυτό το χρώμα, το ίδιο και τα άλλα σώματα αντανακλά τις ακτίνες του δικού του χρώματος πιο άφθονα από άλλα, και χάρη στην περίσσεια και την κυριαρχία τους στο ανακλώμενο φως. ”

Ο Νεύτων έκανε τα πρώτα πειράματα οπτική ανάμειξη χρωμάτων, καθώς και από ταξινόμηση και ποσοτική έκφρασή τους.

Ο Νεύτων έγραψε: «Με την ανάμειξη χρωμάτων, μπορούν να ληφθούν χρώματα που είναι παρόμοια με τα χρώματα του ομοιογενούς φωτός στην εμφάνιση, αλλά όχι σε σχέση με την αναλλοίωτη των χρωμάτων και τη δομή του φωτός». Εδώ υποδεικνύεται σαφώς ότι η ακτινοβολία με διαφορετική φασματική σύνθεση μπορεί να εκληφθεί ως πανομοιότυπη στο χρώμα. Στη σύγχρονη επιστήμη των χρωμάτων, αυτό το φαινόμενο ονομάζεται ανεξαρτησία του χρώματος από τη φασματική σύνθεση της ακτινοβολίας. Δίνει τη βάση για τον προσδιορισμό του χρώματος ενός μείγματος ακτινοβολιών από τα χρώματα των μικτών ακτινοβολιών, χωρίς να λαμβάνεται υπόψη η φασματική τους σύνθεση.

Θα επιστρέψουμε σε αυτό το θέμα αργότερα και θα δούμε ότι το φαινόμενο της ανεξαρτησίας του χρώματος εξηγείται από τη δομή του ματιού. Αλλά αυτό δεν ήταν γνωστό στην εποχή του Νεύτωνα. Ανακάλυψε αυτό το φαινόμενο πειραματικά και το χρησιμοποίησε αργότερα για να βρει τα χρώματα ενός μείγματος ακτινοβολιών με βάση τα χρώματα των μικτών ακτινοβολιών.

Ο Νεύτωνας πίστευε ότι υπήρχαν επτά βασικά χρώματα, με την ανάμειξη των οποίων μπορούσε κανείς να αποκτήσει όλα τα χρώματα που υπάρχουν στη φύση. Αυτά είναι τα χρώματα κόκκινο, πορτοκαλί, κίτρινο, πράσινο, μπλε, λουλακί και βιολετί του φάσματος του ηλιακού φωτός. Η διαίρεση του φάσματος σε επτά χρώματα είναι σε κάποιο βαθμό αυθαίρετη. Σ'αυτή την περίπτωση Βίλχελμ Όσβαλντ(1853-1932, Γερμανός φυσικοχημικός, οργάνωσε ένα ειδικό ινστιτούτο στη Γερμανία για τη μελέτη των προβλημάτων χρώματος) σημειώνει ότι τα πράσινα κρύα θαλασσινά και τα σκούρα φυλλώδη πράσινα διαφέρουν στην οπτική αντίληψη με τον ίδιο τρόπο όπως τα κόκκινα και βιολετί χρώματα. Αλλά σύμφωνα με τον Newton, όλα τα πράσινα χρώματα αντιπροσωπεύονται από ένα μόνο χρώμα. Επιπλέον, ο Newton πίστευε λανθασμένα ότι όλα τα χρώματα μπορούσαν να ληφθούν με την ανάμειξη των επτά βασικών χρωμάτων. Τώρα ξέρουμε ότι τρία βασικά χρώματα είναι αρκετά για αυτό. Ωστόσο, ακόμη και τώρα στα ρωσικά, όπως και σε πολλά άλλα, για να προσδιορίσουν αυτά τα επτά χρώματα που χρησιμοποιούν απλές λέξεις. Άλλα χρώματα είτε ονομάζουμε περίπλοκες λέξεις, που προέρχονται από αυτά τα επτά, για παράδειγμα, μπλε-πράσινο, ή χρησιμοποιούμε για αυτό όχι τα πραγματικά ονόματα των χρωμάτων, αλλά τα ονόματα των αντικειμένων (σωμάτων), για παράδειγμα, τούβλο, τυρκουάζ, σμαραγδί κ.λπ.

Ο Νεύτωνας εισήγαγε για πρώτη φορά ένα έγχρωμο γράφημα, που ονομάζεται χρωματικός τροχός του Νεύτωνα. Το χρησιμοποίησε για να συστηματοποιήσει την ποικιλία των χρωμάτων και να καθορίσει το χρώμα του μείγματός τους με βάση τα χρώματα που ανακάτευαν. Ο Νεύτωνας στήριξε τη γραφική προσθήκη των χρωμάτων στον κανόνα της εύρεσης του κέντρου βάρους. Αυτός ο κανόνας εξακολουθεί να χρησιμοποιείται ευρέως σήμερα για υπολογισμούς χρωμάτων σε χρωματικούς πίνακες και για ποσοτικά χαρακτηριστικάχρωματιστά.

Με βάση το έγχρωμο γράφημα και τη γραφική προσθήκη χρωμάτων, το λογικό συμπέρασμα υποδηλώνει ότι οποιοδήποτε χρώμα μπορεί να ληφθεί με την ανάμειξη μόνο τριών χρωμάτων. Ωστόσο, χρειάστηκαν περισσότερα από εκατό χρόνια μετά το θάνατο του Νεύτωνα για να καθιερωθεί τελικά αυτός ο θεμελιώδης νόμος της επιστήμης των χρωμάτων και να βρεθεί η εξήγησή του στην υπόθεση της τρίχρωμης φύσης της όρασης.

