background image

Wykład 25

Soczewki. Przyrządy optyczne

Soczewka cienka - równanie soczewek

Rozważymy teraz dwie powierzchni sferyczne oddzielające ośrodki o współczynnikach 

załamania   kolejno  

1

2

1

n

n

n

  i   odległych   od   siebie   o  

d

.   Niech   promień   krzywizny 

pierwszej   powierzchni   wynosi  

1

,   a   drugiej   -  

2

.   Przyjmujemy   oczywiście,   że   obraz 

wytworzony przez pierwszą powierzchnię stanowić będzie przedmiot dla powierzchni drugiej, 

a zatem

11

02

s

d

s

=

 .                                               (25.1)

Tu pierwszy dolny wskaźnik, tak jak poprzednio, jest równy zero dla przedmiotu, jeden 

-   dla   obrazu,   a   drugi  wskaźnik   numeruje   powierzchnie   załamujące.   Wszystkie   odległości: 

12

02

11

01

,

,

,

s

s

s

s

, są liczone względem, odpowiednio, punktu 

1

 lub 

2

, tak jak dla pojedynczej 

powierzchni.

Stosując dwukrotnie równanie pojedynczej powierzchni załamującej otrzymujemy:

1

1

2

11

2

01

1

R

n

n

s

n

s

n

=

+

    i    

2

2

1

12

1

02

2

R

n

n

s

n

s

n

=

+

 .                        (25.2)

Sumując   stronami   te   dwa   równania,   uwzględniając   związek  

11

02

s

d

s

=

  i   grupując 

odpowiednie wyrazy znajdujemy

320

background image

)

1

1

(

1

1

)

(

)

1

1

(

11

11

2

2

1

1

2

12

01

1

s

d

s

n

R

R

n

n

s

s

n

+





=

+

 .              (25.3)

Dla cienkiej soczewki 

0

d

, a zatem drugi wyraz po prawej stronie równania (25.3) możemy 

zaniedbać i wtedy oznaczając 

0

01

s

s

=

 i 

1

12

s

s

=

 otrzymujemy tzw. “równanie soczewek”:





=

+

2

1

1

1

2

1

0

1

1

1

1

R

R

n

n

n

s

s

 .                                   (25.4)

Wzór ten pokazuje, że moc optyczna dla soczewki cienkiej i dwuwypukłej (

0

1

>

R

  i 

0

2

<

R

) jest sumą mocy optycznych dla obu powierzchni (druga powierzchnia jest co prawda 

wklęsła   od   strony  wiązki   padającej,   ale   wiązka   pada   od   strony  ośrodka   gęstszego   a   nie 

rzadszego   jak   normalnie,   a   więc,   z   uwagi   na   różnicę   współczynników   załamania   ta 

powierzchnia ostatecznie także będzie skupiająca). Z grubsza widać także, nad czym należy się 

zastanowić   w   przypadku   gdy  soczewka   jest   gruba   i  nie  można   pominąć   jej  grubości  

d

będziemy pewnie musieli (o ile zdecydujemy, że warto taki przypadek rozważyć) przypisać 

jakąś moc optyczną warstwie o grubości d i współczynniku załamania  

2

. No i oczywiście 

mamy wyrażenie (to jest pewnie to co potrzebują szlifierze soczewek), które pozwala nam 

obliczyć moc optyczną każdej soczewki sferycznej, wypukło - wypukłej, wklęsło - wypukłej, 

wypukło  - płaskiej  (

=

R

) itd,  znak  wyrażenia  z  promieniami  krzywizn obu  powierzchni 

będzie decydował o tym, czy soczewka będzie skupiająca czy rozpraszająca (oczywiście o ile 

1

2

n

n

>

).

