Бруно Донат - Физика в играх
Рис. 68
Теперь вам должно быть ясно, почему луч света в призме отклоняется от своего первоначального направления и почему каждый предмет сквозь призму кажется сдвинутым со своего действительного места. На рисунке вы видите, как нужно держать призму, чтобы увидеть свет свечи.
Если вы проделаете опыт преломления с лучами различных цветов: красным, зеленым, голубым и т. д., то найдете, что призма преломляет их неодинаково.
Поставьте между источником света и призмой последовательно красное, голубое и зеленое стекло и уловите на белом экране цветные лучи, выходящие с другой стороны призмы. Вы увидите тогда, что различные цветные лучи отклоняются призмой по-разному. Меньше всего отклоняется красный луч, затем желтый, зеленый. Больше других отклоняются от своего первоначального направления голубой, синий и фиолетовый лучи (рис. 69).
Рис. 69
Если вы пропустите сквозь призму белый луч света, например солнечный, то при выходе из призмы он не только отклонится, но еще растянется в полосу, окрашенную во все цвета радуги в той последовательности, как у нас на рис. 69. Цветная полоса, которую дает призма, называется спектром. То, что белый цвет состоит из всех цветов радуги, сейчас знает каждый школьник, но, когда физик Ньютон в 1672 году пришел к этому выводу, он был встречен градом насмешек.
Хорошая и большая призма из флинт— или кронгласа стоит очень дорого. Но вы и сами можете сделать совсем неплохую призму.
Если у вас есть аквариум, то две стороны его, сходящиеся под углом, можно использовать как призму.
Чтобы с помощью такой призмы получить спектр от солнечных лучей, установите аквариум, как показано на рис. 70. Опыт этот лучше произвести в комнате, выходящей окнами на восток или на запад. Солнце с юга нам не так удобно, потому что стоит в это время слишком высоко. Закройте окно картоном и прорежьте в нем щель шириной
2 сантиметра и высотой 10 сантиметров. Лучи солнца широкой лентой пройдут через щель. На пути этих лучей установите аквариум. Позади него на белой бумаге вы получите чудесную цветную ленту. Если вы будете поворачивать аквариум, вы увидите, что в зависимости от его положения спектр становится короче и длиннее. Он делается ярче, когда укорачивается, и тускнеет при удлинении.
Рис. 70
Рис. 71
Когда солнце стоит высоко и лучи падают очень круто, спектр получается не вполне правильным. Но вы можете поставить за окном зеркало и с его помощью направлять отраженные лучи сквозь щель в горизонтальном направлении.
Другой простой способ получения спектра предложил физик Хопкинс. Его опыт нужно произвести в темной комнате. Призма при этом совсем не нужна. Вместо нее нужны миска с водой и зеркало шириной 12 сантиметров и высотой 20 сантиметров.
Луч солнца, пройдя в щель, прорезанную высоко в ставне окна или в листе картона, которым закрыто окно, попадет в миску. Ниже поверхности воды он отразится от зеркала обратно, снова пройдет сквозь воду и опять преломится у ее поверхности (рис. 71). Значит, он преломляется два раза, так же как и в призме. Благодаря этому составляющие его цветные лучи разделяются.
Спектр проецируется на листе бумаги ниже щели, причем получается не горизонтальная, а вертикальная разноцветная лента. Красный цвет — наверху, голубой — внизу.
Что обнаруживает призма? Если вам удастся достать хотя бы самую маленькую призму из флинтгласа, с ее помощью вы сможете произвести очень интересные опыты. Призму достаточно достать высотой даже 1 сантиметр. Стоить она должна не очень дорого, потому что даже изъяны на призме нам не важны. Важно только, чтобы две стороны были хорошими, а надбитые края не помешают.
Укрепите призму в пробке (рис. 72). Чтобы не пачкать призму клеем, вырежьте в пробке треугольник и вставьте ее туда. За призмой прорежьте в пробке щель и вставьте в нее ровный кусочек картона, окрашенный в черный цвет.
В картоне прорежьте острым ножом щель длиной не более полусантиметра и не шире полу-миллиметра. Можно иметь в запасе еще одну картонку с более узкой щелью.
Но сделать ровную щель в картоне очень трудно. Можно сделать по-другому. Наклейте обрезок оловянной бумаги на стеклянную пластинку такой же величины, как и картон, и прорежьте щель ножом по линейке. Так вы получите щель шириной до 1/10 миллиметра или даже еще уже. Только следите за тем, чтобы в щель не попал клей.