Igor Sokalsky,
Υποψήφιος Φυσικομαθηματικών Επιστημών
«Χημεία και Ζωή» Νο. 12, 2006

Στα πέντε προηγούμενα άρθρα της σειράς «Σύμπαν: Ύλη, Χρόνος, Χώρος», χρησιμοποιώντας την αναλογία του θεάτρου, μιλήσαμε για το πώς λειτουργεί ο κόσμος μας. Ο χρόνος και ο χώρος αποτελούν τη σκηνή στην οποία το πιο περίπλοκο και περίπλοκο ιστορίεςμείζονα και ελάσσονα χαρακτήρες, καθώς και αόρατοι ηθοποιοί. Μένει να μιλήσουμε για εσάς και για μένα - για το κοινό. Δεν τα καταφέραμε εγκαίρως για την έναρξη της παράστασης, η οποία ξεκίνησε πριν από 14 δισεκατομμύρια χρόνια, και εμφανίστηκε στο αμφιθέατρο πολύ πρόσφατα σε κοσμικές χρονικές κλίμακες - έχουν περάσει μόνο μερικές χιλιάδες χρόνια. Καταφέραμε όμως να καταλάβουμε πολλά για τη θεατρική δράση, αν και πολλά ακόμη μένουν να ανακαλύψουμε. Δεν αφιερώνουν όλοι οι εκπρόσωποι της ανθρώπινης φυλής τη ζωή τους στη γνώση των νόμων της φύσης. Μόνο ένα μικρό μέρος, επιστήμονες. Πώς το κάνουν αυτό είναι τα δύο τελευταία άρθρα της σειράς. Αρχικά, ας μιλήσουμε για τα πιο όμορφα πειράματα φυσικής του παρελθόντος.
(Συνέχεια. Για αρχή, βλ. Νο. 7, Νο. 9-, 2006)

Φτύσε στα μάτια όποιον πει ότι μπορείς να αγκαλιάσεις την απεραντοσύνη.
Κόζμα Προύτκοφ

Η Γη είναι μια σφαίρα με ακτίνα περίπου 6400 km. Ο πυρήνας ενός ατόμου ηλίου αποτελείται από δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια. Η δύναμη της βαρυτικής έλξης μεταξύ δύο σωμάτων είναι ευθέως ανάλογη με το γινόμενο των μαζών τους και αντιστρόφως ανάλογη με το τετράγωνο της απόστασης μεταξύ τους. Υπάρχουν περίπου 100 δισεκατομμύρια αστέρια στον Γαλαξία μας. Η θερμοκρασία της επιφάνειας του Ήλιου είναι περίπου 6 χιλιάδες βαθμοί. Αυτά τα απλά φυσικά γεγονότα αθροίζονται με δεκάδες χιλιάδες άλλα, πολύ διαφορετικά - εξίσου εύκολα κατανοητά, ή όχι πολύ απλά ή εντελώς περίπλοκα - που σχηματίζονται φυσική εικόναειρήνη.

Ένα άτομο που αρχίζει να εξοικειώνεται με τη φυσική έχει αναπόφευκτα τουλάχιστον δύο σοβαρές ερωτήσεις.

Χρειάζεται να θυμάστε τα πάντα για να καταλάβετε;

Ερώτηση πρώτη: είναι πραγματικά απαραίτητο να μάθουμε και να θυμόμαστε όλα τα φυσικά δεδομένα που έχουν συσσωρευτεί μέχρι τώρα για να κατανοήσουμε τη δομή του Σύμπαντος και τους νόμους με τους οποίους υπάρχει;! Φυσικά και όχι. Αυτό είναι αδύνατο. Υπάρχουν πάρα πολλά γεγονότα. Αμέτρητα περισσότερα από όσα θα μπορούσαν να χωρέσουν όχι μόνο ανθρώπινος εγκέφαλος, αλλά ακόμα και στον μαγνητικό δίσκο του πιο σύγχρονου υπερυπολογιστή. Μόνο ο όγκος των πληροφοριών σχετικά με το μέγεθος, τη θερμοκρασία, τη φασματική τάξη και τη θέση όλων των αστεριών στον Γαλαξία μας είναι 2-3 terabyte. Αν προσθέσουμε εδώ και άλλα χαρακτηριστικά των αστεριών, τότε αυτός ο όγκος θα αυξηθεί κατά αρκετές δεκάδες ή και εκατοντάδες φορές. Ο όγκος των δεδομένων θα αυξηθεί εκατομμύρια φορές περισσότερο αν λάβουμε υπόψη τα αστέρια σε άλλους γαλαξίες. Και επίσης πληροφορίες για πλανήτες, νεφελώματα αερίου-σκόνης. Και επίσης πληροφορίες για τα στοιχειώδη σωματίδια, τις ιδιότητες και την κατανομή τους σε όλο τον όγκο του Σύμπαντος. Και επίσης... Και επίσης... Και επίσης...

Είναι απολύτως αδύνατο να θυμηθείς ή ακόμα και απλά να γράψεις έναν τέτοιο αριθμό αριθμών κάπου. Ευτυχώς, αυτό δεν είναι απαραίτητο. Αυτή είναι η ανέκφραστα αρμονική ομορφιά του κόσμου μας, από την οποία προκύπτει η απέραντη ποικιλία των γεγονότων μικρή ποσότηταβασικές αρχές. Με την κατανόηση αυτών των αρχών, μπορεί κανείς όχι μόνο να κατανοήσει, αλλά και να προβλέψει μια τεράστια ποικιλία φυσικών γεγονότων. Για παράδειγμα, το σύστημα ηλεκτροδυναμικών εξισώσεων που προτάθηκε πριν από 150 χρόνια από τον James Maxwell περιλαμβάνει μόνο τέσσερις εξισώσεις, που καταλαμβάνουν το πολύ το 1/10 μιας σελίδας σχολικού βιβλίου. Αλλά από αυτές τις εξισώσεις είναι δυνατό να συναχθεί ολόκληρο το φαινομενικά τεράστιο σύνολο φαινομένων που σχετίζονται με τον ηλεκτρομαγνητισμό.

Βασικα, σύγχρονη φυσικήΟ στόχος ακριβώς είναι να οικοδομηθεί μια ενοποιημένη θεωρία που θα περιλαμβάνει μόνο μερικές εξισώσεις (ιδανικά μία) που περιγράφουν όλα τα γνωστά και προβλέπουν σωστά νέα φυσικά γεγονότα.