Z równania soczewek wynika, że obie ogniskowe, przedmiotowa i obrazowa, będą 

sobie równe:

1

2

2

1

1

2

1

R

R

R

R

n

n

n

f

f

f

O

P

=

=

=

 .                               (25.5)

Dla soczewek zbierających   jest dodatnie, (np. dla soczewki dwuwypukłej, ponieważ 

2

 jest 

ujemne, zatem i licznik i mianownik są ujemne i wszystko się zgadza), dla rozpraszających (np. 

dwuwklęsłych) ogniskowa   będzie ujemna.

321

background image

Równanie soczewkowe Gaussa i Newtona

Podstawiając   wyrażenie   (26.5)   do   równania   szlifierzy   soczewek   (25.4)   dostajemy 

równanie, które nazywa się równaniem soczewkowy Gaussa:

f

s

s

1

1

1

1

0

=

+

 .                                             (25.6)

Z   równania   Gaussa   natychmiast   wynika,   że   dla   soczewek   rozpraszających   (

0

<

f

),   dla 

dowolnego  

0

  dodatniego   (czyli  dla   dowolnego   przedmiotu   rzeczywistego)  

1

  musi  być 

ujemne (czyli obraz będzie zawsze pozorny i prosty) itd., itp.

Równanie soczewkowe w innej postaci, tzw. równanie soczewkowe Newtona, wiąże 

ze sobą inne wielkości; zamiast odległości przedmiotowej i obrazowej 

0

 i 

1

 występują w nim 

odległości  od   odpowiednich  punktów   ogniskowych,   oznaczone  

0

  i  

1

.   Postać   taka   jest 

czasem  wygodniejsza,  np. dla grubych soczewek,  kiedy łatwiej jest zmierzyć  bezpośrednio 

odległości ognisk, a potem przedmiotu i obrazu, od najbliższych powierzchni zewnętrznych 

soczewki. Żeby otrzymać równanie soczewkowe w postaci newtonowskiej, podstawmy do 

równania   w   postaci   gaussowskiej   związki   pomiędzy   odległościami   gaussowskimi   i 

newtonowskimi: 

f

x

s

+

=

0

0

 oraz 

f

x

s

+

=

1

1

. Otrzymujemy wtedy:

f

f

x

f

x

1

1

1

1

0

=

+

+

+

 .                                        (25.7)

Skąd przez proste przekształcenia znajdujemy równanie soczewkowe Newtona:

2

1

0

f

x

x

=

 .                                                (25.8)

Z równania (25.8) wynika bezpośrednio, że znaki odległości newtonowskich 

0

  i 

1

  muszą 

być  jednakowe  (obie  dodatnie, albo  obie  ujemne,  jednocześnie),  a  zatem przedmiot   i  jego 

obraz muszą znajdować się po przeciwnych stronach odpowiednich punktów ogniskowych).

Konwencja znaków dla soczewek

Konwencja znaków dla soczewek jest podobna do tej dla zwierciadeł i powierzchni 

łamiących:

1. Odległość przedmiotowa 

0

 jest dodatnia dla przedmiotu rzeczywistego i ujemna dla 

322

background image

pozornego.

2. Odległość   obrazowa  

1

  jest   dodatnia   dla   obrazu   rzeczywistego   i   ujemna   dla 

pozornego.

3. Ogniskowa   soczewki     jest   dodatnia   dla   soczewek   zbierających   (skupiających)   i 

ujemna dla rozpraszających.

Wyznaczanie biegu promieni dla soczewki cienkiej

Do   znalezienia   obrazu   przedmiotu   można   stosować   metodę,   podobną   jak   dla 

zwierciadła. Dla ustalenia położenia obrazu wystarczy oczywiście wyznaczenie biegu dwóch 

dowolnie  wybranych  promieni  z   wiązki  padającej  na   układ.   Najłatwiej  jest   wykorzystanie 

trzech promieni, których bieg w układzie optycznym można łatwo znaleźć. Są to następujące 

trzy promieni:

1)promień główny - nieodchylony promień przechodzący przez środek krzywizny (dla 

pojedynczej powierzchni) lub środek soczewki (promień  O

S

2

);

2)  promień   równoległy  -   promień   równoległy   do   osi   optycznej,   po   załamaniu 

przechodzi on przez ognisko obrazowe (promień 

A

S

2

);

3)  promień   ogniskowy  -   promień   przechodzący   przez   ognisko   przedmiotowe,   po 

załamaniu promień ten porusza się po torze równoległym do osi optycznej (promień 

P

F

S

2

).

