Дисперсия света
В 1665–1667 гг. в Англии свирепствовала эпидемия чумы, и молодой Исаак Ньютон решил укрыться от нее в своем родном Вулсторпе. Перед отъездом в деревню он приобрел стеклянные призмы, чтобы «произвести опыты со знаменитыми явлениями цветов».
Уже в I в. н. э.было известно, что при прохождении через прозрачный монокристалл с формой шестиугольной призмы солнечный свет разлагается в цветную полоску — спектр. Еще раньше, в IV в. до н. э., древнегреческий ученый Аристотель выдвинул свою теорию цветов. Он полагал, что основным является солнечный (белый) свет, а все остальные цвета получаются из него добавлением к нему различного количества темного цвета. Таким образом, по этой теории выходило, что цвета радуги сложные, а солнечный свет простой. Несмотря на создание стеклянных призм и опыты по разложению солнечного света, проводимые с их помощью различными естествоиспытателями, в науке вплоть до XVII в. продолжало господствовать учение Аристотеля о цвете.
Исследуя природу цветов, Ньютон придумал и выполнил целый комплекс различных оптических экспериментов. Замечательно, что некоторые из них пережили столетия, и их методика без существенных изменений используется в физических лабораториях до сих пор. Рассмотрим некоторые из них.
<addc>l</addc>
Первый опыт был традиционным. Проделав небольшое отверстие в ставне окна затемненной комнаты, Ньютон поставил на пути пучка лучей, проходивших через это отверстие, стеклянную призму. На противоположной стене он получил изображение в виде полоски чередующихся цветов. Полученный таким образом спектр солнечного света Ньютон разделил на семь цветов радуги — красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Установление именно семи основных цветов спектра в известной степени произвольно: Ньютон стремился провести аналогию между спектром солнечного света и музыкальным звукорядом. Если же рассматривать спектр без подобного предубеждения, то полоса спектра, скорее, распадается на три главные части — красную, желто‑зеленую и сине‑фиолетовую. Остальные цвета занимают сравнительно узкие области между этими основными. Вообще же человеческий глаз может различить в спектре солнечного света до 160 различных цветовых оттенков.
В последующих опытах Ньютону удалось соединить цветные лучи в белый свет. Для этого он пропустил лучи солнечного света сквозь призму (см. рис.), а затем вышедшие из нее цветовые лучи собрал с помощью собирающей линзы. Оказалось, что в месте соединения цветовых лучей, действительно, луч стал белого цвета. По прохождению этой точки цветовые лучи снова расходятся и располагаются в порядке, обратном обычному спектру.
В результате своих исследований Ньютон, в противоположность Аристотелю, пришел к убеждению, что при смешении «белизны и черноты никакого цвета не возникает…» Все цвета спектра содержатся в самом солнечном свете, а стеклянная призма лишь разделяет их, так как различные цвета по‑разному преломляются стеклом. Таким образом, Ньютон внёс поправку к известному ранее закону преломления света: показатели преломления на самом деле постоянны для двух заданных сред при любых углах падения, но они меняются при изменении цвета падающего луча. Наиболее сильно преломляются фиолетовые лучи, слабее всего — красные. Впоследствии ученые установили тот факт, что, рассматривая свет как волну, каждому цвету следует сопоставлять свою длину волны. Очень важно, что эти длины волн меняются непрерывным образом, соответствуя различным оттенкам каждого цвета.
Изменение показателя преломления среды в зависимости от длины распространяющейся в ней волны и называется дисперсией (от латинского глагола «рассеивать»). Для обычного стекла показатель преломления близок к 1,5 для всех длин волн видимого света. При этом его дисперсия такова, что при переходе от красного (λ ≃ 0,65 мкм) к фиолетовому (λ ≃ 0,44 мкм) цвету коэффициент преломления увеличивается от 1,514 до 1,534, т. е, всего на 1,3%.
Тем не менее этот один процент позволил ученым с помощью специальных приборов — спектрографов — получать важнейшую информацию о составе и свойствах различных веществ, изучая их спектры излучения и поглощения.
Опыты Ньютона и других ученых показывали, что с увеличением длины волны света показатель преломления исследуемых веществ монотонно уменьшается. Однако в 1860 г., измеряя показатель преломления паров иода, французский физик Леру обнаружил, что красные лучи преломляются этим веществом сильнее, чем синие. Это явление он назвал аномальной дисперсией света; в дальнейшем оно было обнаружено и во многих других веществах. В современной физике как нормальная, так и аномальная дисперсия света объясняются единым образом. Отличие этих двух явлений друг от друга заключается в том, что нормальная дисперсия происходит с лучами света, длина волны которых далека от области поглощения излучения данным веществом, а аномальная дисперсия наблюдается именно в области поглощения.