Πως ξέρουμε;

Ερώτηση δεύτερη: πώς ξέρουμε και γιατί είμαστε σίγουροι ότι όλα αυτά είναι πραγματικά έτσι; Ότι η Γη έχει σφαιρικό σχήμα. Ότι υπάρχουν δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια στον πυρήνα του ηλίου. Ότι η δύναμη έλξης μεταξύ δύο σωμάτων είναι ευθέως ανάλογη με τις μάζες τους και αντιστρόφως ανάλογη με το τετράγωνο των αποστάσεων. Τι περιγράφουν σωστά οι εξισώσεις του Maxwell ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα. Αυτό το γνωρίζουμε από φυσικά πειράματα. Μια φορά κι έναν καιρό, πριν από πολύ καιρό, οι άνθρωποι σταδιακά πέρασαν από την απλή ενατένιση των φυσικών φαινομένων στη μελέτη τους με τη βοήθεια συνειδητά στημένων πειραμάτων, τα αποτελέσματα των οποίων εκφράζονται σε αριθμούς. Γύρω στον 16ο-17ο αιώνα, διαμορφώθηκε η αρχή της φυσικής γνώσης της φύσης, η οποία εξακολουθεί να λειτουργεί με την επιστήμη και η οποία μπορεί να απεικονιστεί σχηματικά ως εξής:

Φαινόμενο → Υπόθεση → Πρόβλεψη → Πείραμα → Θεωρία.

Για να εξηγήσουν οποιοδήποτε φυσικό φαινόμενο, οι φυσικοί διατυπώνουν μια υπόθεση που θα μπορούσε να εξηγήσει αυτό το φαινόμενο. Με βάση την υπόθεση, γίνεται μια πρόβλεψη, η οποία, γενικά, είναι ένας ορισμένος αριθμός. Το τελευταίο επαληθεύεται πειραματικά κάνοντας μετρήσεις. Εάν ο αριθμός που λήφθηκε ως αποτέλεσμα του πειράματος συμφωνεί με τον προβλεπόμενο, η υπόθεση λαμβάνει την κατάταξη μιας φυσικής θεωρίας. Διαφορετικά, όλα επιστρέφουν στο δεύτερο στάδιο: διατυπώνεται μια νέα υπόθεση, μια νέα πρόβλεψη και ένα νέο πείραμα.

Το πείραμα είναι το κλειδί για την κατανόηση του σύμπαντος

Παρά τη φαινομενική απλότητα του σχεδίου, η διαδικασία, που περιγράφεται με πέντε λέξεις και τέσσερα βέλη, στην πραγματικότητα μερικές φορές διαρκεί χιλιετίες. Ένα καλό παράδειγμα είναι το μοντέλο του κόσμου, την εξέλιξη του οποίου έχουμε ήδη εντοπίσει σε ένα από τα προηγούμενα άρθρα. Στις αρχές της εποχής μας καθιερώθηκε το γεωκεντρικό μοντέλο του Πτολεμαίου, σύμφωνα με το οποίο η Γη βρισκόταν στο κέντρο του κόσμου και ο Ήλιος, η Σελήνη και οι πλανήτες περιστρέφονταν γύρω από αυτήν. Αυτό το μοντέλο, το οποίο είναι γενικά αποδεκτό εδώ και χίλια πεντακόσια χρόνια, έχει, ωστόσο, συναντήσει ολοένα και πιο σοβαρές δυσκολίες. Οι παρατηρούμενες θέσεις στον ουρανό του Ήλιου, της Σελήνης και των πλανητών δεν αντιστοιχούσαν στις προβλέψεις του γεωκεντρικού μοντέλου και μια τέτοια αντίφαση γινόταν ολοένα και πιο ανυπέρβλητη όσο αυξανόταν η ακρίβεια των παρατηρήσεων. Αυτό ανάγκασε τον Νικόλαο Κοπέρνικο να προτείνει ένα ηλιοκεντρικό μοντέλο στα μέσα του 16ου αιώνα, σύμφωνα με το οποίο ο Ήλιος και όχι η Γη βρίσκεται στο κέντρο. Η ηλιοκεντρική υπόθεση έλαβε λαμπρή επιβεβαίωση χάρη στην άνευ προηγουμένου ακρίβεια (για εκείνη την εποχή) των παρατηρήσεων του Tycho Brahe, τα αποτελέσματα των οποίων συνέπεσαν με τις προβλέψεις του ηλιοκεντρικού μοντέλου. Το τελευταίο έγινε γενικά αποδεκτό, λαμβάνοντας έτσι το καθεστώς μιας θεωρίας.

Αυτό το παράδειγμα, καθώς και το διάγραμμα που εξετάσαμε, δείχνει ρόλος κλειδίπείραμα σε εξέλιξη επιστημονική γνώσητον περιβάλλοντα κόσμο. Μόνο μέσω πειράματος μπορεί να επαληθευτεί ένα φυσικό μοντέλο. Είναι εξαιρετικά σημαντικό τα αποτελέσματα του πειράματος, καθώς και οι προβλέψεις του φυσικού μοντέλου, να μην είναι ποιοτικά, αλλά ποσοτικά. Δηλαδή αντιπροσωπεύουν ένα σύνολο από τα περισσότερα συνηθισμένους αριθμούς. Επομένως, η σύγκριση των υπολογισμένων και των μετρούμενων αποτελεσμάτων είναι μια εντελώς σαφής διαδικασία. Μόνο χάρη σε αυτό θα μπορούσε ένα φυσικό πείραμα να γίνει το κλειδί που ανοίγει το δρόμο για την κατανόηση του σύμπαντος.