Bieg  dwóch  spośród   trzech  wyliczonych  wyżej  promieni  do   punktu   ich  przecięcia  (w 

przypadku obrazu pozornego należy przedłużyć promienie “wstecz”), wystarcza do znalezienia 

obrazu dowolnego punktu.

323

background image

Powiększenie poprzeczne i podłużne obrazu utworzonego przez soczewkę cienką.

Powiększenie poprzeczne 

T

 obrazu definiujemy w sposób następujący:

0

1

0

1

s

s

y

y

m

T

=

=

 .                                               (25.9)

Przypomnimy,   że   zgodne   z   ogólnie   przyjętą   konwencją   odległości  powyżej  osi  optycznej 

liczymy jako dodatnie, a poniżej jako ujemne. Tak więc dla obrazu rzeczywistego 

T

 będzie 

zawsze ujemne (

1

  i 

0

  dodatnie), a wartość bezwzględna może być zarówno większa jak 

mniejsza od 1. Porównując trójkąty 

P

F

S

S

2

1

 i 

P

OBF  a także 

O

F

P

P

2

1

 i 

O

AOF  znajdujemy:

0

1

0

1

x

f

f

x

y

y

m

T

=

=

=

 ,                                          (25.10)

gdzie  

O

F

P

x

1

1

=

  i 

P

F

S

x

1

0

=

  są odległościami przedmiotu i obrazu od odpowiednich ognisk 

(są to odległości newtonowskie, które wprowadziliśmy poprzednio).

Powiększenie podłużne obrazu 

L

 definiujemy jako:

0

1

0

1

dx

dx

ds

ds

m

L

=

 .                                            (25.11)

Korzystając z równania Newtona (

2

1

0

f

x

x

=

) otrzymujemy 

2

0

2

0

1

/

/

x

f

dx

dx

=

, a zatem

2

2

0

2

0

1

T

L

m

x

f

dx

dx

m

=

=

=

 .                                     (25.12)

Z   równania   (25.12)   wynika,   że   po   pierwsze,   “ubytkom”  

0

  towarzyszą   “przyrosty”  

1

 

(strzałka skierowana do soczewki zostanie odwzorowana w strzałkę skierowaną od soczewki), 

a   po   drugie,   że   oba   powiększenia   są   różne;   można   więc   oczekiwać   dystorsji   obrazu, 

szczególnie wtedy, gdy oczekujemy dużych powiększeń lub pomniejszeń.

Soczewki grube i układy złożone

Rozpatrując   soczewki   grube   i   złożone   układy   optyczne   (składające   się   z   kilku 

soczewek,   cienkich  lub  grubych)   przyjmiemy  za   Möbiusem  i  Gaussem  (bez   dowodu),   że 

dowolny układ optyczny można opisać przy pomocy prostego modelu, w którym zakłada się, 

324

background image

że załamanie promieni wiązki światła w układzie zachodzi tylko i wyłącznie w dwóch tzw. 

płaszczyznach głównych prostopadłych do osi optycznej i zlokalizowanych na ogół wewnątrz 

układu. Własności płaszczyzn głównych są następujące:

1.   Równoległa  do   osi  optycznej  wiązka   światła  padająca   na  układ  z   jednej  strony 

wychodzi z układu z drugiej strony skupiając się w ognisku odległym o ogniskową     od 

drugiej płaszczyzny głównej i, analogicznie, równoległa wiązka światła padająca na układ z 

drugiej strony, wychodzi z układu po przeciwnej stronie skupiając się w ognisku odległym o tę 

samą odległość ogniskową   od pierwszej płaszczyzny głównej

2. Rozbieżna wiązka promieni wychodząca z jednego z ognisk układu opuści układ po 

przeciwnej stronie jako wiązka równoległa.

