Дисперсия показателя преломления различных материалов. Коэффициенты поглощения, отражения и пропускания

Дисперсия показателя преломления различных мате­риалов. Измерения показателя преломления в зависимости от длины волны для разных веществ показывают, что дисперсия различных материалов может быть весьма раз­лична. В табл. 9 приведены в качестве примера значения

*) Дисперсия — лат. dispersus — рассеянный, разбросанный. На­блюдавшееся Ньютоном явление следует точнее называть дисперсией показателя преломления, ибо и другие оптические величины обнаружи­вают зависимость от длины волны (дисперсию).

Таблица 9. Зависимость показателя преломления от длины волны для разных веществ

показателя преломления в зависимости от длины волны для двух сортов стекла и двух различных жидкостей.

На рис. 311 изображено, как выглядел бы спектр солнечного света, полученный при помощи призм одинаковой фор­мы, сделанных из перечисленных в таблице материалов.

Рис.311. Сравнительная дисперсия разных веществ: 1 — вода, 2 — легкий крон, 3 — тяжелый флинт. О темных линиях в спектре см. в § 178

Различие в дисперсии для разных стекол позволяет исправлять хроматическую аберрацию, как об этом упо­миналось в § 106.

Отражающие и рассеивающие тела. Наряду с задачей концентрации светового потока нередко возникает потреб­ность распределения этого потока на большую площадь с целью создания равномерной и умеренной освещенности. Для этой цели обычно заставляют световой поток отражать­ся и рассеиваться соответствующими поверхностями. Одна­ко надо считаться с тем, что при этом лишь часть светового потока отражается или пропускается телом, часть же неминуемо поглощается.

Тот факт, что мы видим тела, связан с тем, что они различным образом отражают, преломляют и поглощают па­дающий на них свет. Если некоторое тело отражает свет сильнее, чем окружающие его тела, то оно представляется нам светлым на темном фоне. Если же тело отражает мень­ше света, чем окружающие его тела, то оно будет казаться нам темным. Например, белая бумага отражает свет силь­нее, чем серый картон, и кусочек картона на листе бумаги кажется нам темным. Этот же кусочек картона, если его положить на черный бархат (очень слабо отражающее тело), кажется нам светлым. Тело, отражающее свет так же, как и окружающий фон, сливается с этим фоном.

Прозрачные тела мы видим частично в отраженном, ча­стично в прошедшем через них свете. Рассматривая, например, такой, казалось бы, простой предмет, как граненая стеклянная пробка от графина, мы имеем дело с рядом слож­ных явлений: свет частично отражается от граней пробки или рассеивается, если ее грани матированы; часть света про­ходит сквозь пробку, преломляясь на ее поверхности. Если вполне прозрачное тело погрузить в жидкость с тем же по­казателем преломления, как у данного тела, то оно станет невидимым, так как световые лучи пройдут через него, не изменяя ни своего направления, ни интенсивности. Поглощение света ведет к потерям в световом потоке, энергия которого расходуется при этом главным образом на нагревание поглощающего тела. Как правило, стремятся избегать поглощения светового потока; иногда, впрочем, бывает необходимо обеспечить темный фон или устранить световые потоки нежелательного направления; при этом прибегают к сильно поглощающим покрытиям (например, чернение некоторых поверхностей внутри оптических при­боров). Поглощение характеризуется коэффициентом пог­лощения а, равным отношению светового потока Ф_a, пог­лощенного телом, к световому потоку Ф _i, падающему на тело:

(76.1)

Отражение светового потока оценивается коэффициентом отражения r, показывающим отношение отраженного по­тока Ф_r к падающему Ф _i, т. е.

(76.2)

Наконец, для характеристики пропускания света служит коэффициент пропускания t, равный отношению пропущен­ного телом светового потока Ф_t к падающему Ф _i, т. е.

(76.3)

По закону сохранения энергии имеем

откуда на основании (76.1), (76.2) и (76.3) следует

(76.4)

Итак, сумма коэффициентов поглощения, отражения и про­пускания равна единице. Коэффициенты a, r, t зависят обыч­но от цвета (длины волны) света.

Как при отражении, так и при пропускании светового потока следует различать направленное и диффузное (рас­сеянное) отражение и пропускание.

Рис. 162. Отражение светового потока от плоской поверхности: а) на­правленное отражение; б) диффузное отражение; диаграмма б) не из­меняется при изменении угла падения первичного пучка; в) направлен­ное (зеркальное) отражение; параллельный пучок света, падающий на полированную металлическую поверхность, создает резко очерченный отраженный луч; г) диффузное отражение; при падении параллельного пучка световых лучей на белую бумагу свет отражается по всем направ­лениям

При зеркальном отражении от плоской поверхности те­лесный угол светового потока не изменяется (рис. 162, а, в). При рассеянном отражении происходит увеличение телес­ного угла, в котором распространяется световой поток (рис. 162, б, г). Увеличение может быть более или менее зна­чительным в зависимости от свойств рассеивающей поверх­ности. Аналогично, направленное пропуска­ние характеризуется сохранением телесного угла при про­хождении потока сквозь тело, например прохождении света через плоскопараллельную пластинку (рис. 163, а). В про­тивоположность этому диффузное пропускание

Рис. 163. Пропускание света плоскопараллельной пластинкой: а) на­правленное пропускание; б) диффузное пропускание. Диаграмма б) не меняется при изменении угла падения первичного пучка

сопровождается более или менее значительным увеличением телесного угла светового потока. Примером диффузно от­ражающей поверхности может служить матовая бумага; примером диффузно пропускающего материала — так на­зываемые молочные стекла. Матовое стекло явля­ется одновременно и диффузным отражателем и диффузно пропускающей средой.

Рассеивающие свойства поверхности характеризуются диаграммами, подобными изображенным на рис. 162, б и 163, б, где длины стрелок показывают, какая часть света рассеивается в том или ином направлении. Диффузно отражающие поверхности могут различаться также и по коэффициенту отражения, который для таких поверхностей обычно называют альбедо. Так, белая бумага для рисования имеет альбедо около 0,70—0,80. Очень высокое альбедо — около 0,95 — имеют поверхности, покрытые окисью маг­ния (белый порошок, получающийся при сжигании металлического магния). Наоборот, очень малым альбедо обла­дает черный бархат — от 0,01 до 0,002.

При наблюдении земной поверхности с самолета и особенно при аэрофотосъемке большое значение имеет альбедо земных покровов и его зависимость от цвета (длины волны). Различные почвы имеют альбедо sot 0,2 до 0,4, причем большие значения соответствуют области оранжево-красного цвета; пески мало отражают (около 0,1) в фиолетовой области, особенно важной при фотосъемке, но их альбедо в красной части повы­шается до 0,5. Трава и листья имеют альбедо до 0,50 в желто-зеленой части (особенно к осени); очень велико альбедо снега, достигающее 0,85 для всех цветов.