Οι δέκα πιο όμορφες

Δεκάδες και εκατοντάδες χιλιάδες φυσικά πειράματα έχουν πραγματοποιηθεί κατά τη διάρκεια της χιλιόχρονης ιστορίας της επιστήμης. Δεν είναι εύκολο να επιλέξετε μερικά από τα «καλύτερα» για να μιλήσετε. Ποιο πρέπει να είναι το κριτήριο επιλογής;

Πριν από τέσσερα χρόνια στην εφημερίδα " Το νέο York Times » δημοσιεύτηκε ένα άρθρο των Robert Creese και Stoney Book. Περιέγραψε τα αποτελέσματα μιας έρευνας που διεξήχθη μεταξύ φυσικών. Κάθε ερωτώμενος έπρεπε να ονομάσει τα δέκα πιο όμορφα φυσικά πειράματα στην ιστορία της φυσικής. Κατά τη γνώμη μας, το κριτήριο της ομορφιάς δεν είναι σε καμία περίπτωση κατώτερο από άλλα κριτήρια. Επομένως, θα μιλήσουμε για τα πειράματα που συμπεριλήφθηκαν στην πρώτη δεκάδα σύμφωνα με τα αποτελέσματα της έρευνας Kreese and Book.

1. Πείραμα Ερατοσθένη Κυρηναίου

Ένα από τα παλαιότερα γνωστά φυσικά πειράματα, ως αποτέλεσμα του οποίου μετρήθηκε η ακτίνα της Γης, πραγματοποιήθηκε τον 3ο αιώνα π.Χ. από τον βιβλιοθηκονόμο της περίφημης Βιβλιοθήκης της Αλεξάνδρειας, Ερατοσθένη τον Κυρηναίο. Ο πειραματικός σχεδιασμός είναι απλός. Το μεσημέρι, την ημέρα του θερινού ηλιοστασίου, στην πόλη της Σιένα (τώρα Ασουάν), ο Ήλιος βρισκόταν στο ζενίθ του και τα αντικείμενα δεν έριχναν σκιές. Την ίδια μέρα και την ίδια ώρα, στην πόλη της Αλεξάνδρειας, που βρίσκεται 800 χιλιόμετρα από τη Σιένα, ο Ήλιος παρέκκλινε από το ζενίθ κατά περίπου 7°. Αυτό είναι περίπου το 1/50 ενός πλήρους κύκλου (360°), που σημαίνει ότι η περιφέρεια της Γης είναι 40.000 χιλιόμετρα και η ακτίνα είναι 6.300 χιλιόμετρα. Φαίνεται σχεδόν απίστευτο ότι ένα τέτοιο μετρημένο απλή μέθοδοςΗ ακτίνα της γης αποδείχθηκε ότι ήταν μόνο 5% μικρότερη από την αξία, που λαμβάνεται με τις πιο ακριβείς σύγχρονες μεθόδους.

2. Το πείραμα του Galileo Galilei

Τον 17ο αιώνα, κυρίαρχη άποψη ήταν ο Αριστοτέλης, ο οποίος δίδασκε ότι η ταχύτητα με την οποία πέφτει ένα σώμα εξαρτάται από τη μάζα του. Όσο πιο βαρύ είναι το σώμα, τόσο πιο γρήγορα πέφτει. Παρατηρήσεις που μπορεί να κάνει ο καθένας μας Καθημερινή ζωή, φαίνεται να το επιβεβαιώνει. Προσπαθήστε να αφήσετε μια ελαφριά οδοντογλυφίδα και μια βαριά πέτρα ταυτόχρονα. Η πέτρα θα αγγίξει το έδαφος πιο γρήγορα. Παρόμοιες παρατηρήσεις οδήγησαν τον Αριστοτέλη στο συμπέρασμα ότι θεμελιώδης ιδιοκτησίαη δύναμη με την οποία η Γη έλκει άλλα σώματα. Στην πραγματικότητα, η ταχύτητα της πτώσης επηρεάζεται όχι μόνο από τη δύναμη της βαρύτητας, αλλά και από τη δύναμη της αντίστασης του αέρα. Η αναλογία αυτών των δυνάμεων για ελαφρά και βαριά αντικείμενα είναι διαφορετική, γεγονός που οδηγεί στο παρατηρούμενο αποτέλεσμα.

Ο Ιταλός Galileo Galilei αμφέβαλλε για την ορθότητα των συμπερασμάτων του Αριστοτέλη και βρήκε τρόπο να τα δοκιμάσει. Για να το κάνει αυτό, έριξε μια βολίδα κανονιού και μια πολύ πιο ελαφριά σφαίρα μουσκέτο από τον Πύργο της Πίζας την ίδια στιγμή. Και τα δύο σώματα είχαν περίπου το ίδιο βελτιωμένο σχήμα, επομένως, τόσο για τον πυρήνα όσο και για τη σφαίρα, οι δυνάμεις αντίστασης του αέρα ήταν αμελητέες σε σύγκριση με τις δυνάμεις της βαρύτητας. Ο Γαλιλαίος διαπίστωσε ότι και τα δύο αντικείμενα φτάνουν στο έδαφος την ίδια στιγμή, δηλαδή η ταχύτητα της πτώσης τους είναι ίδια.

Τα αποτελέσματα που λαμβάνονται από το Galileo είναι συνέπεια του νόμου της παγκόσμιας βαρύτητας και του νόμου σύμφωνα με τον οποίο η επιτάχυνση που βιώνει ένα σώμα είναι ευθέως ανάλογη με τη δύναμη που ασκεί σε αυτό και αντιστρόφως ανάλογη με τη μάζα του.

3. Άλλο ένα πείραμα Galileo Galilei

Ο Γαλιλαίος μέτρησε την απόσταση που κάλυψαν οι μπάλες που κυλούσαν σε μια κεκλιμένη σανίδα σε ίσες χρονικές περιόδους, μετρημένες από τον συγγραφέα του πειράματος χρησιμοποιώντας ένα ρολόι νερού.