3.   Jeżeli   odległości   przedmiotową  

0

  i   obrazową  

1

  będziemy   mierzyć   od, 

odpowiednio, pierwszej i drugiej płaszczyzny głównej, to równanie opisujące relację pomiędzy 

tymi wielkościami i ogniskową   będzie miało postać:

f

s

s

1

1

1

1

0

=

+

 .

Dla soczewki cienkiej obie płaszczyzny główne pokrywają się, dla soczewek grubych 

płaszczyzny te są zlokalizowane w pobliżu zewnętrznych powierzchni soczewki, a dla układu 

optycznego składającego się z kilku soczewek znajdują się, odpowiednio, w pobliżu pierwszej 

powierzchni  pierwszej  soczewki  i  drugiej  powierzchni  ostatniej  soczewki  w   układzie.   Dla 

soczewki grubej punkty przecięcia płaszczyzn głównych z osią optyczną, tzw. punkty główne

powinny zatem być zlokalizowane niezbyt daleko od punktów wierzchołkowych.

325

background image

Własności   ogniskujące   (obrazujące)   układu   optycznego   są   całkowicie   wyznaczone 

przez położenia płaszczyzn głównych i ognisk tego układu. Znajomość położeń płaszczyzn 

głównych   i   ognisk   przedmiotowego   i   obrazowego,   pozwala   znaleźć   bieg   promieni 

równoległego i ogniskowego, a zatem pozwala na znalezienie położenia obrazu. Warto jeszcze 

raz podkreślić, że chociaż rzeczywisty przebieg promieni w układzie składającym się z wielu 

soczewek może być znacznie bardziej skomplikowany, to jednak położenie obrazu znalezione 

czy   to   metodą   wytyczania   biegu   promieni,   czy   dzięki   zastosowaniu   równania   Gaussa   w 

oparciu   o   znajomość   położeń   płaszczyzn   głównych   i   ognisk,   będzie   odpowiadało 

rzeczywistości.

Lupa (szkło powiększające)

Najprostszym układem optycznym jest pojedyncza soczewka skupiająca, która może 

służyć jako szkło powiększające czyli tzw. lupa. Ponieważ lupa służy jako przyrząd optyczny 

wspomagający   oko   ludzkie   zaczniemy   od   rozważań   nad   powiększeniem   przedmiotów 

oglądanych przez nieuzbrojone oko.

Jak   pokazano   na   rysunku   ostre   widzenie   przedmiotów   znajdujących   się   w   różnej 

odległości  od   oka   wymaga   “dopasowania”   ogniskowej  tak,   by  obraz   wypadał  zawsze   na 

siatkówce (akomodacja oka). Ponieważ wielkość obrazu na siatkówce oka rośnie z malejącą 

odległością   przedmiotu   od   oka   wprost   proporcjonalnie   do   kąta   widzenia   przedmiotu  

α

korzystnie jest oglądać przedmioty z bliska.

Powiększenie   dla   trzech   przypadków   pokazanych   na   rysunku   osiąga   największą 

wartość   dla   przypadku   c),   gdy   przedmiot   znajduje   się   najbliżej   oka.   Niestety   dla   tego 

326

background image

przypadku (odległość przedmiotu od oka mniejsza niż pewna minimalna odległość na którą 

pozwala   zdolność   akomodacji  oka,   tzw   odległość   dobrego   widzenia)   obraz   jest   duży  ale 

nieostry.   Przyjmuje   się,   że   odległość   dobrego   widzenia   (różna   dla   różnych   ludzi)   wynosi 

średnio około 25 cm.

