Η ανάλυση του ηλιακού φωτός με πρίσμα από τον Νεύτωνα

Πείραμα Νο 4:

Σε ηλικία μόλις 23 ετών, ο Isaak Newton απέδειξε με μια σειρά από ιστορικά πειράματα ότι το λευκό φως είναι μίγμα  επτά χρωμάτων. 
To 1666, ο Νεύτωνας βρίσκονταν στο πατρικό του σπίτι, το Woolsthorpe στο Lincolnshire, σε αναγκαστικές διακοπές  από τις απαιτήσεις των σπουδών του στο Καίμπριτζ, λόγω επιδημίας πανώλης . Εκεί αφιέρωσε αρκετό χρόνο σε πειράματα Οπτικής χρησιμοποιώντας τριγωνικά πρίσματα. Από τις δημοσιεύσεις του, και κυρίως από όσα αναφέρει στο βιβλίο του Opticks (δημοσιεύτηκε για πρώτη φορά το 1704), γνωρίζουμε επακριβώς την πειραματική διάταξη που χρησιμοποίησε καθώς και τα αποτελέσματα που κατέγραψε.
Ο Νεύτωνας αρχικά δημιούργησε συσκότιση σε ένα δωμάτιο.
Έπειτα, ανοίγοντας μια μικρή τρύπα διαμέτρου περίπου 6 cm  σε ένα πέτασμα που κάλυπτε ένα παράθυρο του δωματίου, άφησε μόνο μια στενή δέσμη φυσικού φωτός να διαδοθεί μέσα στο σκοτεινό δωμάτιο, διαμέσου της τρύπας. Στον απέναντι από την τρύπα τοίχο σχηματίστηκε μια λευκή κηλίδα της ίδιας διαμέτρου με την τρύπα.  Όταν όμως στην πορεία της δέσμης τοποθέτησε ένα γυάλινο πρίσμα παρατήρησε ότι στη θέση της λευκής κηλίδας σχηματίστηκε μια χρωματιστή ταινία που είχε πάχος όσο και η διάμετρος της τρύπας και πενταπλάσιο μήκος.Η ταινία στο ένα άκρο ξεκινούσε με κόκκινο χρώμα και κατάληγε στο ιώδες περνώντας ενδιάμεσα από το πορτοκαλί, το κίτρινο, το πράσινο, το γαλάζιο και το κυανό. Με το πείραμα αυτό ο Νεύτωνας   διαπίστωσε ότι το φως αναλυόταν  σε  διαφορετικά χρώματα (φάσμα του λευκού φωτός). 

O Newton και το πρίσμα, σχέδιο του George Romney (1796)

Χαρακτικό του Robert Michell Meadows στο αρχικό σχέδιο του G. Romney (1809)

Το πείραμα του Νεύτωνα βασίστηκε στην ιδιότητα του  πρίσματος να διαθλά κατά διαφορετική γωνία τα διάφορα χρώματα.
Όταν τα χρώματα διαχωρίστηκαν, ο Νεύτωνας χρησιμοποίησε ένα δεύτερο πρίσμα με την ακμή του αντίθετα προσανατολισμένη για να τα διαθλάσει ξανά ώστε να δημιουργήσει και πάλι λευκό φως.  Με το πείραμα αυτό διέψευσε αυτό που πίστευαν πολλοί, ότι δηλαδή το πρίσμα ήταν αυτό που πρόσθετε  χρώματα στο φως.

Σκίτσο από την επιστολή του Νεύτωνα προς την Βασιλική Εταιρεία. Το S αντιπροσωπεύει το ηλιακό φως. Το φως μεταξύ των περιοχών BC και DE είναι έγχρωμο. Αυτά τα χρώματα ανασυνδυάζονται για να σχηματίσουν το φως του ήλιου στο παράθυρο GH

Με ένα τρίτο πείραμα που χαρακτηρίστηκε ως το "κρίσιμο πείραμα" / experimentum crucis
ο Νεύτωνας απέδειξε οριστικά ότι το πρίσμα  δε δημιουργούσε χρώματα αλλά απλώς διαχώριζε τα χρώματα που υπήρχαν στην αρχική ακτίνα φωτός. Χρησιμοποιώντας μια σανίδα με μικρές τρύπες  πέρασε μέσα από αυτή μόνο το ένα χρώμα, το ερυθρό, το οποίο πέφτοντας σε ένα δεύτερο πρίσμα διαπίστωσε ότι η ερυθρότητα  παρέμενε αμετάβλητη.

Σκίτσο του Νεύτωνα με το experimentum crucis

Ο ίδιος ο Νεύτωνας γράφει:

"Κύριοι,

Προκειμένου να εκπληρώσω την τελευταία υπόσχεση που σας έδωσα, θα σας γνωστοποιήσω, χωρίς άλλες τυπικότητες, ότι κατά την αρχή του έτους 1666 (οπότε ασχολήθηκα επίμονα με το τρόχισμα γυαλιών οπτικής σε σχήματα διαφορετικά από τα σφαιρικά) προμηθεύτηκα ένα τριγωνικό γυάλινο πρίσμα για να προσπαθήσω με τη βοήθειά του να ερευνήσω τα περίφημα φαινόμενα του φωτός.

Και, για το σκοπό αυτό, σκοτείνιασα το δωμάτιό μου και έφτιαξα μια μικρή τρύπα στο κάλυπτρο του παραθύρου μου, ώστε να αφήσω να εισέλθει η κατάλληλη ποσότητα φωτός του ήλιου, και τοποθέτησα το Πρίσμα μου στην είσοδο της φωτεινής δέσμης, με τρόπο ώστε αυτή να υποστεί διάθλαση και να προβληθεί στον απέναντι τοίχο. Ήταν αρχικά πολύ ωραίο να βλέπει κανείς τα ζωηρά και έντονα χρώματα που παράχθηκαν με αυτόν τον τρόπο.

Αλλά στη συνέχεια, καθώς ασχολήθηκα επίμονα με το να τα εξετάσω πιο προσεκτικά, εξεπλάγην, γιατί τα είδα να διατάσσονται σε μορφή παραλληλογράμμου, το οποίο σύμφωνα με τους ήδη αποδεκτούς νόμους της διάθλασης θα περίμενα να ήταν κύκλος .... 

.... πήρα ένα άλλο πρίσμα σαν το προηγούμενο και το τοποθέτησα με τέτοιον τρόπο, ώστε το φως περνώντας διαμέσου και των δύο να υποστεί διάθλαση με αντίθετο τρόπο και έτσι με τη βοήθεια του δεύτερου πρίσματος να επιστρέψει στην αρχική διεύθυνση από την οποία το πρώτο πρίσμα το είχε εκτρέψει. Με αυτόν τον τρόπο πίστευα ότι η κανονική επίδραση του πρώτου Πρίσματος θα εξουδετερωνόταν από το δεύτερο Πρίσμα, αλλά η εκτροπή η οφειλόμενη σε ανωμαλίες των Πρισμάτων θα μεγεθυνόταν από τη διπλή διάθλαση.

Το αποτέλεσμα ήταν ότι το φως το οποίο διασκορπίστηκε από το πρώτο Πρίσμα σε μορφή ορθογωνίου περιορίστηκε από το δεύτερο σε μια στρογγυλή δέσμη με τέτοια κανονικότητα σαν να μην είχε περάσει καθόλου μέσα από τα πρίσματα." 

Απόσπασμα από γράμμα του Νεύτωνα που γράφτηκε το 1671-2, προς στο επιστημονικό περιοδικό της εποχής PHILOSOPHICAL TRANSACTIONS

 
 

Το τελικό συμπέρασμα ότι το λευκό φως αποτελείται από χρώματα ο Νεύτωνας επιβεβαίωσε με τον γνωστό

τροχό του Νεύτωνα, δηλαδή έναν δίσκο ο οποίος έχει στην επιφάνειά του κυκλικούς τομείς βαμμένους με τα επτά χρώματα.

Στα λατινικά τα χρώματα αυτά είναι: Rubeus ,Aureus, Flavus,  Viridis, Caeruleus, Indicus, Violeus.

