نیوتن ، پاشندگی در مواد و طیف رنگ

واضح آرشیو وب فارسی:فان پاتوق: نیوتون، پاشندگی در مواد و طیف رنگ

سرعت انتشار نور در تمام مواد تا حدی به فرکانس تابش بستگی دارد؛ فقط در خلأ است که سرعت انتشار امواج الکترومغناطیسی از فرکانس مستقل است.

به عنوان مثال:
ضریب شکست سیلیس بی شکل (شیشه ی کوارتز) برای نور آبی با طول موج 480 nm مقدار1/4636 و برای نور قرمز با طول موج 670 nm مقدار 1/4561 را دارد.

به همین دلیل، اگر پرتوی شامل نورهای قرمز و آبی به طور مایل به قطعه ی سیلیس بی شکل بتابد، در شیشه دو پرتو شکست به وجود می آید که زاویه شکست آن ها اندکی با هم متفاوت است؛ پرتو آبی کمی بیش تر از پرتو قرمز به خط عمود بر سطح نزدیک می شود.

پرتو نوری شامل نور قرمز و آبی از بالا به شیشه می تابد. چون ضریب شکست شیشه برای نور آبی با طول موج کوتاه بیش از نور قرمز با طول موج بلند است، نور آبی در سطح بالایی بیش تر می شکند، پس از شکست در سطح زیرین، هر دو بخش باریکه، جدا از هم ولی به موازات همدیگر و موازات پرتو اولیه از شیشه خارج می شوند.

پرتو های نور سفید نیز که شامل تمام طول موج های طیف مرئی اند، به همین شکل بر اثر شکست با شیشه به اجزای طیفی خود تفکیک می شوند. "تجزیه نور به وسیله ی یک قطعه شیشه"

اگرچه "پدیده ی مشهور رنگ ها" را دست کم از زمان یونانی ها می شناختند؛ منشأ واقعی آن تا زمانی که نیوتون نبوغ خود را در این راه به کار انداخت، ناشناخته بود.
توجیه پذیرفته شده ی آن زمان این بود که نور در حین عبور از منشور، تغییر شکل پیدا می کند؛ یعنی ابتدا به رنگ قرمز در می آید و بعد از گذشتن از لایه های ضخیم تر شیشه، طوری تغییر می کند که به رنگ سبز و در نهایت، بنفش تبدیل می شود.
این توجیه، هیچ یک از خواص مشخص این پدیده را توضیح نمی داد و به پرسش های مربوط به این زمینه نیز پاسخی نمی داد.
مثلاً اگر واقعاً ضخامت شیشه است که رنگ نور خروجی را تعیین می کند، پس چرا وقتی نور سفید از یک شیشه ی معمولی می گذرد، رنگی تولید نمی شود و چرا الگوی رنگ ها زمانی که باریکه از نزدیکی یال منشور یا نزدیک قاعده می تابد، فرقی نمی کند؟
نیوتون نیز مانند انیشتین که بیش تر ایده های انقلابی، طی دورانی به ذهنش خطور کرد که تقریباً ارتباط علمی با بیرون نداشت (در این دوران او در برن کارمند اداره ی ثبت اختراعات بود)، بیش تر کارهای مهم خود را در سال های شیوع طاعون 1665,1666آغاز و تکمیل کرد، سال هایی که دانشگاه کمبریج بسته بود و وی همراه مادرش در وولستورپ زندگی می کرد.
درک امروزی ما از نور و رنگ، از اسحاق نیوتون (1642-1726) و مجموعه ی آزمایشاتی که در 1672 منتشر کرد، شروع می شود.
او نخستین کسی بود که مفهوم رنگین کمان را درک کرد؛ وی نور سفید را با یک منشور منکسر کرد و آن را به اجزای سازنده ی خود تجزیه کرد:

