39. Цвет.

Состояние вопроса о цвете тел до исследований Нью­тона. Вопрос о причине различной окраски тел естественно занимал ум человека уже давно. Очень большое количестве наблюдений, и чисто житейских, и научных, было в распо­ряжении исследователей, но вплоть до работ Ньютона (начав­шихся около 1666 г.) в этом вопросе царила полная неопре­деленность. Считалось, что цвет есть свойство самого тела, хотя внимательное наблюдение обнаруживало, что в зави­симости от времени дня или условий освещения нередко наблюдается очень значительное изменение в цвете тел, Существовало мнение, что различные цвета получаются как «смесь» света и темноты, т. е. смешивались два существенно различных понятия — цвет и освещенность. С незапамятных, времен наблюдались превосходные (радужные) цвета раду­ги и даже было известно, что образование радуги связано с освещением дождевых капель. Так, французский физик Рене Декарт (1596—1650) наблюдал искусственную радугу на водяной пыли фонтанов и производил опыты по получению радуги со стеклянными шарами, наполненными водой. В 1637 г. Декарт объяснил форму и угловые размеры ра­дуги на небесном своде, но причины цветов радуги и их последовательности ему оставались неясными.

Точно так же игра цветов в граненых алмазах и даже в стеклянных призмах была хорошо известна. На Востоке, в частности в Китае, украшения в виде стеклянных призм, дающих радужные блики, принадлежали к числу излюбленнейших. Европейцы неоднократно описывали эти ки­тайские игрушки. И тем не менее никто не сопоставлял между собой эти многочисленные и разнообразные явления, и связь между великолепными красками радуги, играющей на небе, и цветом тел была открыта только в замечательных исследованиях Ньютона.

§ 160. Основное открытие Ньютона в оптике. Ньютон обра­тился к исследованию цветов, наблюдаемых при преломлении света, в связи с попытками усовершенствования теле­скопов. Стремясь получить линзы возможно лучшего качества, Ньютон убедился, что главным недостатком изо-5ражений является наличие окрашенных краев. Как из­вестно, это обстоятельство заставило его начать строить телескопы с зеркалом (рефлекторы) (§ 119). Исследуя окрашивание при преломлении, Ньютон сделал свои величайшие оптические открытия.

Рис. 309. Схема основного опыта Ньютона по дисперсии света. Расстоя­ние от экрана до призмы достаточно велико, чтобы можно было разли­чать отдельные цветные полосы

Сущность открытий Ньютона поясняется следующими опытами (рис. 309). Свет от фонаря освещает узкое отверстие S (щель). При помощи линзы L изображение щели получается на экране MN в виде короткого белого прямо­угольника S'. Поместив на пути лучей призму Р, ребро кото­рой параллельно щели, обнаружим, что изображение щели сместится и превратится в окрашенную полоску, переходы цветов в которой от красного к фиолетовому подобны наблю­даемым в радуге. Это радужное изображение Ньютон на­звал спектром *) (рис. 310).

Если прикрыть щель цветным стеклом, т. е. если на­правлять на призму вместо белого света цветной, изображе­ние щели сведется к цветному прямоугольнику, располага­ющемуся на соответствующем месте спектра, т. е. в зависи­мости от цвета свет будет отклоняться на различные углы от первоначального изображения S'. Описанное наблюдение показывает, что лучи разного цвета различно преломляются призмой.

Это важное заключение Ньютон проверил многими опы­тами. Важнейший из них состоял в определении показателя

*•) Спектр — лат, spectrum — видение,

преломления лучей различного цвета, выделенных из спектра. Для этой цели в экране MN (рис. 309), на кото­ром получается спектр, прорезалось отверстие; перемещая экран, можно было выпустить через отверстие узкий пучок лучей того или иного цвета. Такой способ выделения одно­родных лучей более совершенен, чем выделение при помощи

Рис. 310. Опыт Ньютона — разложение солнечного света. По рисунку академика Крафта, хранящемуся в кунсткамере Академии наук

(XVIII век)

цветного стекла. Опыты обнаружили, что такой выделен­ный пучок, преломляясь во второй призме, уже не растяги­вается в полоску. Такому пучку соответствует определен­ный показатель преломления, значение которого зависит от цвета выделенного пучка.

§ 161. Истолкование наблюдений Ньютона. Описанные опы­ты показывают, что для узкого цветного пучка, выделен­ного из спектра, показатель преломления имеет вполне оп­ределенное значение, тогда как преломление белого света можно только приблизительно охарактеризовать одним ка­ким-то значением этого показателя. Сопоставляя подобные наблюдения, Ньютон сделал вывод, что существуют про­стые цвета, не разлагающиеся при прохождении через призму, и сложные, представляющие совокупность простых, имеющих разные показатели преломления. В частности, солнечный свет есть такая совокупность цветов, которая при помощи призмы разлагается, давая спектральное изображение щели.

Таким образом, в основных опытах Ньютона заключа­лись два важных открытия: 1) свет различного цвета харак­теризуется разными показателями преломления в данном веществе (дисперсия) *); 2) белый цвет есть совокупность простых цветов.

