Дисперсия света

Проведём небольшой эксперимент. Возьмём три одинаковые трёхгранные призмы и пропустим через них пучки монохроматического света различных цветов, например, красного, зелёного и фиолетового. Как видим, лучи фиолетового цвета испытают большее преломление по сравнению с зелёными.

А лучи красного цвета преломляются меньше всего. Это говорит нам о том, что угол преломления красных лучей больше, чем для лучей зелёного и фиолетового цветов. Тогда, из закона преломления света следует, что красный свет в среде распространяется быстрее. Но поскольку цвет, воспринимаемый человеческим глазом, определяется только частотой световой волны, то цвет при переходе из вакуума в вещество или из одного вещества в другое не изменяется.

Зависимость скорости распространения световых волн в среде (или зависимость показателя преломления среды) от частоты (или длины волны) света называют дисперсией света.

Впервые подробно исследовал дисперсию света сэр Исаак Ньютон. До Ньютона считалось, что цвет тела — это свойство самого тела. Например, Аристотель объяснял наличие различных цветов смешением белого света с определённым количеством темноты: немного темноты, добавленной к свету, даёт красный свет; большее количество темноты — и вот мы уже видим фиолетовый свет. И эта теория господствовала в плоть до середины XVII века.

В 1666 году Исаак Ньютон, занимаясь усовершенствованием телескопов, обратил внимание на интересный факт: изображение, получаемое с помощью объектива телескопа, по краям было окрашено. Предполагая, что это может быть как-то связано с явлением преломления света, он поставил небольшой эксперимент, который детально описал в трактате «Оптика»: «Я поместил в очень темной комнате у круглого отверстия около трети дюйма шириной в ставне окна стеклянную призму, благодаря чему пучок солнечного света, входившего в это отверстие, мог преломляться вверх к противоположной стене комнаты и образовывал там цветное изображение Солнца состоящее из ряда цветных полос плавно переходящих друг в друга».

Следуя многовековой традиции, согласно которой радуга считалась состоящей из семи основных цветов, Ньютон тоже выделил семь цветов: фиолетовый, синий, голубой, зелёный, жёлтый, оранжевый и красный. Саму же радужную полоску Ньютон назвал спектром.

Казалось бы, простейший опыт Ньютона показал, что белый свет является сложным: пройдя через призму, он разлагается на пучки различных цветов.

Однако не все приняли результаты опыта — слишком уж необычным казалось это предположение. Основные вопросы сводились к следующему: почему белый свет, входящий в призму, выходил из неё в виде цветной полосы, содержащей именно семь цветов; почему круглый в сечении пучок после преломления в призме оказался существенно растянутым в длину; и, может это вещество, из которого изготовлена призма, окрашивает белый свет?

Для решения всех этих вопросов Ньютон провёл ещё несколько простых, но в то же время гениальных экспериментов. В начале он на пути пучка, прошедшего через призму, поместил собирающую линзу. Пройдя через неё пучок разноцветных лучей в точке схождения вновь становился белым. Такой же результат давала и вторая призма, повёрнутая на 180^о относительно первой. Таким образом было доказано, что свет действительно имеет сложную структуру.

Следующие опыты Ньютона были посвящены изучению влияния вещества призмы на характер окрашивания светового пучка. Закрыв отверстие красным стеклом, Ньютон наблюдал на стене только красное пятно, закрыв синим стеклом — синее пятно и так далее. Это означало, что не призма окрашивает белый свет, так как она не может влиять на цвет светового пучка.

Отдельные цветные лучи, которые после прохождения призмы не разлагались на составляющие, были названы простыми или монохроматическими.

Опытным путём Ньютон нашёл ответ и на ещё один важный вопрос: почему пучки разных цветов по-разному отклоняются призмой? В своём фундаментальном трактате «Оптика» Ньютон так сформулировал полученный им вывод: «Световые пучки, отличающиеся по цвету, отличаются по степени преломляемости. В наибольшей степени преломляются фиолетовые пучки, в наименьшей красные».

Однако и эти опыты не смогли убедить некоторых сторонников Аристотеля. Например, выдающийся немецкий поэт и видный естествоиспытатель Иоганн Гёте писал: «Утверждение Ньютона — это чудовищное предположение. Не может быть, что самый прозрачный, самый чистый цвет — белый — оказался смесью цветных лучей». Поэт считал, что исследованный Ньютоном свет — это свет, «замученный всякого рода орудиями пытки — щелями, призмами и линзами».

Друзья, избегайте тёмной комнаты,

Где вам искажают свет

И самым жалким образом

Склоняются перед искажёнными образами.

