Как провести опыт по шагам
Для эксперимента понадобятся самые простые вещи, которые есть в любой квартире. Подойдёт чистый компакт-диск без глубоких царапин, яркий фонарик с одним светодиодом или вспышка телефона, а также белый лист бумаги формата А4 в качестве экрана. Опыт получается гораздо нагляднее в полумраке, поэтому плотно зашторь окна в комнате.
- Положи лист белой бумаги на стол или прикрепи его скотчем к стене вертикально.
- Расположи компакт-диск зеркальной стороной вверх на расстоянии около двадцати сантиметров от бумаги.
- Включи фонарик и направь узкий пучок света на поверхность диска так, чтобы луч падал на блестящую дорожку под наклоном.
- Медленно поворачивай диск и меняй угол наклона фонарика, пока отражённые цветные блики не соберутся на бумаге в ровную радужную дугу.
Почему обычный диск разделяет белый свет на цвета
Солнечный свет и свет фонарика кажутся нам белыми или прозрачными. В реальности этот поток состоит из электромагнитных волн разной длины, которые человеческий глаз воспринимает как отдельные цвета. Самая длинная волна видимого диапазона у красного цвета, около семисот нанометров. Самая короткая волна принадлежит фиолетовому цвету, её длина составляет примерно триста восемьдесят нанометров. Между ними плавно располагаются оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой и синий цвета.
Поверхность компакт-диска только издалека кажется идеально гладким зеркалом. На самом деле под прозрачным защитным пластиком проходит тончайшая спиральная канавка с микроскопическими углублениями, в которых закодирована цифровая информация. Расстояние между соседними витками этой спирали на обычном CD составляет всего одну целую шесть десятых микрометра. Это сопоставимо с длиной световой волны. В физике такую регулярную структуру с крошечными барьерами называют отражательной дифракционной решёткой.
Когда световая волна падает на периодические дорожки диска, происходят два фундаментальных волновых процесса: дифракция и интерференция.
- Дифракция заставляет световые волны огибать микроскопические края канавок и рассеиваться во все стороны от каждой дорожки, словно от множества крошечных самостоятельных источников света.
- Интерференция приводит к наложению этих вторичных волн друг на друга при отражении от диска.
- Сложение волн происходит избирательно, волны одинакового цвета усиливают друг друга только под строго определённым углом к поверхности, а под остальными углами гасят сами себя.
Красные волны длиннее фиолетовых, поэтому условие взаимного усиления выполняется для них при большем угле отклонения. Диск сортирует общий поток белого света, отправляя каждый оттенок по собственному направлению. В результате на экране мы видим плавный переход от фиолетового к красному.
Как сделать домашний спектроскоп из коробки
Простой опыт с диском легко превратить в настоящий научный прибор для анализа источников света. Спектроскопы используют астрономы и химики, чтобы узнавать состав далёких звёзд и исследовать газы.
- Возьми небольшую продолговатую коробку, например упаковку от чая или обуви.
- На одной узкой стороне коробки канцелярским ножом прорежь тонкую вертикальную щель шириной около одного миллиметра, через неё внутрь будет попадать исследуемый свет.
- На противоположном конце коробки сверху вырежи круглое смотровое отверстие для глаза.
- Закрепи внутри коробки кусочек компакт-диска под углом сорок пять градусов прямо под смотровым окошком, зеркальной стороной к щели.
- Закрой коробку крышкой, направь щель на лампу и загляни внутрь через верхнее окошко.
Если направить такой самодельный спектроскоп на старую лампу накаливания или пламя свечи, внутри будет видна сплошная непрерывная радужная полоса. Раскалённые твёрдые тела излучают энергию на всех видимых длинах волн без пропусков.
Если же направить прибор на офисную энергосберегающую трубку или люминесцентный светильник, непрерывная радуга исчезнет. Вместо неё появятся отдельные яркие цветные полоски на тёмном фоне: зелёная, синяя, оранжевая. Это линейчатый спектр паров ртути и люминофора, который доказывает, что газ излучает свет строго определёнными квантовыми порциями.
Частые вопросы
Почему обычное плоское зеркало не даёт радугу при отражении?
Зеркало имеет сплошной гладкий металлический слой без микроскопических канавок. Все волны света отражаются от него одновременно под одним и тем же углом, поэтому они не разделяются в пространстве и остаются единым белым лучом.
Можно ли увидеть радугу с помощью диска Blu-ray?
Да, но полосы спектра разойдутся на гораздо больший угол. Расстояние между витками на диске формата Blu-ray составляет всего триста двадцать нанометров. Это сопоставимо с длиной волны фиолетового света или даже меньше длины волны красного цвета, поэтому увидеть полный спектр первого порядка удаётся только под очень острым углом.
Опасно ли смотреть на спектр от солнца через диск?
Прямой солнечный луч, отражённый диском в глаз, опасен для сетчатки так же, как прямой взгляд на солнце. Для безопасного наблюдения солнечной радуги всегда проецируй отражённый свет на матовый экран, стену или плотный лист бумаги.
Почему радуга от диска круглая, а не прямая?
Дорожки на компакт-диске идут не параллельными прямыми линиями, а закручиваются концентрической спиралью вокруг центрального отверстия. Волны отражаются от изогнутых дорожек по окружности, формируя дугообразные радужные кольца.