光のスペクトル。科学的発見の歴史と本質

最も重要な科学的発見
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光のスペクトル。科学的発見の歴史と本質

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デカルト早くも 1629 年に、彼はプリズムとさまざまな形状のガラスの光線の進路を発見しました。彼はガラス研磨のメカニズムも発明しました。スコットランドのグレゴリー教授は、凹面鏡の理論に基づいて、当時としては注目に値する望遠鏡のモデルを作成しました。このように、その時でさえ、実用的な光学はかなりの完成度に達しており、当時の科学界を最も占めていた科学のXNUMXつでした.

1666年までにニュートンデカルトの時代から屈折の理論はほとんど進歩していません。虹の色と体の色については、非常に混乱した理論と概念がありました。当時のほとんどすべての科学者は、この色またはその色が「光と闇の混合」または他の色の組み合わせを表すという声明に限定されていました。色。言うまでもなく、物体をプリズムや質の悪い光学ガラスを通して見たときに観察される虹色の色のような明白な事実は、光学に携わるすべての人にとってあまりにもよく知られていました。しかし、誰もが、プリズムや拡大鏡を通過するとき、すべての種類の光線がまったく同じように屈折することを確信していました. 色と虹色の境界線は、プリズムまたはガラスの表面の粗さにのみ起因していました。

ニュートンは当初、拡大鏡と鏡の研磨に一生懸命取り組みました。これらの作品は、彼にデカルトとジェームズ・グレゴリーの論文からすでに理論的に精通している反射と屈折の基本法則を経験的に紹介しました。ニュートンは一連の実験を開始し、後に偉大な科学者自身が彼の著作で詳細に説明しました。

「1666 年の初め、つまり非球形の光学ガラスを研磨するのに忙しかったとき、私は三角形のガラスプリズムを取り出し、それを使って有名な色の現象をテストすることにしました。この目的のために、私は自分の部屋を暗くし、シャッターに小さな穴を開けて、細い太陽光線が通り抜けるようにし、光の入り口にプリズムを置いて、光が反対側の壁に屈折できるようにしました。この結果生じる明るく鮮やかな色は私を楽しませました. しかし、しばらくして、それらをもっとよく見てみると、知られている屈折の法則に従って、それらが丸いと予想される細長い形状に驚いた側面では色は直線に限定され、端では光の退色が非常に緩やかで、正確な形を判断するのが難しく、半円形にさえ見えました。

この色スペクトルの長さと幅を比較すると、約 XNUMX 倍大きいことがわかりました。不均衡は非常に珍しいものだったので、通常の好奇心、つまりその原因は何かを突き止めたいという欲求よりも強くなりました。ガラスの厚さの違いや明暗の境界がこのような光の効果を引き起こす可能性は低いです。そこで私はまず、これらの状況を正確に調べようと思い、厚さの異なるガラスや大きさの異なる穴に光を通したり、屋外にプリズムを設置したりして、光が屈折する前に光を屈折させたらどうなるかを試しました。穴が狭くなっています。しかし、これらの状況はどれも重要ではないことがわかりました。すべての場合の色のパターンは同じでした。

それから私は考えました：いくつかのガラスの欠陥または他の予期しない事故が色の拡大の理由である可能性がありますか？これをテストするために、最初のプリズムと同様の別のプリズムを取り、両方のプリズムを通過する光が反対方向に屈折し、XNUMX番目のプリズムが光を元の方向に戻すように配置しました。最初にそれをそらした。したがって、最初のプリズムの通常の効果は他のプリズムによって破壊され、異常な効果は複数の屈折によって強化されると私は考えました。しかし、第XNUMXプリズムによって細長い形状に散乱されたビームは、まったく何も通過していないかのように、第XNUMXプリズムによってはっきりと丸められたことがわかりました。したがって、伸びの原因が何であれ、それはランダムな不規則性によるものではありません。

次に、太陽のさまざまな部分から来る光線の入射角に違いをもたらすことができるものについて、より実際的な考察に移りました。そして、経験と計算から、太陽のさまざまな部分から来る光線の入射角の違いは、それらが交差した後、以前の角度よりも著しく大きな角度で発散することはできないことが明らかになりました。収束した場合、この角度の値は31分以内です。したがって、32度XNUMX分の角度の出現を説明できる別の理由を見つける必要があります。

それから私は、光線がプリズムを通過した後、曲線であるかどうか、そしてそれらの曲線性の大小に応じて、壁の異なる部分に向かう傾向がないかどうかを疑うようになりました。ラケットで斜めに打ったときも同じような曲線を描くテニスボールをよく見たのを思い出すと、疑念が高まりました。この場合、ボールは円運動と並進運動の両方で通知されます。 XNUMXつの動きが一致するボールの側は、反対側よりも強い力で隣接する空気を押したり押したりする必要があるため、それに比例してより多くの空気抵抗と反力を励起します。そして、まさにこの理由から、光線が球体であり（デカルトの仮説）、ある媒体から別の媒体に斜めに移動すると、円運動を獲得し、エーテルがそれらを洗浄することからより大きな抵抗を経験する必要があります。その側からのすべての側。、動きが一貫していて、徐々に反対側に曲がります。しかし、この仮定のすべての妥当性にもかかわらず、私はそれをチェックしたときに光線の曲率を観察しませんでした。また、（私の目的には十分でしたが）画像の長さと光が通過する穴の直径の差がそれらの間の距離に比例することを観察しました。