Na   rysunku   przedstawiono   zasadę   działania   lupy.   Przedmiot,   który   z   odległości 

dobrego widzenia (

0

) jest widziany pod kątem  

0

α

, może być, dzięki lupie, widziany pod 

znacznie większym kątem 

1

α

. Chociaż przedmiot znajduje się teraz bliżej oka (w odległości 

l

s

+

0

), nie ma problemu z akomodacją, gdyż jego pozorny obraz, wytworzony przez lupę i 

widziany przez oko, znajduje się w odległości 

L

, która powinna być nie mniejsza niż odległość 

dobrego widzenia 

0

.

Oznaczmy odległość przedmiotu od lupy przez  

0

, odległość obrazu pozornego od 

lupy przez  

1

, odległość lupy od  oka przez  

l

, a ogniskową lupy  przez   .  Powiększenie 

kątowe obrazu oglądanego przez lupę określamy jako:

0

1

α

α

α

=

m

 .                                                   (25.13)

327

background image

Wprowadzając oznaczenia 

h

  i 

H

  na wysokość przedmiotu i jego obrazu pozornego 

mamy dalej (w przybliżeniu małych kątów: 

L

H

tg

/

1

1

=

α

α

 i 

0

0

0

L

h

tg

=

α

α

):





=

=

0

1

0

0

0

0

1

s

s

L

L

h

H

L

L

h

L

L

H

m

α

α

α

 ,                        (25.14)

gdzie znak minus zabezpiecza dodatnią wartość powiększenia kątowego dla obrazu pozornego 

i prostego (

1

 ujemne). Korzystając z równania Gaussa (25.6) otrzymujemy:





=





=





=

f

s

L

L

s

f

s

L

L

s

s

L

L

m

1

0

1

1

0

0

1

0

1

1

1

)

(

α

 .             (25.15)

Ponieważ 

f

D

/

1

=

 jest mocą optyczną soczewki a 

l

L

s

+

=

1

 (

1

 ujemne) ze wzoru (25.15) 

znajdujemy:

 −

+

=





+

=





=

L

l

D

L

L

f

l

L

L

L

f

s

L

L

m

1

1

1

1

0

0

1

0

α

 .          (25.16)

Ze wzoru (25.16) wynika, że maksymalne powiększenie kątowe występuje przy minimalnej 

odległości lupy od oka. A zatem kładziemy w (25.16) 

0

=

l

 i otrzymujemy:

L

L

D

L

D

L

L

m

0

0

0

1

+

=





 +

=

α

 .                                (25.17)

Z wyrażenia (25.17) wnioskujemy, że powiększenie kątowe 

α

 jest zawarte pomiędzy  D

L

0

 

(dla   nieskończonej   odległości  obrazu   od   lupy,   przedmiot   w   ognisku,   swobodne   oko)   i  (

1

0

+

D

L

)   (dla   obrazu   znajdującego   się   w   odległości   dobrego   widzenia  

0

  od   oka).   Dla 

typowej lupy o mocy optycznej rzędu +10D (ogniskowa 10 cm) powiększenie kątowe będzie 

w takim razie zawarte pomiędzy 2.5 i 3.5 co odpowiada obserwacji bezpośredniej przedmiotu 

(przez osobę bez wad wzroku) z odległości 7 do 10 cm.

Mikroskop

Mikroskopy   służą   do   otrzymywania   silnie   powiększonych   obrazów   małych 

przedmiotów. W skład najprostszego  mikroskopu  wchodzą  obiektyw (soczewka  o  krótkiej 

ogniskowej tworzący obraz pośredni, rzeczywisty, odwrócony i powiększony), oraz okular, 

328

background image

który pozwala na dalsze powiększenie tworząc obraz pozorny, powiększony i prosty.

Powiększenie mikroskopu będzie równe iloczynowi powiększeń obiektywu i okularu. 

Korzystając ze wzoru (25.10):

0

1

0

1

x

f

f

x

y

y

m

T

=

=

=

 ,

dla powiększenia poprzecznego obiektywu możemy zapisać:

ob

Tob

f

f

x

m

=

=

1

 ,                                              (25.18)

gdzie 

 jest odległością obrazu pośredniego od ogniska obiektywu 

ob

, a 

ob

 jest ogniskową 

obiektywu.

Powiększenie okularu, z rozważań nad lupą wynosi:

ok

ok

ok

Tok

f

L

f

f

L

f

x

m

0

0

1

=

=

 ,                                  (25.19)

gdzie 

0

 jest odległością dobrego widzenia, a 

ok

 - ogniskową okularu (pomijamy jedynkę). 

Zauważmy, że powiększenie kątowe i poprzeczne dla lupy, o ile oglądany przez lupę obraz 

znajduje się w odległości dobrego widzenia, są sobie równe.

329

background image

Pryzmaty i dyspersja światła

Zjawisko  dyspersji światła  jest związane z zależnością prędkości światła, a zatem i 

współczynnika załamania 

υ

/

c

n

=

, od długości fali świetlnej. Zjawisko to stanowi podstawę 

działania przyrządów spektralnych wykorzystujących pryzmaty. Zasada działania pryzmatu jest 

przedstawiona na rysunku.

Ponieważ   kat   odchylenia  

ε

  promienia   wychodzącego   z   pryzmatu   po   dwukrotnym 

załamaniu   na   powierzchniach   pryzmatu   zależy   od   kata   łamiącego   pryzmatu  

δ

  i   od 

współczynnika   załamania   światła  

n

  materiału,   z   którego   wykonano   pryzmat,   a   z   kolei 

współczynnik załamania światła zależy od długości fali świetlnej, pryzmat stwarza możliwość 

przestrzennego rozdzielenia światła o różnych barwach. Oznacza to, ze za pomocą pryzmatu 

możemy  wyznaczyć   ilościowo   zawartość   w   widmie   badanej   wiązki   światła   różnych   jego 

składowych   spektralnych.   Stad   takie   przyrządy   noszą   nazwę  przyrządów  spektralnych 

(spektrum oznacza widmo). Newton był pierwszym, który wykorzystał w ten sposób pryzmat i 

zademonstrował, ze światło białe składa się ze światła o wszystkich barwach, od fioletowej, 

niebieskiej poprzez zieloną, żółtą, do czerwonej.

Udowodnimy,   ze   kąt   odchylenia   promienia   przechodzącego   przez   pryzmat  

ε

  jest 

minimalny gdy promień świetlny przechodzi przez pryzmat symetrycznie, tzn. gdy kat 

1

α

 jest 

równy katowi 

2

β

.

Kąt   odchylenia  promienia  

ε

  jest   katem  zewnętrznym  w   odpowiednim  trójkącie,   a 

zatem  

)

(

)

(

2

2

1

1

α

β

β

α

ε

+

=

. Ponieważ  

1

2

β

α

δ

+

=

  (kąt  

δ

  jest katem zewnętrznym w 

innym trójkącie) mamy ostatecznie:

δ

β

α

ε

+

=

2

1

 .                                               (25.20)

Ze wzoru (25.20) wynika, że

330

background image

2

1

β

α

ε

d

d

d

+

=

 ,                                         (25.21)

czyli zmiana kąta 

ε

 jest równa sumie zmian katów 

1

α

 i 

2

β

 (kąt 

δ

 jest stały). Kąt 

ε

 będzie 

minimalny, jeżeli

.

0

2

1

=

+

=

β

α

ε

d

d

d

                                    (25.22)

Znajdziemy zmiany kątowe 

1

α

 i 

2

β

, korzystając z prawa załamania Snella

n

=

1

1

sin

sin

β

α

    i    

n

=

2

2

sin

sin

α

β

 .                            (25.23)

Różniczkując wzory (25.23) otrzymujemy

1

1

1

1

cos

cos

β

β

α

α

d

n

d

=

    i    

2

2

2

2

cos

cos

α

α

β

β

d

n

d

=

 .          (25.24)

Eliminując z równań (XXV.24) współczynnik załamania 

n

 otrzymujemy:

1

2

2

2

1

1

1

2

2

2

2

cos

cos

cos

cos

cos

cos

β

α

β

α

β

α

α

α

β

α

β

d

d

d

d

n

d

=

=

 .                (25.25)

