Дисперсия света

Наблюдение дисперсии света

Со времен Аристотеля ученых занимал вопрос о природе цветов. Многими естествоиспытателями было замечено, что в процессе преломления света прозрачными телами возникала радужная полоса. Белый свет в то время считали простым, т. е. не состоящим из излучения различных цветов. Возникновение радужных полосок в процессе преломления белого света долгое время объясняли тем, что вещество призмы в процессе преломления изменяет свойства света, делая его окрашенным в различные цвета. Только в 1648 г. чешский физик И. М. Марци (1595-1667) установил, что лучи разных цветов преломляются по-разному и в дальнейшем лучи, прошедшие через призму, более не разлагаются. Однако работы Марци не получили известности в Европе.

Первым систематическим исследованием «преломляемости лучей различных цветов» стали работы И. Ньютона, выполненные им около 1672 г. Схема опыта Ньютона приведена на рис. 20. Ньютон направил луч солнечного света, прошедший через отверстие, на призму Рь затем окрашенный луч он направил на призму Р2. В результате окрашенный луч не был развернут в спектр и его цвет вообще не изменился. Тем самым было доказано, что, как писал сам Ньютон, «лучи, различающиеся по цвету, различаются и по степеням преломляемости». Сейчас мы знаем, что цвета различаются длиной волны излучения и, говоря современным языком, Ньютон открыл зависимость показателя преломления света от длины волны.

Оптическая схема опыта Ньютона

Рис. 20. Оптическая схема опыта Ньютона

Зависимость показателя преломления от длины волны излучения называется дисперсией. Показатель преломления вещества зависит от длины волны:

Величина показателя преломления определяется скоростью распространения света в среде,

где с - скорость света в вакууме; и — скорость света в рассматриваемой среде. Поэтому можно считать, что дисперсия есть зависимость скорости света в среде от свойств среды.

И. Ньютон установил, что показатель преломления света зависит от длины волны. Согласно Ньютону, синие лучи преломляются сильнее, чем красные. То есть показатель преломления растет с уменьшением длины волны. Этот результат математически можно записать так:

Однако недостаточная точность использованного метода привела Ньюто-

дп

на к неверному выводу о том, что величина - одинакова для всех про-

дЛ

зрачных тел.

Неоднократно предпринимались попытки установить зависимость п(А,), основываясь на экспериментальных данных. В начале XIX в., исходя из экспериментальных данных Френеля, знаменитый математик Коши получил формулу

где Ло - длина волны света в вакууме, А, В, С - экспериментально определяемые константы, зависящие от рода вещества. Эта формула достаточно хорошо описывает дисперсию света во многих случаях и для достижения приемлемой точности обычно достаточно определения двух произвольных констант, А и В.

Во многих случаях (а в то время - во всех известных случаях) наблюдается соотношение

При таких зависимостях п(Л) дисперсия называется нормальной.

В середине XIX в. было установлено, что у ряда веществ в некоторой области спектра наблюдается аномальная зависимость п(Я), когда показатель преломления растет с ростом длины волны:

Впервые это наблюдал французский физик Леру, исследуя прохождение света через пары йода. Подобная зависимость п(Л) получила название аномальной дисперсии.

Зависимость п(Я) для двух красителей. Аномальная дисперсия наблюдается вблизи полос поглощения. Рисунок из книги [3]

Рис. 21. Зависимость п(Я) для двух красителей. Аномальная дисперсия наблюдается вблизи полос поглощения. Рисунок из книги [3]

Позднее подобная аномальная зависимость п(Л) была обнаружена у различных красителей (анилин, фуксин, цианин). Аномальная дисперсия наблюдается в веществах, имеющих яркую цветную окраску. Наличие цветной окраски означает, что при падении белого света на поверхность тела некоторые спектральные составляющие белого света отражаются поверхностью, другие же поглощаются. Если тело поглощает волны из красной части спектра лучше, чем из синей, то в отраженном свете оно будет иметь синюю окраску. То есть цветная окраска тела означает, волны с некоторой длиной хорошо поглощаются этим веществом. Длину волны излучения, для которой наблюдается сильное поглощение веществом, называют спектральной линией поглощения.

Было установлено, что аномальная дисперсия света наблюдается в той части спектра, в которой данное вещество сильно поглощает световую энергию, т. е. вблизи полос поглощения. Для прозрачных веществ, таких как многие газы, втекло, вода, аномальная дисперсия не наблюдается. Этот факт также требовал теоретического объяснения.

Выводы

  • 1. При длинах волн оптического излучения, далеких от линий интенсивного поглощения света веществом, показатель преломления убывает с ростом длины световой волны. Такая зависимость показателя преломления от длины волны называется нормальной дисперсией.
  • 2. Если длина волны света близка к линии поглощения, показатель преломления растет с ростом длины волны. Такая зависимость показателя преломления от длины волны называется аномальной дисперсией.

Контрольные вопросы

  • 1. Что такое дисперсия?
  • 2. Что такое нормальная дисперсия?
  • 3. Что такое аномальная дисперсия?
  • 4. В каких экспериментах можно наблюдать дисперсию?
  • 5. Запишите эмпирическую формулу Леру-Коши для дисперсии. Как определяются константы в этой формуле?
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >