Дисперсия света в физике, спектр и призма Ньютона: что это такое

Причины окраски вещей в разные цвета тревожили умы людей издревле. До XVII века в этой области царила неразбериха, пока Декарт и Ньютон не прояснили вопрос. Рассмотрим, что такое дисперсия света, историю открытия явления, её практическое применение.

Дисперсия света: что это в физике

Проводя очередной опыт, Ньютон понял, что нужно для совершенствования линз телескопа. Он задействовал зеркало – рефлектор, которое ослабило эффект окрашивания краёв линз по периметру. Занявшись исследованием этой окраски, учёный открыл явление разложения света в спектр.

Дисперсия света – это явление, которое описывает расщепление электромагнитного излучения видимого для человеческого глаза спектра, когда коэффициент преломления диктуется частотой волны. Световые волны с разной частотой – цветом излучения – преломляются под разным углом, распространяются в физической среде (не идеальном вакууме) с различной скоростью.

Смысл открытия Ньютона объясняет следующий опыт. Световой поток от источника через узкое отверстие через линзу фокусируется на белом экране прямоугольной формы. Между линзой и экраном размещается призма Ньютона так, чтобы свет падал на её ребро. Вследствие, световое пятно трансформируется в разноцветную полосу со всеми цветами радуги: от красного до фиолетового. Этот разложенный пучок белого света на цвета назвали спектром.

Если щель накрыть цветным стеклом – вместо белого света на призму будет попадать окрашенный в определённый цвет, вместо спектра появится тонкий прямоугольник, отклонённый в сторону. Причем угол смещения зависит от частоты волны – цвета потока или стекла.

Вследствие дальнейших опытов Ньютон сделал вывод, что существуют простые цвета – не разлагаются при прохождении сквозь призму, и сложные – расщепляются на простые с разным углом преломления. Солнце излучает белый свет, который разлагается призмой на простые – спектр.

Дисперсия объясняет образование радуги, «покраснение» солнца и прочие метеорологические явления – капли воды расщепляют солнечные лучи. Круги вокруг космических тел (Солнца, Луны), появляющиеся в морозную погоду – следствие дисперсии.

Фиолетовый свет медленнее остальных распространяется в среде, обладает максимальным коэффициентом преломления, у красного наибольшая фазовая скорость и минимальная степень преломления. Бывают исключения из правил, например, пары йода и иных газов сильнее поглощают световой поток на одних частотах и слабее на других.

Формула дисперсии света

Французский учёный Огюст Коши разработал формулу дисперсии света или преломления волн в зависимости от среды:

n = a + \frac { b } { \lambda^2} + \frac { с } { \lambda^4}, здесь:

• n – коэффициент преломления среды;
• a, b, c – постоянная, уникальная для каждого материала.

Для большинства расчётов достаточно двух первых слагаемых. Существуют более сложные формулы, повышающие точность расчётов, но они применяются в практических целях, не для решения школьных задач.