Ponieważ 

1

2

β

α

δ

+

=

, a zatem

1

2

β

α

d

d

=

 .                                           (25.26)

Po uwzględnieniu (25.26) wzór (25.25) możemy zapisać w postaci:

2

2

1

1

1

2

cos

cos

cos

cos

β

α

β

α

α

β

=

d

d

 .                                (25.27)

Po podstawieniu (25.27) do wzoru (25.22) otrzymujemy ostatecznie:

0

)

cos

cos

cos

cos

1

(

2

2

1

1

1

2

1

=

=

+

=

β

α

β

α

α

β

α

ε

d

d

d

d

 .                 (25.28)

Równanie (25.28) będzie spełnione, jeżeli

2

1

β

α =

    oraz    

1

2

β

α =

 ,                                       (25.29)

czyli   dla   symetrycznego   przechodzenia   promienia   przez   pryzmat.   Oznacza   to,   ze   kat 

odchylenia przyjmuje w takich warunkach wartość minimalną. Wykorzystując wzór (25.20), 

δ

β

α

ε

+

=

2

1

,   dla   symetrycznego   przechodzenia   promienia   przez   pryzmat   mamy 

331

background image

2

2

1

2

β

β

α

δ

ε

=

+

=

+

. Dalej ze wzoru 

1

2

β

α

δ

+

=

 znajdujemy 

2

1

2

2

α

β

α

δ

=

+

=

. A zatem

n

 +

=

2

sin

2

sin

sin

sin

2

2

δ

δ

ε

α

β

 .                                      (25.30)

Skąd ostatecznie otrzymujemy równanie pryzmatu:

=

 +

2

sin

2

sin

δ

δ

ε

n

 .                                    (25.31)

Przypomnimy, że w równaniu tym 

n

 jest współczynnikiem załamania materiału pryzmatu, a 

ε

 

δ

 są odpowiednio, katem najmniejszego odchylenia i katem łamiącym pryzmatu.

Dla   cienkiego   pryzmatu   kąty  

ε

  i  

δ

  są   nieduże   i  równanie   (25.31)   przyjmuje,   w 

przybliżeniu, prostszą postać:

 +

2

2

δ

δ

ε

n

 ,    skąd    

)

1

(

n

δ

ε

 .               (25.32)

Z równań (25.31) i (25.32) wynika, ze wielkość rozszczepienia promieni odpowiadających 

światłu o różnych barwach będzie zależną od różnicy wartości współczynnika załamania dla 

odpowiednich długości fali.

Dyspersją   średnią  nazywa   się   różnice   współczynników   załamania   dla   światła 

niebieskiego 

F

 (

485

=

λ

 nm) i czerwonego 

C

 (

656

=

λ

 nm). Z kolei refrakcją dla danego 

materiału nazywa się wielkość (

1

D

n

), gdzie 

D

 jest współczynnikiem załamania dla długości 

fali odpowiadającej żółtej linii sodu (589 nm). Wielkość:

1

=

D

C

F

n

n

n

                                                   (25.33)

nazywa się dyspersją względną albo zdolnością rozszczepiającą.

Dyspersja normalna i anomalna

Zależność   współczynnika   załamania  

n

  od   długości   fali  światła   często   nazywa   się 

dyspersją,   chociaż   bardziej   poprawnie   dyspersją   nazywa   się   pochodna   współczynnika 

332

background image

załamania  względem  długości  fali  

λ

d

dn /

.   Pierwsza   próba   analitycznego   opisu   zależności 

współczynnika załamania od długości fali światła zaproponował Cauchy (1836 r):

+

+

+

=

4

2

)

(

λ

λ

λ

C

B

A

n

 ,                                    (25.34)

gdzie 

C

B

,

,

 są stałe, charakteryzujące dany materiał. Wzór Cauchy’ego (25.34) opisuje tzw. 