 
 Πηγές:
atlaswikigr.wikifoundry.com/.../Στο+δωμάτιο+του+Νεύτωνα
http://www.tovima.gr/science/article/?aid=370181
http://www.departments.bucknell.edu/history/carnegie/newton/refraction.html

Το πείραμα του Young για την συμβολή του φωτός

Πείραμα Νο 5:

Μέχρι τις αρχές του 19ου αιώνα, η φύση του φωτός αν δηλαδή το φως ήταν σωματίδιο ή κύμα δεν είχε αποσαφηνιστεί.  Ο Isaak Newton θεωρούσε ότι το φως αποτελούνταν από σωματίδια, ενώ ο Ολλανδός φυσικός  Christian Huygens θεωρούσε το φως κύμα.

Το  1801 ο Thomas Young,  Άγγλος γιατρός και φυσικός, πρότεινε ένα πείραμα, το γνωστό και ιστορικό πείραμα των δύο σχισμών, με το οποίο απέδειξε αδιαμφισβήτητα την κυματική φύση του φωτός.

Στην πρώτη έκδοση του πειράματος, ο Γιανγκ δεν χρησιμοποίησε δύο σχισμές. Αρχικά έκανε μία τρύπα σε ένα παραθυρόφυλλο και το κάλυψε με ένα κομμάτι χαρτόνι στο οποίο είχε επίσης σχηματίσει μία μικρή τρύπα. Για για να εκτρέψει την ακτίνα φωτός που έμπαινε από την τρύπα αυτή  χρησιμοποίησε έναν καθρέφτη. Στη συνέχεια πήρε μία λεπτή κάρτα και την τοποθέτησε με την κόψη της στη διαδρομή της ακτίνας, χωρίζοντάς την στα δύο. Το φως που διέρχεται από τη μία πλευρά της κάρτας παρεμβαίνει με το φως από την άλλη πλευρά της κάρτας για να δημιουργήσει στον απέναντι τοίχο μια  σκιά που παρουσίαζε φωτεινές και σκοτεινές ζώνες. Το φαινόμενο μπορούσε να εξηγηθεί μόνο με την υπόθεση οι δύο φωτεινές δέσμες αλληλεπιδρούσαν σαν κύματα.

Σχήμα από τη δημοσίευση βιβλίου σχετικά με τις διαλέξεις που έδωσε ο Thomas Young το 1802 στο Βασιλικό Ίδρυμα του

Λονδίνου.Δημοσιεύτηκε το 1807 με τίτλο

"A Course of Lectures on Natural Philosophy and the Mechanical Arts". 

Σε επόμενες επαναλήψεις του πειράματος ο Γιανγκ χρησιμοποίησε δύο διαφράγματα, ένα με χαραγμένη μία σχισμή και ένα άλλο με χαραγμένες δύο σχισμές. Τοποθέτησε τα δύο διαφράγματα παράλληλα μεταξύ τους και προσανατόλισε το δεύτερο έτσι ώστε οι δύο σχισμές του να είναι παράλληλες με τη σχισμή του πρώτου. Τοποθέτησε μια πηγή φωτός πίσω από το διάφραγμα με τη μία σχισμή και παρατήρησε ότι στον τοίχο απέναντι από το δεύτερο διάφραγμα εμφανίστηκε μία ταινία από χρωματιστές και σκοτεινές γραμμές, που συνήθως ονομάζονται συνολικά κροσσοί συμβολής. Όταν αφαιρούσε το διάφραγμα με τις δύο σχισμές, εξαφανίζονταν και οι κροσσοί αφήνοντας στη θέση τους λευκό φως· και όταν το τοποθετούσε ξανά, εμφανίζονταν και πάλι οι κροσσοί.  Η ερμηνεία που έδωσε ήταν ότι αυτό που παρατηρούσε ήταν το φαινόμενο συμβολής δύο πηγών κυμάτων, η καθεμιά από τις οποίες συνέπιπτε με μία από τις σχισμές του δεύτερου διαφράγματος. 

Σχηματική απεικόνιση του πειράματος των δύο σχισμών. Πηγή: Wikipedia