Spektras: regimosios šviesos apibrėžimas, prizmė ir vaivorykštė

Šiame straipsnyje rašoma apie regimąjį spektrą. Apie visus kitus naudojimo būdus žr: spektrą (disambiguation)

Spektras (daugiskaita: spektrai) – tai šviesos sudedamųjų spalvų rinkinys, kurį paprastai apibūdina spalvų juosta: violetinės, indigo, mėlynos, žalios, geltonos, oranžinės ir raudonos. Kai balta šviesa praleidžiama per prizmę arba kitą sklaidą sukeliančią sistemą, ji išsisklaido į šias sudedamąsias spalvas; tokį reiškinį vadiname regimuoju spektru. Regimasis spektras yra tik maža didesnio elektromagnetinio spektro dalis.

Kaip susidaro spektras

Spektro susidarymo priežastis – lūžio rodiklio priklausomybė nuo bangos ilgio (tas pats reiškinys vadinamas dispersija). Medžiagos, iš kurios pagaminta prizmė, lūžio rodiklis n priklauso nuo šviesos bangos ilgio: trumpesnioji (mėlynesnė) šviesa patiria didesnį lūžį negu ilgesnioji (raudenė). Dažniausiai prizmės medžiagos lūžio rodiklis yra didesnis už oro lūžio rodiklį (apytiksliai _{n_air} ≈ 1), todėl prizmėje šviesa sklinda šiek tiek lėčiau nei joje esančioje aplinkoje. Lūžio kampą galima apskaičiuoti iš kritimo kampo ir lūžio rodiklių pagal Snelio dėsnį, o išsiskyrimo laipsnis priklauso nuo to, kiek skiriasi lūžio rodikliai įvairiems bangos ilgiams.

Praktinis pasekmė: raudona šviesa (ilgiausias regimojo spektro bangos ilgis) lūžta mažiausiai ir bus arčiausiai normalės (statmenos paviršiui), o violetinė (trumpiausias matomas bangos ilgis) bus lenkiama labiausiai. Tipiškai regimojo spektro bangos ilgio ribos laikomos maždaug 380–750 nm, o spalvų intervalai apytiksliai:

• violetinė: ~380–450 nm
• mėlyna: ~450–495 nm
• žalia: ~495–570 nm
• geltona: ~570–590 nm
• oranžinė: ~590–620 nm
• raudona: ~620–750 nm

Natūralūs ir dirbtiniai spektro pavyzdžiai

Natūralus spektro pavyzdys yra vaivorykštė, kuri susidaro, kai saulės šviesa laužoma ir atspindima mažyse vandens lašelių paviršiuose. Žodį spektras pirmieji plačiai pavartojo optiką tyrinėjantys mokslininkai (įskaitant Izaaką Niutono), apibūdindami matomos šviesos vaivorykštės spalvas, kai jos atskiriamos naudojant prizmę.

Spektro išskyrimas nebūtinai reiškia prizmę: šviesą į sudedamąsias dalis galima atskirti ir naudojant difrakcines groteles, interferencines sistemas ar spektrinius filtrus. Difrakcinės grotelių ir interferencinės priemonės pasiekia atskyrimą per bangų interferenciją, o prizmė – per medžiagos dispersiją.

Spektro rūšys ir stebėjimai

Reikia skyryti dvi dažnai sutinkamas sąvokas:

• Tęstinis (kontinuolus) spektras – kai šviesa skleidžiama kaip plataus diapazono balta šviesa (pvz., saulė), rezultatas yra nuosekli spalvų juosta be aiškių linijų.
• Linijinis arba diskretus spektras – kai šviesa sklinda iš sujautrintų atomų ar molekulių (pvz., dujos išmestos aukštos temperatūros sąlygomis), matome ryškias emisines ar absorbcines linijas konkrečiuose bangos ilgiuose. Tokie spektrai naudojami medžiagos cheminiam identifikavimui.

Žmogaus suvokimas ir praktinė reikšmė

Realiame gyvenime spalvos, kurias mes matome, priklauso ne tik nuo spektro, bet ir nuo žmogaus regos sistema—įvairios bangos ilgio mišinių gali būti suvokiamos kaip ta pati spalva. Be to, pigmentai ir dažai veikia kitokiu principu (subtrakcine mišinio sistema) nei šviesos sumavimas (addityvinė sistema), todėl „spektro spalva“ gali skirtis nuo spalvos, gaunamos maišant pigmentus.

Spektro analizė yra labai svarbi moksle ir technikoje: astronomijoje spektrai atskleidžia žvaigždžių cheminį sudėjimą ir judėjimą (raudonasis/pelės shift), chemijoje — medžiagų identifikaciją ir koncentracijas, medicinoje — diagnostiką ir kt. Spektrometrai, spektrografai ir spektroskopija – tai pagrindiniai instrumentai, kurie leidžia išmatuoti šviesos intensyvumo paskirstymą pagal bangos ilgį.

Pastabos ir papildoma informacija

Vaivorykštė visuomet susidarys ta pačia spalvų tvarka: raudona, oranžinė, geltona, žalia, mėlyna, indigo, violetinė — tokia tvarka yra rezultatas dispersijos reikšmės priklausomybės nuo bangos ilgio. Daugelis šiuolaikinių aprašymų praleidžia indigo kaip atskirą kategoriją, tačiau istoriškai jis buvo įtrauktas Niutono klasifikacijoje.

Jei norite gilintis į susijusias temas, straipsnyje minimi ryšiai su elektromagnetiniu spektru, prizmėmis, lūžio rodikliu ir Snelio dėsniu bei vaivorykštėmis gali suteikti papildomos informacijos.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra spektras?

K: Kas yra spektroskopija?

K: Kas lemia baltos šviesos skaidymą į sudedamąsias spalvas?

K: Kaip pagal Snelio dėsnį nustatomas šviesos lūžio kampas?

K: Kodėl raudona spalva atrodo arčiausiai linijos, statmenos paviršiaus medžiagai?

Klausimas: Ar visada prizmės sukuriamos vaivorykštės yra tam tikros tvarkos?

Paieška pagal raidę