これらの疑いを徐々に取り除いて、私はついに次のような実験的な十字架にたどり着きました.この目的と約 12 フィートの距離に配置したもう一方のボードに落下し、光の一部が通過できるように穴も開けました。次に、この XNUMX 番目のボードの後ろに別のプリズムを配置し、両方のボードを通過した光がプリズムを通過し、壁に当たる前に再びプリズム内で屈折するようにしました。そうしたら、私は最初のプリズムを手に取り、ほぼ軸の周りでゆっくりと前後に回転させました。これにより、XNUMX 番目のボードに落ちるイメージのさまざまな部分が、その穴を連続して通過し、観察できるようになりました。壁が投げられた場所は、光線の第 XNUMX プリズムです。そして、これらの場所を変えることによって、最初のプリズムによって最大の屈折が起こった画像の端に向かう光が、もう一方の端に向けられた光よりもはるかに大きな屈折をXNUMX番目のプリズムで経験することがわかりました. したがって、この画像の長さの真の理由が発見されました。これは、光が異なる屈折の光線で構成されているという事実に他なりません。発生の違いに関係なく、壁のさまざまな部分に入射します。それらの屈折度で...」

ニュートンが仮説と呼んださまざまな根拠のない「疑惑」は、最終的に彼を次の実験を行うというアイデアに導きました。分析の初めに太陽から細い白い光線を分離したのと同じように、今度は屈折した光線の一部を分離するというアイデアが彼の頭に浮かびました。これはスペクトル解析の XNUMX 番目で最も重要なステップでした。ニュートンは、経験上、スペクトルの紫色の部分が常に上部にあり、青がその下にあり、以下同様に下部の赤に至ることに気づき、XNUMX つの色の光線を分離し、それらを別々に研究しようとしました。ニュートンは非常に小さな穴の開いた板をプリズムのスクリーンに面する面に当て、それをプリズムに押し付けながら上下に動かし、例えば単色の隠蔽を難なく達成しました。、ボードの小さな穴を通過した唯一の赤い光線。新しい、さらに細い純粋な赤色の光線がさらなる調査の対象となりました。赤色光線を第 XNUMX プリズムに通過させます。ニュートンはそれらが再び屈折するのを見ましたが、今回はすべてがほぼ同じでした。ニュートンは、それがまったく同じであるとさえ考えました。つまり、単色の光線は完全に均一であると考えました。黄色、紫、その他すべての光線について実験を繰り返した結果、彼は最終的に、ある光線を別の色の光線から区別する主な特徴を理解しました。同じプリズムを通過すると、今度は赤い光線だけ、今度は紫色の光線だけ、というようにして、最終的に白色光は異なる屈折の光線で構成されており、屈折の度合いは光線の性質と密接に関係していると確信しました。彼らの色。赤色の光線の屈折が最も少なく、最も屈折の高い紫色まで続くことが判明しました。

ニュートンは、最大の発見の結論を次のように定式化しました。

「1. 光線の屈折度が異なるのと同じように、特定の色を示す傾向も異なります。色は（通常考えられている）自然体の屈折や反射から生じる光の性質ではありません。しかし、本質は自然で生来の資質であり、さまざまな光線で異なります...

2.同じ屈折度は常に同じ色に対応し、同じ色は常に同じ屈折度に対応します。また、色と屈折の関係は非常に正確で明確です。光線は、両方の点で正確に一致するか、比例して一致しないかのいずれかです。

3. 特定の種類の光線に固有の色のパターンと偏差の程度は、屈折や自然体からの反射、または私が観察できるその他の原因によって変化することはありません。

「ニュートンの理論は、精密科学としての物理学の発展を可能にした。ニュートンの理論は数学にますます近づき、哲学からますます遠ざかり始めた。それは王立科学雑誌で承認される出版前のことであった」とウラジミール・カルツェフは著書の中で書いている。社会、そこで聞かれ、議論されるべきです。これは8年1672月XNUMX日に起こりました...

... それはニュートンの最初の科学論文でした。このような小さな作品が受けた異常な共鳴、ニュートンの運命と科学全体の運命への多大な影響により、同時代の人々は科学研究の世界にもたらした新しいものをより詳しく見なければなりません.

この記事は、新しい科学の到来を示しています。新しい科学、根拠のない仮説のない科学であり、しっかりと確立された実験的事実とそれらに密接に関連する論理的推論のみに基づいています。さて、XNUMX世紀の終わりに、ニュートンによるこの小さな記事のセンセーショナルさと珍しさを理解することは困難です。しかし、XNUMX世紀の最も深い心は、「クレイジーなアイデア」という小文字ですぐに識別され、最終的には確立された習慣的なアイデアの爆発につながり、それがアリストテレスの形而上学に打ち勝ったのはつい最近のことです。

光線の異なる屈折の発見は、多くの科学的発見の出発点となりました。ニュートンのアイデアのさらなる発展は、最近、いわゆるスペクトル分析の発見につながりました。

著者: サミン D.K.

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