Дисперсия света: что это такое, причины, примеры

Дисперсия света (разложение света; светорассеяние) – это разложение света в спектр, обусловленное зависимостью показателя преломления среды от частоты световой волны.

Наверное, вы уже наблюдали явление образования разноцветной дуги в небе – радугу. Если нет, то, возможно, вы видели разноцветные капли росы солнечным утром. Если вам не нравится дождь и вы не любите вставать по утрам, поставьте перед собой стакан с газированной минеральной водой так, чтобы его освещали солнечные лучи. Затем вы увидите, что пузырьки газа в стекле меняют свой цвет и светятся. Все эти явления являются проявлениями разложения (дисперсии) света.

Разложение солнечного света с помощью призмы, проведенное Ньютоном в 1665-66 годах, было признано научным миром как один из десяти самых красивых экспериментов в истории физики. Таким образом, ученый продемонстрировал, что белый свет на самом деле представляет собой смесь цветов. При этом повторное соединение всех цветов в спектре дает белый свет.

Разложение белого света

Физиком, который впервые доказал, что белый свет представляет собой смесь различных цветов, был Исаак Ньютон, первооткрыватель закона всемирного тяготения. Именно Ньютон использовал призму в своем эксперименте.

Призма – это твердое тело из оптически прозрачного материала (обычно стекла), представляющее собой призму с треугольным основанием. Когда свет проходит через призму, он преломляется дважды: сначала на границе раздела воздух-стекло (при входе в призму), а затем на границе раздела стекло-воздух (при выходе из призмы). Ход светового луча в призме показан на рисунке 1 ниже.

Путь луча света в призме
Рис. 1. Путь луча света в призме

Опыт. Как и почему рассеивается свет?

Проверим гипотезу о том, что белый свет разлагается, потому что он представляет собой смесь основных, простых цветов.

Что вам понадобится?

  • источник белого света (светодиодный фонарик, проектор);
  • щель;
  • призма с подставкой;
  • экран.

Инструкция.

  1. Расположите щель вертикально непосредственно за источником света.
  2. Направьте источник света на одну стенку призмы.
  3. Расположите экран так, чтобы свет падал на него после прохождения через призму.

Вывод, который получим в результате опыта.

На экране мы наблюдаем так называемый спектр белого света, который представляет собой набор цветов от фиолетового до красного в результате дисперсии пучка белого света. Таким образом, белый свет представляет собой смесь цветов.

Каков механизм формирования спектра белого света? Луч света, представляющий собой смесь цветов, претерпевает двойное преломление при прохождении через призму (см. рисунок 2). Каждый компонент преломляется под разным углом, поскольку скорость его распространения меняется при переходе из одной среды в другую.

Механизм формирования спектра белого света при прохождении через призму
Рис. 2. Механизм формирования спектра белого света при прохождении через призму

Помните! При прохождении через призму фиолетовый свет отклоняется от своего первоначального направления в наибольшей степени, а красный – в наименьшей.

Дисперсия света уже происходит, когда белый свет попадает в призму. При выходе из призмы углы преломления, под которыми цветовые компоненты белого света покидают призму, увеличиваются, делая явление более заметным.

Дисперсия света может объяснить многие явления, наблюдаемые в природе, например, образование радуги.

Причина дисперсии света

Причина разложения белого света через призму заключается в следующем: свет разных цветов и, следовательно, разных длин волн имеет разную скорость распространения в материале, например, в стекле. В том же стекле, например, скорость распространения синего света ниже, чем красного.

Следовательно, согласно закону преломления света, синий свет преломляется сильнее, чем красный. В результате различного преломления разных частей белого света, свет разворачивается веером, образуя спектр. Это также называется спектром призмы. При использовании белого света создается непрерывный спектр.

Длины волн и частоты спектральных цветов

Видимый нами диапазон спектра охватывает диапазон длин волн от 390 нм до 780 нм. Это соответствует диапазону частот от 7,7⋅1014 Гц до 3,8⋅1014 Гц.

В направлении более длинных волн (более коротких частот) присоединяется инфракрасный свет, а в направлении более коротких волн (более высоких частот) присоединяется ультрафиолетовый свет.

На рисунке 3 приведены частоты и длины волн для шести спектральных цветов. Из данных видно, что каждый спектральный цвет охватывает определенный диапазон длин волн.

Поэтому необходимо проводить различие между светом спектрального цвета (всегда включает в себя диапазон длин волн) и светом определенной длины волны (всегда является частью света спектрального цвета).

Частоты и длины волн спектральных цветов
Рис. 3. Частоты и длины волн спектральных цветов

Проблемы, возникающие при дисперсии света

Дисперсия света – красивое и эффектное явление, но оно также может доставлять неприятности. Первые наблюдения за небом проводились с помощью телескопов, которые имели одинарные стеклянные линзы.

Преломление света в линзах астрономического телескопа
Рис. 4. Преломление света в линзах астрономического телескопа

Когда луч света проходит через линзу и преломляется, как в призме, особенно в “толстых” линзах, свет может “расщепляться” на основные цвета. Каждый цвет имеет свою фокусную точку (фокус) – поэтому нет единой точки, в которой сходятся все световые лучи. В результате вы можете заметить цветовую кайму (см. рисунок 4) вокруг наблюдаемых объектов и ощутить снижение остроты зрения.

Хроматическая аберрация
Рис. 5. Хроматическая аберрация (цветовая кайма)

Это явление называется хроматической аберрацией. Определение этого понятия следующее:

Хроматическая аберрация – это дефект линзы, вызванный разложением белого света на составляющие цвета, так что каждый цвет имеет свой собственный фокус, расположенный на разном расстоянии от линзы.

Хроматическая аберрация влияет на качество изображения как при астрономических наблюдениях, проводимых с помощью простых телескопов, так и в процессе обычной фотосъемки, поскольку фотоаппараты оснащены пластиковыми или стеклянными линзами. Этот эффект можно устранить, используя вместо отдельных линз систему соответствующим образом подобранных линз (ахроматическая система).

Примеры

Приведу следующие примеры явлений, где наблюдается дисперсии света:

  • Дисперсия белого света через призму. Как показано на рисунке 2, когда белый свет падает на призму, из нее выходит “коллекция” из семи цветов из-за дисперсии.
  • Дисперсия из-за масла на дороге. Небольшое количество масла обычно присутствует на поверхности дороги, например, смазочное масло из автомобилей, что приводит к появлению полос красивых цветов во время дождя.
  • Образование радуги. Радуга считается одним из самых удивительных световых проявлений, когда-либо наблюдавшихся на планете. Радуга – это многоцветная дуга, образованная светом, падающим на капли воды. Радуга образуется во время дождя в результате поглощения, преломления и рассеивания света в капельках воды. Все эти явления создают в небе световой спектр, который и называется радугой.
  • Дисперсия в алмазе. Это когда белый свет попадает в алмаз (или любой другой плотный объект), разделяется на все спектральные цвета радуги и отражается обратно в глаза наблюдателя в виде прекрасного проявления цветного света, также известного как “алмазный огонь”.