نظر نیوتون چنین بود:
در آن جا من برای خودم یک منشور مثلث القاعده از شیشه ساختم تا پدیده ی مشهور رنگ ها را آزمایش کنم...
در ابتدا مشاهده ی رنگ های زنده و جذابی که به این وسیله تولید می شد، سرگرمی بسیار لذت بخشی بود؛ اما پس از مدتی تصمیم گرفتم آن ها را دقیق تر بررسی کنم.
با کمال تعجب دیدم که این نورها به شکل دوک خارج می شوند نه به شکل دایره ای که از قوانین پذیرفته شده ی شکست نور انتظار داشتم!
و دیدم که نوری که به یک سر تصویر نزدیک بود، خیلی بیش تر از نور سر دیگر شکسته شده است. و به این ترتیب معلوم شد که
علت واقعی تجزیه شدن نور و بسط یافتن تصویر آن است که نور از پرتوهایی با قابلیت شکست متفاوت تشکیل می شود...

به بیان دیگر، به نظر نیوتون، نور سفید تغییر شکل پیدا نمی کند بلکه از لحاظ فیزیکی به اجزای تشکیل دهنده اش (که رنگ هایی متفاوت دارند) تجزیه می شود و علت این امر، تفاوت در قابلیت شکست شیشه برای رنگ های متفاوت است.
نیوتون آزمایش هایش را با این استنتاج متوقف نکرد. او منشور دیگری را بر سر راه نور تجزیه شده گذاشت و چنین مشاهده کرد:
زمانی که هر کدام از این پرتوها به خوبی از انواع دیگر جدا می شد، از آن به بعد، رنگ خود را به طور کامل حفظ می کرد و در اثر هیچ یک از تلاش های من، کوچک ترین تغییری نمی کرد.

این مشاهده کاملاً با دیدگاه قبلی که طبق آن، عبور از درون شیشه، رنگ را عوض می کند، ناسازگار بود؛
نیوتون این آزمایش را تعیین کننده تشخیص داد:
اگر منشور، نور سفید را به اجزای طیفی آن تجزیه می کند، باید امکان معکوس کردن این فرایند هم وجود داشته باشد، یعنی باید بتوان تمام رنگ های رنگین کمان را با هم ترکیب کرد و دوباره نور سفید به دست آورد.

عالی ترین و عجیب ترین ترکیب به سفید مربوط است. هیچ یک از انواع پرتوها نمی تواند به تنهایی این ترکیب را ایجاد کند. نور سفید همواره مرکب است و برای ساختن آن تمام رنگ های یاد شده، ضروری اند و باید به نسبت مناسب با هم درآمیزند.
اشتباه است اگر تصور کنیم همگان توضیح نیوتون را پذیرفتند؛ برعکس:
از بحث هایی که انتشار نظریه ی نورم برانگیخت، چندان آزرده شدم که وقتی آرامش و خونسردی ام همچون سایه ای گریزان از دست رفت، نابخردی خود را در ترک موهبتی چنان بزرگ سرزنش کردم.

یکی از جنبه های بارز کار نیوتون، کاربرد زیبای چیزی است که امروزه آن را روش علمی می نامیم. نیوتون پس از رسیدن به این فرض که رنگ های ناشی از تجزیه ی نور، نتیجه ی وابستگی ضریب شکست به رنگ هستند، نتیجه گرفت که:

پاشندگی در تمام مواد وجود دارد. هر کسی از منظره ی رنگین کمان لذت برده باشد، شاهد تجزیه ی نور سفید به وسیله ی آب بوده است. توجه کنید که رنگ بنفش - آبی در پایین رنگین کمان و رنگ قرمز در پایین آن دیده می شود. البته ناظر به طرف خورشید نگاه نمی کند؛ بلکه در خلاف جهت نگاه می کند.
به این نکته هم توجه کنید که بقیه ی نورهای رنگین کمان مثل سبز و ... در شکل نشان داده نشده اند اما تمام آن ها نیز در نور خورشید وجود دارند و در قطره های آب باران، شکست پیدا کرده و مانند رنگ قرمز و بنفش نشان داده شده در شکل، به چشم می رسند.

شکست نور خورشید به وسیله ی یک قطره ی کروی آب و به دنبال بازتابش داخلی و شکستی دیگر.
نوری که خارج می شود، به رنگ های تشکیل دهنده اش تجزیه شده است
منبع: تبیان