dyspersję normalną (współczynnik załamania 

n

 maleje ze wzrostem długości fali 

λ

). Okazuje 

się,   że   dla   każdego   materiału   istnieje   jednak   pewien   zakres   długości   fali,   w   którym 

współczynnik załamania rośnie ze wzrostem długości fali. W zakresie tym, zwanym obszarem 

dyspersji  anomalnej,   wzór  Cauchy’ego   nie  jest  słuszny. Wytłumaczenie występowania obu 

rodzajów dyspersji wymaga wiedzy z fizyki atomowej, a zatem mikroskopowe rozważanie 

zjawisk dyspersji odłożymy do dalszych wykładów.

Korzystając   ze   wzoru   (25.32)   (

)

1

(

n

δ

ε

)   oraz   wzoru   (25.34),   łatwo   możemy 

wyliczyć wielkość zmiany kata odchylenia promienia z długością fali światła (na jednostkę 

długości fali):

3

5

3

2

4

2

λ

δ

λ

λ

δ

λ

δ

λ

ε

B

C

B

d

dn

d

d

+

+

=

 .                (25.35)

Równanie (25.35) pokazuje, że wzrostem długości fali kat odchylenia maleje, jednak maleje 

tym wolniej im  większa jest wartość długości fali światła. Stosunek wartości dyspersji, na 

przykład, dla światła o  długości fali 400 i 800 nm (odpowiadających z grubsza zakresowi 

światła   widzialnego),   wynosi   około   8,   co   oznacza,   ze   w   obszarze   światła   niebieskiego 

rozszczepienie światła przechodzącego przez pryzmat i mierzone wielkością  

λ

ε

d

/

, jest 8 

razy   większe   niż   w   obszarze   światła   czerwonego.   Warto   zwrócić   uwagę,   ze   wielkość 

współczynnika załamania zależy od wartości stałych A i B, natomiast dyspersja  

λ

d

dn /

  nie 

zależy od stałej A. Zatem duża wartość współczynnika załamania (duża wartość A) nie jest 

warunkiem koniecznym dla uzyskania dużej wartości dyspersji.

Spektrometry i monochromatory pryzmatyczne

Na   rysunku   przedstawiono  spektrometr  pryzmatyczny,   czyli   przyrząd   do   pomiaru   widma 

światła.   Szczelina   wejściowa  

1

  znajduje   się   w   ognisku  kolimatora,   który   ze   światła 

padającego na szczelinę 

1

 formuje wiązkę równoległą światła. Po podwójnym załamaniu tej 

wiązki w pryzmacie i rozszczepieniu wiązka pada na zwierciadło. Po odbiciu od zwierciadła 

333

background image

wiązka pada na obiektyw. Wyjściowa szczelina  

2

  znajduje się w płaszczyźnie ogniskowej 

obiektywu.

Obserwacja widma gołym okiem wymaga zastosowania okularu; tak skonstruowany 

przyrząd nazywamy  spektroskopem.  Rejestracja fotograficzna widma wymagałaby usunięcia 

szczeliny   wyjściowej  

2

  (chcemy   sfotografować   cale   widmo)   i   zastosowania   kliszy 

fotograficznej, umieszczonej w płaszczyźnie ogniskowej obiektywu; taki przyrząd nazywamy 

spektrografem.

Monochromator  to   przyrząd   pozwalający   na   wydzielenie   z   wiązki   światła   białego 

światła o określonej barwie; układ będzie wówczas identyczny z tym, które jest pokazany na 

rysunku.

W układzie pokazanym na rysunku (układzie Wadswortha), jak zresztą we wszystkich 

innych układach pryzmatycznych, wykorzystuje się pryzmat w położeniu minimalnego kata 

odchylenia. Pryzmat jest sztywno sprzężony ze zwierciadłem. Układ taki pozwala, poprzez 

obrót wokół osi obrotu znajdującej się w wierzchołku pryzmatu, zmieniać kąt minimalnego 

odchylenia i w ten sposób “dostroić” układ do różnych długości fali.

334