Ο επιστήμονας διαπίστωσε ότι αν ο χρόνος διπλασιαζόταν, οι μπάλες θα κυλούσαν τέσσερις φορές πιο πέρα. Αυτή η τετραγωνική σχέση σήμαινε ότι οι μπάλες κινούνταν με επιταχυνόμενο ρυθμό υπό την επίδραση της βαρύτητας, κάτι που έρχεται σε αντίθεση με τον ισχυρισμό του Αριστοτέλη, που ήταν αποδεκτός εδώ και 2000 χρόνια, ότι τα σώματα στα οποία ενεργεί μια δύναμη κινούνται με σταθερή ταχύτητα, ενώ αν δεν ασκηθεί δύναμη στο σώμα, τότε είναι σε ηρεμία. Τα αποτελέσματα αυτού του πειράματος του Γαλιλαίου, όπως και τα αποτελέσματα του πειράματός του με τον Πύργο της Πίζας, λειτούργησαν αργότερα ως βάση για τη διατύπωση των νόμων της κλασικής μηχανικής.

4. Το πείραμα του Χένρι Κάβεντις

Αφού ο Ισαάκ Νεύτων διατύπωσε τον νόμο της παγκόσμιας έλξης: τη δύναμη της βαρύτητας φάανάμεσα σε δύο σώματα με μάζες ΜΚαι Μ, χωρίζονται μεταξύ τους με απόσταση r, είναι ίσο φά = γ( mM/r 2), έμεινε να προσδιοριστεί η τιμή της σταθεράς βαρύτητας γ. Για να γίνει αυτό, ήταν απαραίτητο να μετρηθεί η δύναμη έλξης μεταξύ δύο σωμάτων με γνωστές μάζες. Αυτό δεν είναι τόσο εύκολο να γίνει, γιατί η δύναμη έλξης είναι πολύ μικρή. Νιώθουμε τη δύναμη της βαρύτητας της Γης. Αλλά είναι αδύνατο να νιώσετε την έλξη ακόμη και ενός πολύ μεγάλου βουνού κοντά, αφού είναι πολύ αδύναμο.

Χρειαζόταν μια πολύ λεπτή και ευαίσθητη μέθοδος. Εφευρέθηκε και χρησιμοποιήθηκε το 1798 από τον συμπατριώτη του Νεύτωνα Henry Cavendish. Χρησιμοποίησε μια ζυγαριά στρέψης - μια κουνιστή με δύο μπάλες αναρτημένες σε ένα πολύ λεπτό κορδόνι. Ο Cavendish μέτρησε τη μετατόπιση του βραχίονα (περιστροφή) καθώς άλλες μπάλες μεγαλύτερης μάζας πλησίαζαν τη ζυγαριά. Για να αυξηθεί η ευαισθησία, η μετατόπιση προσδιορίστηκε από φωτεινές κηλίδες που αντανακλώνται από καθρέφτες που είναι τοποθετημένοι στις μπάλες rocker. Ως αποτέλεσμα αυτού του πειράματος, ο Cavendish ήταν σε θέση να προσδιορίσει με μεγάλη ακρίβεια την τιμή της σταθεράς βαρύτητας και να υπολογίσει τη μάζα της Γης για πρώτη φορά.

5. Το πείραμα του Jean Bernard Foucault

Ο Γάλλος φυσικός Jean Bernard Leon Foucault απέδειξε πειραματικά την περιστροφή της Γης γύρω από τον άξονά της το 1851 χρησιμοποιώντας ένα εκκρεμές 67 μέτρων που αιωρείται από την κορυφή του θόλου του Παρισινού Πάνθεον. Το επίπεδο αιώρησης του εκκρεμούς παραμένει αμετάβλητο σε σχέση με τα αστέρια. Ένας παρατηρητής που βρίσκεται στη Γη και περιστρέφεται μαζί της βλέπει ότι το επίπεδο περιστροφής στρέφεται αργά προς την αντίθετη κατεύθυνση από την φορά περιστροφής της Γης.

6. Το πείραμα του Ισαάκ Νεύτωνα

Το 1672, ο Ισαάκ Νεύτων πραγματοποίησε ένα απλό πείραμα που περιγράφεται σε όλα σχολικά εγχειρίδια. Έχοντας κλείσει τα παντζούρια, έκανε μια μικρή τρύπα μέσα από την οποία πέρασε μια αχτίδα ηλιακού φωτός. Ένα πρίσμα τοποθετήθηκε στη διαδρομή της δοκού και ένα πλέγμα τοποθετήθηκε πίσω από το πρίσμα. Στην οθόνη, ο Νεύτων παρατήρησε ένα «ουράνιο τόξο»: μια λευκή ακτίνα ηλιακού φωτός, που διέρχεται από ένα πρίσμα, μετατράπηκε σε πολλές έγχρωμες ακτίνες - από βιολετί σε κόκκινο. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται διασπορά φωτός.

Ο Σερ Ισαάκ δεν ήταν ο πρώτος που παρατήρησε αυτό το φαινόμενο. Ήδη στις αρχές της εποχής μας, ήταν γνωστό ότι οι μεγάλοι μονοκρύσταλλοι φυσικής προέλευσης έχουν την ιδιότητα να αποσυνθέτουν το φως σε χρώματα. Οι πρώτες μελέτες για τη διασπορά του φωτός σε πειράματα με γυάλινο τριγωνικό πρίσμα, ακόμη και πριν από τον Νεύτωνα, πραγματοποιήθηκαν από τον Άγγλο Hariot και τον Τσέχο φυσιοδίφη Marzi.