Рис. 72
На схеме рис. 72 показано, где должна быть сделана щель в пробке для картона или для стекла.
Этот прибор — простейший спектроскоп. Спектроскопы физиков и астрономов — чрезвычайно сложные приборы, и стоят они тысячи рублей. Но с помощью нашего простейшего спектроскопа можно провести много интересных опытов. Однако пользование им требует навыка и терпения.
Схема рис. 72 показывает ход лучей от источника света — спиртовой лампочки — сквозь щель на призму. Лучи дважды преломляются призмой и наконец выходят из нее по направлению б — а. Спектроскоп устанавливается так, чтобы лучи света падали на щель перпендикулярно, а глаз устанавливается в направлении а — б. Вы увидите чудесные краски спектра, которые будут тем гуще и ярче, чем уже щель.
Пользуясь этим прибором, можно исследовать пламя различных источников света. Если вы рассмотрите в спектроскоп пламя свечи или лампы, вы не увидите большой разницы в спектрах. Всегда появляется блестящая лента, в которой один цвет незаметно переходит в другой. Затем попробуйте исследовать спиртовую лампу. Она освещает очень плохо, — спектр получается матовый, еле заметный.
Если вы вставите в пламя спиртовки тонкую стеклянную трубку, пламя быстро окрасится в желтый цвет. Это происходит благодаря натрию, который входит в состав стекла и светит довольно ярко.
Вы, может быть, ожидали увидеть гораздо более яркий спектр. Напрасно. Вы увидите только более яркую окраску желтой полосы спектра. Натрий не дает при накаливании ни красного, ни зеленого, ни голубого луча, а только один желтый. Призма обнаруживает это, и не только это: она «видит» еще многие другие тайны.
Посыпьте на фитиль немного поваренной соли. Пламя также сделается ярче, но спектроскоп покажет, что увеличилась только желтая полоса спектра. Что это значит? Очевидно, в поваренной соли есть натрий. Химия подтверждает это; поваренная соль — это действительно хлористый натрий, химическое соединение натрия с хлором.
Достаньте несколько крупинок хлористого лития и хлористого стронция. Вдавите маленький кристаллик лития в ушко штопальной иголки и воткните эту иголку в фитиль, чтобы пламя охватило кристаллик. Сейчас же пламя окрасится в красный цвет, а в спектроскопе вы увидите рядом две яркие полоски — красную и оранжевую. Если повторить этот опыт с хлористым стронцием, пламя также станет красноватым. Но в спектроскопе пламя обнаруживает и другие свойства. В спектре появляются три яркие линии — одна в красной, другая в желтой, третья в голубой части спектра.
Спектроскоп никогда не ошибается. С его помощью мы для каждого вещества открываем особый спектр, который дает только это вещество. Если вещества смешаны, то и тогда опытный химик, взглянув в спектроскоп, скажет, какие именно вещества находятся в пламени. Этот способ определения состава веществ называется в науке спектральным анализом.
С помощью одних только телескопов мы не могли бы узнать, из каких веществ состоят звезды, лучи света которых идут к нам, быть может, тысячелетиями. Маленькое граненое стекло дало ответ на многие наши вопросы. Стекло направляли на звезды, и оно давало ту или иную группу хорошо известных цветных линий.
Линии спектра не только обнаружили, что вещества отдаленных светил находятся в раскаленном состоянии, но сказали нам, какие именно эти вещества. Так люди узнали, что в составе звезд имеются водород, железо, углерод, азот, никель — словом, те же вещества, которые находятся и в нашей земле. Спектроскоп доказал родственность всех материалов Вселенной.
Радужный круг. С помощью большой лупы вы можете собрать все цветные лучи солнечного спектра снова в одно пятно.
Это пятно будет совершенно белым. Лучшего доказательства того, что белый цвет составляется из всех цветов радуги, привести невозможно.
Но можно соединить краски спектра в белый цвет и другим, пожалуй, более простым способом. Вырежьте из картона круг, оклейте его белой бумагой и разделите на секторы, различные по величине, как показано на рис. 73. Окрасьте секторы красками спектра так, чтобы фиолетовая часть занимала самый большой, а оранжевая — самый маленький сектор.