Ранее мы с вами показали, что показатель преломления среды зависит от скорости света в веществе. Следовательно, пучок фиолетового цвета преломляется в большей степени потому, что фиолетовый цвет имеет в веществе наименьшую скорость. Красные же лучи преломляются меньше других потому, что их скорость в веществе наибольшая. Это означает, что показатель преломления вещества, из которого сделана призма, зависит не только от свойств самого вещества, но и от частоты проходящего через него света.

С помощью дисперсии света объясняются многие явления природы, например, радуга. Она является одним из самых красивых явлений природы и поэтому поэтизировалась многими народами:

Как неожиданно и ярко,

На влажной неба синеве,

Воздушная воздвиглась арка

В своём минутном торжестве!

Один конец в леса вонзила,

Другим за облака ушла — Она полнеба обхватила

И в высоте изнемогла.

Фёдор Тютчев

Радуга возникает из-за того, что солнечный свет преломляется и отражается капельками воды, парящими в атмосфере. Эти капельки по-разному отклоняют свет разных цветов, в результате чего белый свет разлагается в спектр.

Наблюдатель, который стоит спиной к источнику света, видит разноцветное свечение, которое исходит из пространства по концентрическим окружностям (дугам). При этом радуга появляется только в том случае, если угловая высота Солнца над горизонтом не превышает 42^о.

Дисперсией света объясняется возникновение и такого явления, как гало. Его можно наблюдать зимой в виде кругов, столбов или крестов вокруг Солнца и Луны. Здесь дисперсия происходит в ледяных кристалликах на высоте около 10 км в верхних слоях тропосферы.

Дисперсия присуща всем средам, кроме вакуума. Её можно представить в виде зависимости показателя преломления вещества от частоты падающего света. Как показали различные опыты, для большинства веществ показатель преломления уменьшается с уменьшением частоты. Причём зависимость эта нелинейная. Дисперсию такого рода называют нормальной.

Однако в парах йода и в некоторых жидкостях учёные наблюдали и аномальную дисперсию. При такой дисперсии показатель преломления увеличивается с увеличением длины волны. Проще говоря, в них скорость распространения красных лучей меньше, чем фиолетовых.

В настоящее время, для получения хороших и ярких дисперсионных спектров используются специальные оптические приборы — спектроскопы и спектрографы. Первый спектроскоп был изобретён в 1815 году немецким физиком Йозефом Фраунгофером. Он состоял из окуляра, зрительной трубы, двух объективов, коллиматора и дифракционной щели.

В оригинальном дизайне спектроскопа свет, прошедший через щель, расположенную в фокальной плоскости коллиматорной линзы, преобразовывался в тонкий световой пучок и попадал на призму. Из призмы выходят уже параллельные пучки разного направления, которые, преломившись в линзе зрительной трубы, образуют в её фокальной плоскости изображение щели. Если исследуется белый свет, то изображения щели сливаются в одну цветную полосу всех основных цветов. Если же исследуемый свет является монохроматическим, то спектр получается в виде узких линий, разделённых широкими тёмными промежутками.

Таким образом, с помощью призмы, как и с помощью дифракционной решётки, можно получить спектр некоторого излучения. Однако в дисперсионном и дифракционном спектрах имеются различия:

1) для дифракционного спектра можно создать равномерную шкалу по λ. Для дисперсионного спектра этого сделать нельзя, так как зависимость показателя преломления от длины волны является нелинейной функцией.

2) в дисперсионном спектре большее отклонение от первоначального направления испытывают фиолетовые лучи, в дифракционном же — красные.

3) в дифракционном спектре наблюдается несколько порядков спектра, в дисперсионном — один.

Итак, мы уже выяснили, что окружающий нас мир является красочным именно потому, что солнечный свет является сложным. Но всё же пока не ясно, почему же окружающий нас мир пестрит различными красками. И почему различные предметы, освещённые одним и тем же солнечным светом, имеют разный цвет?

Чтобы разобраться в этом, получим на экране спектр белого света. Теперь возьмём цветную бумажную полоску (например, зелёного цвета) и закроем ей часть спектра. Обратите внимание на то, что цвет полоски остался зелёным только в той области спектра, где на неё падают зелёные лучи. В жёлтой области спектра наша бумажка изменила оттенок. А в остальных частях спектра она выглядит тёмной.

Это говорит нам о том, что тела, имеющие зелёную окраску, способны отражать в основном лучи зелёного цвета, а остальные поглощают. Аналогично тела, имеющие красную окраску, в основном отражают красные лучи. Белые тела, которые освещаются дневным светом, в равной степени отражают лучи всех цветов, поэтому мы их и видим белыми. Чёрные же тела, наоборот, поглощают практически все падающие на них лучи. Что касается прозрачных тел, то их цвет обусловлен составом того цвета, который прошёл через них.