Ωστόσο, πριν από τον Νεύτωνα, τέτοιες παρατηρήσεις δεν υποβλήθηκαν σε σοβαρή ανάλυση και τα συμπεράσματα που εξήχθησαν στη βάση τους δεν διασταυρώθηκαν από πρόσθετα πειράματα. Τόσο ο Hariot όσο και ο Marzi παρέμειναν οπαδοί του Αριστοτέλη, ο οποίος υποστήριξε ότι οι διαφορές στο χρώμα καθορίζονται από τις διαφορές στην ποσότητα του σκοταδιού που «αναμιγνύεται» με το λευκό φως. Το βιολετί χρώμα, σύμφωνα με τον Αριστοτέλη, εμφανίζεται όταν το σκοτάδι προστίθεται στη μεγαλύτερη ποσότητα φωτός και το κόκκινο - όταν προστίθεται το σκοτάδι στη μικρότερη ποσότητα. Ο Νεύτωνας πραγματοποίησε πρόσθετα πειράματα με διασταυρωμένα πρίσματα, όταν το φως πέρασε από ένα πρίσμα και στη συνέχεια διέρχεται από ένα άλλο. Με βάση το σύνολο των πειραμάτων του, κατέληξε στο συμπέρασμα ότι «κανένα χρώμα δεν προκύπτει από το άσπρο και το μαύρο ανακατεμένο μαζί, εκτός από τα ενδιάμεσα σκούρα. η ποσότητα του φωτός δεν αλλάζει την εμφάνιση του χρώματος.» Έδειξε ότι το λευκό φως πρέπει να θεωρείται ως σύνθετο. Τα κύρια χρώματα είναι από μωβ έως κόκκινο.

Αυτό το πείραμα του Νεύτωνα παρέχει ένα αξιοσημείωτο παράδειγμα του πώς διαφορετικοί άνθρωποι, παρατηρώντας το ίδιο φαινόμενο, το ερμηνεύουν με διαφορετικούς τρόπους και μόνο όσοι αμφισβητούν την ερμηνεία τους και κάνουν πρόσθετα πειράματα καταλήγουν στα σωστά συμπεράσματα.

7. Το πείραμα του Thomas Young

Μέχρι τις αρχές του 19ου αιώνα, κυριαρχούσαν οι ιδέες για τη σωματιδιακή φύση του φωτός. Το φως θεωρήθηκε ότι αποτελείται από μεμονωμένα σωματίδια - σωματίδια. Αν και τα φαινόμενα περίθλασης και παρεμβολής του φωτός παρατηρήθηκαν από τον Νεύτωνα («Δακτύλιοι του Νεύτωνα»), η γενικά αποδεκτή άποψη παρέμεινε σωματική.

Κοιτάζοντας τα κύματα στην επιφάνεια του νερού από δύο πεταμένες πέτρες, μπορείτε να δείτε πώς, επικαλύπτοντας το ένα το άλλο, τα κύματα μπορούν να παρεμβαίνουν, δηλαδή να ακυρώνουν ή να αλληλοενισχύονται. Με βάση αυτό, ο Άγγλος φυσικός και γιατρός Thomas Young πραγματοποίησε πειράματα το 1801 με μια δέσμη φωτός που περνούσε από δύο τρύπες σε ένα αδιαφανές πλέγμα, σχηματίζοντας έτσι δύο ανεξάρτητες πηγές φωτός, παρόμοιες με δύο πέτρες που ρίχνονται στο νερό. Ως αποτέλεσμα, παρατήρησε ένα μοτίβο παρεμβολής που αποτελείται από εναλλασσόμενα σκούρα και λευκά κρόσσια, τα οποία δεν θα μπορούσαν να σχηματιστούν εάν το φως αποτελούνταν από σωματίδια. Οι σκούρες ρίγες αντιστοιχούσαν σε περιοχές όπου τα φωτεινά κύματα από τις δύο σχισμές αλληλοεξουδετερώνονται. Εμφανίστηκαν ελαφριές λωρίδες όπου τα κύματα φωτός αλληλοενίσχυαν το ένα το άλλο. Έτσι, αποδείχθηκε η κυματική φύση του φωτός.

8. Το πείραμα του Klaus Jonsson

Ο Γερμανός φυσικός Klaus Jonsson πραγματοποίησε ένα πείραμα το 1961 παρόμοιο με το πείραμα του Thomas Young σχετικά με την παρεμβολή του φωτός. Η διαφορά ήταν ότι αντί για ακτίνες φωτός, ο Jonsson χρησιμοποίησε δέσμες ηλεκτρονίων. Πήρε ένα μοτίβο παρεμβολής παρόμοιο με αυτό που παρατήρησε ο Young για τα ελαφρά κύματα. Αυτό επιβεβαίωσε την ορθότητα των διατάξεων κβαντική μηχανικήσχετικά με τη φύση μεικτού σωματικού κύματος των στοιχειωδών σωματιδίων.

9. Το πείραμα του Robert Millikan

Η ιδέα ότι ηλεκτρικό φορτίοοποιουδήποτε σώματος είναι διακριτό (δηλαδή, αποτελείται από ένα μεγαλύτερο ή μικρότερο σύνολο στοιχειωδών φορτίων που δεν υπόκεινται πλέον σε κατακερματισμό), προέκυψε στο αρχές XIXαιώνα και υποστηρίχθηκε από διάσημους φυσικούς όπως ο Michael Faraday και ο Hermann Helmholtz. Ο όρος "ηλεκτρόνιο" εισήχθη στη θεωρία, δηλώνοντας ένα συγκεκριμένο σωματίδιο - τον φορέα ενός στοιχειώδους ηλεκτρικού φορτίου. Αυτός ο όρος, ωστόσο, ήταν καθαρά τυπικός εκείνη την εποχή, αφού ούτε το ίδιο το σωματίδιο ούτε το στοιχειώδες ηλεκτρικό φορτίο που σχετίζεται με αυτό είχαν ανακαλυφθεί πειραματικά. Το 1895, ο Wilhelm Conrad Roentgen, κατά τη διάρκεια πειραμάτων με έναν σωλήνα εκκένωσης, ανακάλυψε ότι η άνοδος του, υπό την επίδραση των ακτίνων που πετούσαν από την κάθοδο, ήταν ικανή να εκπέμπει τις δικές του ακτίνες Χ, ή ακτίνες Roentgen. Την ίδια χρονιά, ο Γάλλος φυσικός Jean Baptiste Perrin απέδειξε πειραματικά ότι οι καθοδικές ακτίνες είναι ένα ρεύμα αρνητικά φορτισμένων σωματιδίων. Όμως, παρά το κολοσσιαίο πειραματικό υλικό, το ηλεκτρόνιο παρέμεινε ένα υποθετικό σωματίδιο, αφού δεν υπήρχε ούτε ένα πείραμα στο οποίο θα συμμετείχαν μεμονωμένα ηλεκτρόνια.

