Дисперсия на светлината

1. Дисперсия

    Във вакуум всички светлинни вълни се разпространяват с еднаква скорост  c. В прозрачна среда обаче скоростта на светлината  u зависи от дължината на вълната: по-късите вълни се разпространяват с по-малка скорост. Например в стъкло скоростта на виолетовата светлина е с около 1% по-малко от скоростта на червената светлина, която има по-голяма дължина  на вълната. Следователно показателят на пречупване   n=c/u  също има различни стойности за различните дължини на вълната: n  намалява с увеличаването на дължината на вълната във вакуум (фиг.3-1).

   

Фиг.3-1.

 

    Зависимостта на показателя  на пречупване  n от дължината на вълната λ0  се нарича  дисперсия. 
 

    Терминът дисперсия е въведен във физиката през 1672 година от Нютон за означаване на откритото от него явление – разлагане на бялата светлина на отделни цветни снопове след пречупването й от призма. В съвременната физика под  дисперсия на светлината, в тесния смисъл на това понятие, се разбира  зависимостта n(λ0), а в по-широк смисъл - цял кръг от явления, свързани с разлагането  на светлината в спектър.

2. Разлагане на бялата светлина от призма

    На фиг. 3-2 е показан пътят на лъч монохроматична светлина, който преминава през стъклена призма. Лъчът се пречупва два пъти (от предната и от задната стена на призмата) и се отклонява на ъгъл δ (делта) от първоначалната си посока на разпространение.

Фиг. 3-2.

    Когато върху призмата попада сноп от бяла светлина, лъчите се разделят пространствено от призмата. Показателят на пречупване на призмата е най-малък за червената светлина, която е с най-голяма дължина на вълната. Затова нейните лъчи се пречупват най-слабо, т.е. техният ъгъл на отклонение δч е най-малък. Най-голям е показателят на пречупване на призмата за виолетовите лъчи и те най-силно се пречупват - имат най-голям ъгъл на отклонение  δв  (фиг.3-3). 

Фиг. 3-3.

    Ако поставим екран зад призмата, върху него ще се получи спектър на светлината, съдържащ всички цветове от дъгата. Такива спектри се наричат дисперсионни (фиг.3-4), защото за пространственото разделяне на светлинните вълни с различна дължина на вълната се използва явлението дисперсия на светлината. За разлагане на светлината от видимата и близката ултравиолетова област обикновено се използват кварцови призми.

Фиг. 3-4.

    Призмите са основен елемент на призмените спектрометри, които се използват за измерване дължините на светлинните вълни, излъчени от различни източници. Най-простият от тях е предназначен за визуално наблюдение на спектрите и се нарича спектроскоп (фиг. 3-5).

    Той е съставен от две тръби (колиматор и зрителна тръба) и масичка, върху която се закрепва призмата. Входният процеп на колиматора е поставен във фокус на събирателна леща, така че от колиматора излиза успореден сноп от лъчи, които попадат върху призмата. Пречупената от призмата светлина се наблюдава през зрителна тръба. Експериментаторът вижда образа на процепа.
Фиг. 3-5.
Снимка: https://www.viniecotech.com

 

    При завъртането на зрителната тръба в зрителното поле попадат цветните образи на процепа, получени от лъчите с различна дължина на вълната, които се отклоняват от призмата на различни ъгли δ. Като се измерят ъглите на отклонение δ за различните цветове по скалата на спектроскопа, може да се пресметне дължината на вълната на съответните светлинни вълни. За по-точни спектрални изследвания се използват спектрографи. При тях спектърът се получава върху фотоплака.

3. Небесна дъга

    На дисперсията на светлината се дължи едно от най-красивите природни явления - небесната дъга (фиг. 3-6). Когато бялата слънчева светлина се пресича от дъждовни капки, част от лъчите се пречупват и отразяват от капките. Както при призмата първото пречупване (при влизането в капката) разделя лъчите по цветове. Второто пречупване (при излизане от капката) увеличава разделянето. Когато наблюдаваме дъгата, в окото ни попада светлина, пречупена от много такива капки. Тъй като червената светлина се пречупва най-слабо, в окото попада червена светлина от капки, които са разположени по-високо на небосвода. Виолетовата светлина се пречупва най-силно, затова в окото попада виолетова светлина от капки, които са по-ниско. Между тях са разположени капките, от които до окото пристига светлина от другите цветове на дъгата

Фиг. 3-6.