Мы знаем в настоящее время, что разным цветам соот­ветствуют различные длины световых волн. Поэтому первое открытие Ньютона можно сформулировать таким образом: показатель преломления вещества зависит от длины свето­вой волны. Обычно он увеличивается по мере уменьшения длины волны.

Первое открытие Ньютона сохраняется в неизменной формулиров­ке и до настоящего времени. Что же касается второго утверждения, то надо отметить значительную сложность вопроса о природе белого све­та. Эта проблема выходит за рамки излагаемого в этой книге материала.

Впрочем, для очень большого числа практических вопросов мы можем заменить белый свет совокупностью соответствующим образом подобранных простых (монохроматических) цветов, т. е. рассматривать белый свет как смесь этих цветов.

Открытие явления разложения белого света на цвета при преломлении позволило объяснить образование радуги и других подобных метеорологических явлений. Преломле­ние света в водяных капельках или ледяных кристалликах, плавающих в атмосфере, сопровождается благодаря дис­персии в воде или льде разложением солнечного света. Рас­считывая направление преломления лучей в случае сфери­ческих водяных капель, мы получаем картину распределе­ния цветных дуг, точно соответствующую наблюдаемым в радуге. Аналогично, рассмотрение преломления света в кристалликах льда позволяет объяснить явления кругов вокруг Солнца и Луны в морозное время года, образование так называемых ложных солнц, столбов и т. д.

§ 162. 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.

§ 163. Дополнительные цвета. Как было сказано в § 160, основной опыт Ньютона состоял в разложении бе­лого света в спектр. Естественно ожидать, что если мы смешаем все цвета полученного спектра, то вновь получится белый свет. Соответствующие опыты также были осуществ­лены Ньютоном. Смешение спектральных цветов можно осу­ществить, например, следующим образом. Направим на призму Р (рис. 312) параллельный пучок белого света. На выходной грани призмы поместим диафрагму D и за приз­мой расположим линзу L. В главной фокальной плоскости MN линзы, где сходятся параллельные пучки различных цветов, получим цветную полоску крф (спектр), ибо лучи разных цветов падают на линзу под разными углами и, следовательно, собираются в разных точках фокальной плоскости. Но эти же цветные пучки лучей, проходящие через диафрагму D по разным направлениям, дадут бла­годаря линзе L изображение диафрагмы D в виде белого

Рис. 312. Схематическое изображение опыта по смешению цветов. Рисунок имеет цветной дубликат (см. форзац)

кружка в плоскости АВ; в каждой точке изображения смешаны все лучи, которые входили в состав пучка белого света, упавшего на призму.

Поместим теперь в плоскость MN, где получено резкое изображение спектра, какую-нибудь непрозрачную полоску (например, карандаш) так, чтобы она задержала какой-нибудь участок спектра, например зеленый (рис. 313).

Рис. 313. Карандаш О задерживает часть спектра (зеленую). Рисунок имеет цветной дубликат (см. форзац)

Тогда изображение окажется цветным и притом красным. Переместим карандаш так, чтобы он задерживал другие лучи спектра, например синие; изображение станет желтым. Перемещая карандаш параллельно самому себе вдоль MN, т. е. последовательно закрывая доступ то одним, то другим лучам, мы заставим изменяться окраску изображения, ибо при каждом положении карандаша в образовании изобра­жения участвуют не все цвета лучей белого света, а лишь часть их.

Рис. 314. Прнзмочка Р отклоняет часть спектра (зеленую]. Рисунок имеет цветной дубликат (см. форзац)

Еще нагляднее становится подобный опыт, если откло­нить часть лучей спектра в сторону, поместив на их пути зеркальце или призмочку (рис. 314).

Рис. 315. Картины перекрытия изображений в дополнительных цветах,

полученные по методу, схематически представленному на рис. 314.

Рисунок имеет цветной дубликат (см. форзац)

В таком случае на экране АВ мы получим два изобра­жения, расположенных рядом друг с другом. Одно обра­зовано отклоненными лучами, другое — всеми остальными лучами спектра. Оба изображения окажутся цветными. Если угол отклонения подобран так, что цветные изображения отчасти перекрывают друг друга, то общая часть изо­бражения будет освещена всеми лучами спектра и будет белой.

Таким образом, общая картина будет подобна изобра­женной на рис. 315. Части А и В, покрытые простой штриховкой, окрашены в разные цвета, а часть С — белая. Цвета участков А и В носят название дополнительных, ибо они дополняют друг друга до белого цвета.

Варьируя описанные опыты, можно подобрать весьма большое количество сочетаний дополнительных цветов. Некоторые из них приведены в табл. 10.

Таблица 10. Дополнительные цвета

Дополнительные цвета можно получать и при помощи соответственным образом подобранных цветных стекол. Если стекла выбраны удачно, то, получив с их помощью два цветных изображения, частично накладывающихся друг на друга, мы можем получить картину, подобную изоб­раженной на рис. 315. Два дополнительных цвета в совокуп­ности могут и не представлять собой всего спектра. Так, например, узкий участок красного цвета довольно удачно дополняет соответствующий участок зеленого. Од­нако наиболее совершенными дополнительными цветами являются цвета, полученные разделением спектра белого света на две части.