Ο Αμερικανός φυσικός Robert Millikan ανέπτυξε μια μέθοδο που έχει γίνει ένα κλασικό παράδειγμα ενός κομψού πειράματος φυσικής. Ο Millikan κατάφερε να απομονώσει αρκετά φορτισμένα σταγονίδια νερού στο διάστημα μεταξύ των πλακών ενός πυκνωτή. Φωτίζοντας με ακτίνες Χ, ήταν δυνατό να ιονιστεί ελαφρώς ο αέρας μεταξύ των πλακών και να αλλάξει το φορτίο των σταγονιδίων. Όταν το πεδίο μεταξύ των πλακών ενεργοποιήθηκε, το σταγονίδιο κινήθηκε αργά προς τα πάνω υπό την επίδραση της ηλεκτρικής έλξης. Όταν το πεδίο ήταν απενεργοποιημένο, έπεσε υπό την επίδραση της βαρύτητας. Ενεργοποιώντας και απενεργοποιώντας το πεδίο, ήταν δυνατό να μελετήσουμε καθεμία από τις σταγονίδια που αιωρούνταν μεταξύ των πλακών για 45 δευτερόλεπτα, μετά τα οποία εξατμίστηκαν. Μέχρι το 1909, ήταν δυνατό να προσδιοριστεί ότι το φορτίο οποιουδήποτε σταγονιδίου ήταν πάντα ένα ακέραιο πολλαπλάσιο της θεμελιώδους τιμής μι(φόρτιση ηλεκτρονίων). Αυτό ήταν πειστική απόδειξη ότι τα ηλεκτρόνια ήταν σωματίδια με το ίδιο φορτίο και μάζα. Αντικαθιστώντας τα σταγονίδια νερού με σταγονίδια λαδιού, ο Millikan μπόρεσε να αυξήσει τη διάρκεια των παρατηρήσεων σε 4,5 ώρες και το 1913, εξαλείφοντας πιθανές πηγές σφαλμάτων η μία μετά την άλλη, δημοσίευσε την πρώτη μετρούμενη τιμή του φορτίου ηλεκτρονίων: μι= (4,774 ± 0,009) × 10 -10 ηλεκτροστατικές μονάδες.

10. Το πείραμα του Ernst Rutherford

Στις αρχές του 20ου αιώνα, έγινε σαφές ότι τα άτομα αποτελούνται από αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια και κάποιο είδος θετικό φορτίο, λόγω του οποίου το άτομο παραμένει γενικά ουδέτερο. Ωστόσο, υπήρχαν πάρα πολλές υποθέσεις σχετικά με το πώς φαίνεται αυτό το «θετικό-αρνητικό» σύστημα, ενώ υπήρχε σαφώς έλλειψη πειραματικών δεδομένων που θα επέτρεπαν την επιλογή υπέρ του ενός ή του άλλου μοντέλου. Οι περισσότεροι φυσικοί αποδέχθηκαν το μοντέλο του Joseph John Thomson: το άτομο ως μια ομοιόμορφα φορτισμένη θετική μπάλα με διάμετρο περίπου 10 -8 cm με αρνητικά ηλεκτρόνια να επιπλέουν μέσα.

Το 1909, ο Ernst Rutherford (με τη βοήθεια των Hans Geiger και Ernst Marsden) διεξήγαγε ένα πείραμα για να κατανοήσει την πραγματική δομή του ατόμου. Σε αυτό το πείραμα, βαριά θετικά φορτισμένα σωματίδια α, που κινούνταν με ταχύτητα 20 km/s, πέρασαν από λεπτό φύλλο χρυσού και διασκορπίστηκαν σε άτομα χρυσού, παρεκκλίνοντας από την αρχική κατεύθυνση κίνησης. Για να προσδιορίσουν τον βαθμό απόκλισης, ο Geiger και ο Marsden χρειάστηκε να χρησιμοποιήσουν ένα μικροσκόπιο για να παρατηρήσουν τις λάμψεις στην πλάκα του σπινθηριστή που εμφανίστηκαν εκεί που το σωματίδιο α χτύπησε την πλάκα. Κατά τη διάρκεια δύο ετών, μετρήθηκαν περίπου ένα εκατομμύριο εκλάμψεις και αποδείχθηκε ότι περίπου ένα σωματίδιο στα 8000, ως αποτέλεσμα της σκέδασης, αλλάζει την κατεύθυνση της κίνησής του κατά περισσότερο από 90° (δηλαδή γυρίζει πίσω). Αυτό δεν θα μπορούσε να συμβεί στο «χαλαρό» άτομο του Thomson. Τα αποτελέσματα υποστήριξαν ξεκάθαρα το λεγόμενο πλανητικό μοντέλο του ατόμου - έναν τεράστιο μικροσκοπικό πυρήνα μεγέθους περίπου 10 -13 cm και ηλεκτρόνια που περιστρέφονται γύρω από αυτόν τον πυρήνα σε απόσταση περίπου 10 -8 cm.

Τα σύγχρονα φυσικά πειράματα είναι πολύ πιο περίπλοκα από τα πειράματα του παρελθόντος. Σε ορισμένες, συσκευές τοποθετούνται σε περιοχές δεκάδων χιλιάδων τετραγωνικών χιλιομέτρων, σε άλλες γεμίζουν όγκο της τάξης ενός κυβικού χιλιομέτρου. Τρίτον... Ας περιμένουμε όμως το επόμενο τεύχος. Τα σύγχρονα φυσικά πειράματα είναι το θέμα του επόμενου (και τελευταίου) άρθρου της σειράς.

