Дисперсия света. Методы наблюдения и результаты

Любой метод, который применяется для определения показателя преломления, — преломление в призмах, полное внутреннее отражение, интерференционные приборы — может служить для обнаружения дисперсии.

Первые экспериментальные исследования дисперсии света, принадлежащие Ньютону (1672 г.), были выполнены по способу преломления в призме, представляющему и поныне хороший метод для демонстраций и исследований. Направляя пучок белого света от линейного источника (щель), параллельного ребру призмы, и проектируя изображение щели на экран, мы не только наблюдаем отклонение изображения (преломление в призме), но вследствие зависимости угла преломления от длины волны получаем изображение щели растянутым в виде цветной полосы (спектр). При сравнении спектров, полученных с помощью призм с равными преломляющими углами, но из разных веществ, можно заметить, что спектры не только отклонены на разные углы, что обусловлено разными значениями п для одной и той же длины волны λ, но и растянуты на большую или меньшую длину вследствие различия в величине дисперсии для разных веществ. Так, при сравнении одинаковых призм из воды и сероуглерода мы увидим, что во втором случае спектр (от красных до фиолетовых лучей) в 5—6 раз длиннее, чем в первом.

Измеряя показатель преломления для разных длин волн, можно исследовать дисперсионную способность вещества призмы, т. с. функцию п=f(λ). Очень наглядный метод, обрисовывающий характер дисперсии материала призмы, был применен еще Ньютоном в его первых исследованиях. Это — метод скрещенных призм, состоящий в том, что свет проходит последовательно через две призмы, преломляющие ребра которых расположены перпендикулярно друг к другу (рис. 1.1). Цветная полоска, получающаяся в результате действия одной призмы, отклоняется второй призмой в разных своих частях различно в зависимости от величины показателя преломления, так что окончательная форма и расположение спектра определяются величиной дисперсии обеих призм.

В настоящее время нам известно, что зависимость между показателем преломления и дисперсией может быть весьма сложной, причем возрастание дисперсии не всегда идет рука об руку с увеличением преломления, хотя обычно подобный параллелизм наблюдается. Даже общий ход дисперсии — увеличение показателя преломления при уменьшении длины волны — не всегда имеет место. Леру (1862 г.), наблюдая преломление в призме, наполненной парами йода, обнаружил, что синие лучи преломляются меньше, чем красные (другие лучи поглощаются йодом и от наблюдения ускользают). Эту особенность Леру назвал аномальной дисперсией — название, удержавшееся и до нашего времени. Аномальный ход дисперсии наблюдается и в жидкостях: исследуя спектр при помощи призмы, наполненной раствором фуксина, обнаружим, что фиолетовые лучи отклоняются меньше, чем красные. Систематические исследования Кундта, который использовал для своих опытов метод скрещенных призм, установили важный закон, согласно которому явление аномальной дисперсии тесно связано с поглощением света: все тела, обладающие аномальной дисперсией в какой-либо области (рис. 1.2), сильно поглощают свет в этой области. Показатель преломления вблизи полосы поглощения меняется настолько быстро, что значение его со стороны более длинных волн (точка М) больше, чем со стороны коротких (точка N). Аномальный ход показателя преломления, т. е. его уменьшение при уменьшении длины волны, имеет место внутри полосы от точки М к N, где наблюдения очень трудны вследствие поглощения света.

Рис. 1.3 воспроизводит в форме кривой результаты наблюдения над дисперсией раствора цианина в области полосы поглощения: от А до В показатель преломления уменьшается, т. е. имеет аномальный ход. Общий ход показателя преломления на некотором расстоянии от полос поглощения соответствует обычному нормальному ходу дисперсии: медленное увеличение показателя преломления по мере уменьшения длины волны. Такой же ход имеет показатель преломления для прозрачных тел (стекло или кварц, например) на всем протяжении видимого спектра. Однако по мере продвижения в ультрафиолетовую или инфракрасную части спектра показатели преломления этих веществ починает меняться довольно быстро, что указывает на приближение к полосам поглощения, которые действительно расположены в соответствующих участках спектра.

Таким образом, детальное исследование показывает, что всякое вещество имеет свои полосы поглощения, и общий ход показателя преломления обусловлен распределением этих полос по спектру. Поэтому противопоставление понятий нормальной и аномальной дисперсии теряет смысл. Полная дисперсионная картина для любого вещества состоит из областей аномальной дисперсии, соответствующих областям внутри полос или линий поглощения, и областей нормальной дисперсии, области аномальной дисперсии, соответствующие двум линиям поглощения.