Р ис. 3 . Разложение света призмой в спектр

Чтобы найти причину появления спектра, Ньютон поставил опыт, в котором солнечный луч сначала проходил через красное стекло, а потом через призму. В этом случае на экране за призмой появлялось только красное пятно, расположенное в том же месте, где в спектре была красная полоса. Аналогичные результаты Ньютон получил, пропуская солнечный свет через стёкла различного цвета, что привело его к следующим двум важным выводам, которые в современной интерпретации можно сформулировать как:

(1) белый солнечный свет состоит из лучей различных цветов, и только определённое соотношение между ними создаёт у нас впечатление белого цвета,

и (2) стекло для лучей, отличающихся по цвету, имеет разные показатели преломления.

Зависимость показателя преломления от цвета лучей была названа Ньютоном дисперсией света. Слово «дисперсия» в переводе с латыни означает разложение или рассеяние.

Во времена Ньютона ещё не было известно, что свет – это электромагнитные волны, а различные цвета световых лучей соответствуют электромагнитным волнам разной длины волны. В настоящее время установлено, что диапазон волн с длиной волны от 630 до 760 нм воспринимается нами как красный, от 590 до 620 нм – как оранжевый, от 565 до 590 нм – как жёлтый; от 500 до 565 нм – как зелёный, от 485 до 500 нм – как голубой, от 440 до 485 нм – как синий и от 380 до 440 нм – как фиолетовый. Следует отметить, что границы между перечисленными диапазонами довольно условны, так как оттенки соседних цветов трудно различимы.

Считая свет электромагнитными волнами с длиной волны, лежащей в диапазоне между 380 и 760 нм, можно дать современную интерпретацию дисперсии, открытой Ньютоном. Дисперсия – это зависимость показателя преломления света от его длины волны.

Самые различные цвета можно получить, сложив лучи трёх разных цветов, например, красного, зелёного и синего, перекрещивая их на каком-либо экране. Если интенсивность лучей изменять независимо друг от друга то в месте их пересечения образуются области, окрашенные в любые оттенки всевозможных цветов.

Наша способность различать цвета объясняется тем, что в сетчатке глаза человека находятся три типа клеток (колбочек), обладающих избирательной чувствительностью к электромагнитным волнам различной длины волны. Одни из них особо чувствительны к красному цвету, другие – к зелёному, а третьи – к синему цвету. В результате, наш глаз способен различать самые различные оттенки всех цветов.

Цвета предметов зависят от того, электромагнитные волны какой длины волны они отражают. Например, кожура помидора отражает только свет с длиной волны, соответствующей красному цвету, а листья – только лучи зелёного цвета. Поэтому, если осветить помидор только синими лучами света, то он станет чёрным.

Согласно электронной теории дисперсии луч белого света «раскачивает» электроны в атомах, причем сильнее всего «раскачивает» в том случае, когда частота световой волны близка к собственной частоте колебаний электрона в среде , т.е. в случае резонанса.

Степень взаимодействия света с веществом, а, следовательно, и скорость распространения света зависит от близости к резонансу, т.е. от , а также от параметра - характеризующего затухание свободных колебаний электрона.

Согласно электронной теории дисперсии справедлива следующая приближенная формула для показателя преломления

(3)

где , где  - концентрация атомов; ,  заряд и масса электрона.

На рис. 4  приведен график зависимости  от  при  (штриховая линия) и с учетом (сплошная линия).

Области А и С для которых с увеличением частоты  показатель преломления возрастает, называются областями нормальной дисперсии, т.е. для них

или (4)

Область В, для которой с увеличением частоты  показатель преломления уменьшается называется областью аномальной дисперсии, т.е. для нее

или (5)

В области аномальной дисперсии поглощение света очень велико.

 

Рис. 4. Зависимость показателя преломления от частоты