Το πρώτο πείραμα για την αποσύνθεση του φωτός σε φάσμα έγινε από τον Ισαάκ Νεύτωνα το 1666. Έκανε μια μικρή τρύπα στο παντζούρι του παραθύρου και μια ηλιόλουστη μέρα δέχτηκε μια στενή δέσμη φωτός, στη διαδρομή της οποίας τοποθέτησε ένα τριγωνικό γυάλινο πρίσμα. Η δέσμη διαθλάστηκε σε αυτό και στον απέναντι τοίχο εμφανίστηκε μια χρωματιστή λωρίδα, όπου όλα τα χρώματα του ουράνιου τόξου βρίσκονταν με μια συγκεκριμένη σειρά: κόκκινο, πορτοκαλί, κίτρινο, πράσινο, μπλε, λουλακί και βιολετί. Ο Newton ονόμασε αυτή τη χρωματική ζώνη φάσμα(από το λατινικό "φάσμα" - ορατό).

Οι κόκκινες ακτίνες παρουσιάζουν τη μικρότερη απόκλιση από την αρχική κατεύθυνση πρόσπτωσης και οι ιώδεις ακτίνες τη μεγαλύτερη απόκλιση.

Μετά από ένα τέτοιο πείραμα, ο Νεύτων το έκανε πρώτο συμπέρασμα: Η αποσύνθεση του λευκού φωτός σε χρωματικό φάσμα σημαίνει ότι Το λευκό φως έχει πολύπλοκη δομή, δηλαδή είναι σύνθετο, δηλαδή ένα μείγμα όλων των χρωμάτων του ουράνιου τόξου.

Δεύτερο συμπέρασμαΟ Νεύτων ήταν αυτός φως διαφορετικών χρωμάτων χαρακτηρίζεται από διαφορετικούς δείκτες διάθλασης σε ένα συγκεκριμένο μέσο. Αυτό σημαίνει ότι ο απόλυτος δείκτης διάθλασης για τα βιολετί χρώματα είναι μεγαλύτερος από ότι για τα κόκκινα.

Ο Νεύτωνας ονόμασε την εξάρτηση του δείκτη διάθλασης του φωτός από τα χρώματά του διασπορά(από τη λατινική λέξη dispersio - «διασπορά»).

Ωστόσο, ο Newton ήταν υποστηρικτής της σωματιδιακής θεωρίας και δεν μπορούσε να εξηγήσει το φαινόμενο της διασποράς.

Διασπορά φωτός

Σύμφωνα με την κυματική θεωρία τα χρώματα του φωτός καθορίζονται από τη συχνότητα ηλεκτρομαγνητικό κύμα , που είναι φως. Το κόκκινο φως έχει τη χαμηλότερη συχνότητα, το βιολετί έχει την υψηλότερη. Με βάση τα πειράματα του Νεύτωνα και με βάση κυματική θεωρίαφως, το συμπέρασμα ακολουθεί: ο δείκτης διάθλασης του φωτός εξαρτάται από τη συχνότητα του φωτεινού κύματος.

Διασπορά φωτός- αυτό είναι το φαινόμενο της αποσύνθεσης του φωτός σε ένα φάσμα, λόγω της εξάρτησης του απόλυτου δείκτη διάθλασης του μέσου από τη συχνότητα του φωτεινού κύματος.

Τι εξαρτάται από τι;

Διαφορετικές ταχύτητες διάδοσης κυμάτων αντιστοιχούν σε διαφορετικούς απόλυτους δείκτες διάθλασης του μέσου
.

Αυτό σημαίνει ότι μια κόκκινη ακτίνα διαθλάται λιγότερο λόγω του γεγονότος ότι έχει την υψηλότερη ταχύτητα στην ουσία και μια ιώδης ακτίνα τη χαμηλότερη ταχύτητα.

Η συχνότητα και το μήκος κύματος σχετίζονται

Ο τύπος δείχνει ότι το μήκος κύματος είναι ευθέως ανάλογο με την ταχύτητα του φωτός και αντιστρόφως ανάλογο με τη συχνότητα. Από αυτό προκύπτει ότι το μήκος κύματος είναι μεγαλύτερο στο μέσο όπου η ταχύτητα κύματος είναι μεγαλύτερη(σε δεδομένη συχνότητα).

Από τους τύπους είναι ξεκάθαρο ότι

Επομένως, μπορεί να υποστηριχθεί ότι είναι απόλυτο Ο δείκτης διάθλασης μειώνεται ανάλογα καθώς αυξάνεται το μήκος κύματος του φωτόςκαι αυξάνεται ανάλογα όσο μειώνεται το μήκος κύματος του φωτός.

Ως εκ τούτου, κατά τη μετάβαση από το ένα περιβάλλον στο άλλο Ταχύτηταδιάδοση ενός φωτεινού κύματος, που σημαίνει και το μήκος κύματος ποικίλλει , ΕΝΑ συχνότητα,που σημαίνει και το χρώμα του φωτός παραμένει αμετάβλητο .

Πώς ξεχωρίζει το μάτι τα χρώματα;

Ο αμφιβληστροειδής του ματιού περιέχει φωτοευαίσθητα στοιχεία - νευρικές απολήξεις που ονομάζονται «ράβδοι» και «κώνοι». Οι ράβδοι διακρίνουν μόνο το φως από το σκοτάδι. Υπάρχουν κώνοι τρία είδη– ονομάζονται συμβατικά «κόκκινα», «πράσινα» και «μπλε». Επειδή οι «κόκκινοι» κώνοι είναι πιο ευαίσθητοι στο κόκκινο, οι «πράσινοι» στο πράσινο και οι «μπλε» στο μπλε. Και όλη η ποικιλία των χρωμάτων που βλέπουμε οφείλεται στα «σήματα» που στέλνουν στον εγκέφαλο μόνο τρεις τύποι κώνων.

Προσθήκη λουλουδιών

Αφαιρέστε τα χρώματα