Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Сиротюк

§ 32. Дисперсія світла

Явище розкладання білого світла на спектр за допомогою призми було відоме досить давно, але пояснити це явище зміг лише Ньютон. Учених, які займалися оптикою, цікавила природа світла. Ньютон же, вивчаючи явище розкладання білого світла на спектр, дійшов висновку, що біле світло є складним, тобто складається із суми простих кольорових променів.

Ньютон працював з простою установкою. На малюнку 2.47 показано дослід Ньютона із встановлення явища дисперсії світла (1754). У вікні затемненої кімнати було зроблено маленький отвір, через який проходив вузький пучок сонячного світла. На шляху сонячного світла стояла призма, а за призмою — екран. На ньому спостерігали спектр, тобто видовжене зображення круглого отвору, нібито складене з багатьох кольорових кружечків. При цьому найбільше відхилення мали фіолетові промені — один кінець спектра і найменше відхилення — червоні — другий кінець спектра.

Мал. 2.47

Але цей дослід ще не був переконливим доведенням того, що біле світло складне й існують прості промені. Хоча він і давав змогу дійти висновку, що, проходячи через призму, біле світло не розкладається на прості промені, а змінюється, як вважало багато дослідників до Ньютона.

Для того щоб довести, що біле світло складається із простих кольорових променів і розкладається на них при проходженні через призму, Ньютон провів інший дослід. В екрані, на якому спостерігався спектр, також було зроблено маленький отвір, через який пропускали вже світло, що мало певний колір (так званий монохроматичний пучок світла). На шляху цього пучка Ньютон ставив нову призму, а за нею новий екран. Що спостерігалося на цьому новому екрані? Дослід показав, що цей пучок світла відхилявся призмою як єдине ціле під визначеним кутом. Повертаючи першу призму, Ньютон пропускав через отвір екрана кольорові промені різних ділянок спектра.

В усіх випадках вони не розкладалися другою призмою, а лише відхилялися на визначений кут, різний для променів різного кольору.

Отже, фізик дійшов висновку, що біле світло розкладається на кольорові промені, які є простими і не розкладається призмою. Для кожного кольору показник заломлення має своє значення.

Таким чином, прості промені є незмінними. Вони являють собою ніби атоми світла, подібно до атомів речовини. Цей висновок узгоджувався з корпускулярною теорією світла. Дійсно, незмінні атоми світла, прості промені, є потоком і однорідних частинок, які, потрапляючи у наше око, формують відчуття певного кольору. Суміш з різнорідних світлових частинок є білим світлом. Проходячи через призму біле світло розкладається. Призма сортує світлові частинки, відхиляючи їх на різний кут відповідно до їхньої колірності.

З точки зору хвильової теорії на той час було складно пояснити відкриття Ньютона, тому що теорія поширення хвиль ще не була розроблена. Розуміння того, що колір визначається періодом світлової хвилі, прийшло набагато пізніше.

Якщо уважно придивитися до проходження світла через трикутну призму, то можна побачити, що розкладання білого світла починається відразу ж, як тільки світло переходить з повітря в скло (мал. 2.48).

Мал. 2.48

Середовища, у яких спостерігається явище дисперсії, називають диспергуючими.

Якщо на шляху будь-якого кольорового пучка, що виходить з призми, поставити ще одну призму, то він пройде через призму без зміни, не розкладаючись (мал. 2.49).

Мал. 2.49

Про що свідчить явище дисперсії? 1) Біле світло є складним, про це свідчить і явище дифракції. Під час вивчення явища дифракції було встановлено, що довжини хвиль і їхні частоти різні для кожного кольору.

2) Швидкості хвиль, з яких складається біле світло, різні. Дійсно, з досліду випливає, що для показників заломлення справджується нерівність: nч < nо < nж < nз < nб < nс < nф.

Але показник заломлення дорівнює відношенню швидкості світла в повітрі до швидкості світла у склі. Тому показники заломлення кольорових променів можна записати через їхні швидкості:

Підставивши знайдені значення показників заломлення в попередню нерівність, отримаємо vч > vо > ... > vф.

Отже, з явища дисперсії випливає, що хвилі, які входять до складу білого світла, у речовині поширюються з різними швидкостями: з найбільшою швидкістю поширюються хвилі, які ми сприймаємо як червоне світло, і з найменшою — хвилі, які ми сприймаємо як фіолетове світло.

Проте наше сприйняття кольору залежить від довжини хвилі, а отже, і від частоти коливань. Таким чином, швидкість поширення світлових хвиль залежить від їхньої частоти.

Об’єднуючи сказане про дисперсію світла, можна дати таке визначення:

дисперсією хвиль називають залежність їхньої швидкості від частоти.

Залежність фазової швидкості хвиль від їхньої частоти виявляється в тому, що показник заломлення хвиль також залежить від частоти. А це, у свою чергу, свідчить про те, що на межі з диспергуючим середовищем біле світло розкладається на його складові хвилі.

А чи залежить швидкість світла у вакуумі від частоти коливань?

Уявімо, що у вакуумі на значній відстані від нас розміщено потужне джерело світла, яке періодично закривається непрозорою ширмою, і відкривається. Якщо всі світлові хвилі незалежно від частоти коливань поширюються у вакуумі з однаковою швидкістю, то ми маємо побачити, що світло, яке випромінюється далеким джерелом, миготить, але його колір не змінюється. Якщо світлові хвилі різної частоти у вакуумі поширюються з різними швидкостями, то колір джерела має змінюватися.

Розглянемо це докладніше. Припустимо, що у вакуумі з найбільшою швидкістю поширюються хвилі червоного світла, а з найменшою — хвилі фіолетового світла. У такому разі після того, як ширма відкриє джерело світла, до нас першими дійдуть хвилі червоного світла і ми побачимо джерело червоним. Потім, у міру того як наших очей досягатимуть хвилі інших частот, забарвлення джерела змінюватиметься і, нарешті, стане таким, яким воно є насправді. Після того як ширма закриє джерело світла, до нас першими перестануть доходити хвилі червоного світла, а потім фіолетового. Отже, колір джерела змінюватиметься від дійсного до фіолетового, після чого джерела не буде видно.

За невеликої різниці у швидкостях поширення хвиль описаний ефект, якщо він відбувається, може бути помітний тільки тоді, коли дуже велика відстань між джерелом і спостерігачем. Тому в лабораторних умовах здійснити описаний вище дослід не можливо, оскільки всі земні відстані для нього малі. Проте можна скористатися астрономічними спостереженнями за подвійними зорями. ПоДвійна зоря — це дві зорі, що обертаються навколо їхнього загального центра мас. Кожна з них періодично затуляє від спостерігача світло від іншої зорі. Проте в телескоп зміни кольору цих зір не спостерігається. Якби швидкість поширення світла у вакуумі залежала від частоти, то після виходу зорі з тіні повинен був би змінюватися її колір.

Отже, у вакуумі швидкість поширення світлових хвиль не залежить від частоти коливань.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

  • 1. Як можна спостерігати явище дисперсії світла?
  • 2. Що таке дисперсія?
  • 3. Про що свідчить дослід Ньютона з трикутною призмою?
  • 4. Яке середовище називають диспергуючим?
  • 5. Чи спостерігається дисперсія світла при проходженні через вакуум?