Дисперсия света

Дисперсия света (светорассеяние, от dispergere — рассеивать), явление, наблюдаемое при переходе узкого пучка света из одной среды в другую (например, из воздуха в стекло, см. фиг. 1) и состоящее в том, что пучок белого света раздробляется на составные (окрашенные) части. Это явление вызывается тем, что на границе раздела двух сред преломление (см. свет) различно для лучей различной цветности. В случае прозрачных, не окрашенных сред, т. е. в таких телах, которые не имеют резких полос поглощения в видимой части спектра, красные лучи преломляются менее, чем желтые, желтые менее, чем зеленые, и т. д., — словом, цвета следуют в том порядке, в каком они наблюдаются в радуге (нормальная дисперсия).

Фиг.1

Различие в преломлении красных и фиолетовых лучей, определяющее величину дисперсии, колеблется в широких пределах; вообще в газах дисперсия значительно слабее выражена, чем в твердых телах и жидкостях. В пространстве, лишенном материи (междузвездном пространстве), заметной дисперсии нет; так как те явления, которые наблюдаются при рассматривании спектров некоторых звезд и которые некоторыми астрономами (Нордманн и Тихов) приписывались дисперсии в междузвездном пространстве, могут быть легко объяснены физическими свойствами звезд, как показал знаменитый русский физик П. Н. Лебедев, тогда как допущение дисперсии в мировом эфире приводит к неустранимым противоречиям.

Различие в преломлении лучей различного цвета (различной длины волны; см. свет) объясняется различием в скорости распространения; эту связь между преломлением и скоростью распространения всего легче выяснить на следующей модели (фиг. 2).

Фиг.2

Полированная доска заклеивается наполовину бархатом ABCD; если заставить катиться катушку аb по направлению LL, образующему некоторый угол с границей бархата АВ, то, как это следует из чертежа, левая часть катушки а затормозится бархатом  раньше, чем b отчего изменится и направление ее движения. Чем меньше будет скорость при движении по бархату, тем сильнее будет преломление. Отношение скорости света v₁ в 1-ой среде к скорости v₂ во второй n₁₂=v₁/v₂ носит название показателя преломления. Если явление наблюдается при переходе света из газа, где дисперсия мала, в какое-нибудь твердое или жидкое тело, то показатель преломления и дисперсии главным образом зависят от скорости v₂ для лучей различного цвета.

Задача теории дисперсии — объяснить, почему лучи различного цвета (различной длины волны, см. свет) распространяются с разной скоростью. Правильное объяснение дисперсии стало возможно только после открытия явления т. н. «аномальной дисперсии». Аномальная дисперсия была открыта в парах иода Le-Roux (1862), но его работа осталась незамеченной, и только после работ Christiansen’а и Kundt’а (1870—1871) явление это привлекло внимание физиков; оно наблюдается в телах, обладающих сильным поглощением на сравнительно небольшом протяжении спектра, так, например, фуксин поглощает зеленые лучи: при рассматривании раствора фуксина в спектроскоп можно наблюдать резко очерченную полосу поглощения в зеленой части спектра. Если сделать из фуксина очень тонкую призму (с очень малым преломляющим углом) — тонкую, чтобы ослабить поглощение — и рассматривать сквозь нее узкую щель, освещенную белым светом, то получается спектр, в котором чередование цветов значительно отличается от привычного нам расположения цветов в радуге: менее всего преломляются синие лучи, далее идут фиолетовые, красные, оранжевые и желтые (зеленых нет: они поглощены), см. фиг. 3.

Фиг.3

Особенного внимания заслуживает то, что по ту и другую сторону от полосы поглощения дисперсия нормальная: синие лучи менее преломлены, чем фиолетовые, также как и красные — менее желтых. Следовательно, если полосы поглощения лежат вне пределов видимого спектра, то в видимой части спектра дисперсия будет нормальной. Исследования в невидимом спектре (инфракрасном и ультрафиолетовом) показали, что все тела, обладающие в видимом спектре нормальной дисперсией, имеют полосы поглощения и связанные с ними области аномальной дисперсии в этих невидимых глазу частях спектра. Отсюда, явление аномальной дисперсии оказывается явлением общим, и представление о нормальной дисперсии составилось потому, что в прежних исследованиях ограничивались лишь малой областью спектра — его видимой частью, а самое изучение производилось над телами, которые в видимом спектре не имеют полос поглощения. Основное положение теории дисперсии заключается в том, что благодаря малым размерам световых волн (0,00007 см  для красного цвета и 0,00004 см  для фиолетового) приходится уже считаться с тем, что материя не имеет однородного строения и что волны света, следовательно, распространяются в неоднородной зернистой среде, состоящей из собрания молекул. Под влиянием световых — электромагнитных волн (см. электромагнитная теория света) составные части атомов, заряженные электричеством, приходят в колебательное движение; эти колебания и сказываются на скорости распространения волн различного периода — различной длины волны. Правильность этого предположения всего нагляднее может быть продемонстрирована на приборе, построенном Vincent’ом по мысли Sir Joseph’а Thomson’а. К неподвижной подставке А (см. фиг. 4) подвешиваются на нитках свинцовые шары а; эти шары вставляются на равных расстояниях между оборотами проволоки, свернутой в спираль; к шарам а подвешены маятники b. Конец спирали В соединен с метрономом, который можно пускать с различным числом колебаний в минуту и который вызывает во всей системе волнообразное движение в плоскости, перпендикулярной к плоскости чертежа (фиг. 4).

Фиг.4

Оказывается, что скорость распространения этих волн будет различная (а следовательно, и показатель преломления), в зависимости от числа колебаний, сообщаемых системе метрономом. Построив кривую, изображающую зависимость показателя преломления (т. е. обратной величины 1/v₂ — скорости распространения волны по проволоке) от частоты колебания, — мы получим характерную кривую аномальной дисперсии, если в числе испытанных периодов метронома будет и тот, с которым колеблются маятники b. Если период метронома совпадает в точности с периодом маятников b, то благодаря резонансу маятники сильно раскачиваются; в этом случае волн в системе не заметно: энергия волны идет на раскачивание маятников, вследствие чего волна затухает — поглощается. Следовательно, модель эта позволяет показать ту глубокую связь, которая существует между поглощением и дисперсией.

Правильность этой точки зрения на явление дисперсии подтверждается еще и тем, что для волн большой длины сравнительно с размерами элементов среды мы дисперсии не наблюдаем. Так, звуковые волны двигаются со скоростями, не зависящими от их длины (от высоты тона): оркестр можно слушать на большом расстоянии, звуки, издаваемые одновременно, одновременно же достигают уха наблюдателя.

Профессор Н. П. Кастерин показал теоретически, что звуки должны распространяться со скоростью, зависящей от высоты тона, в среде, состоящей из зерен, сравнимых с размерами волн; ему же удалось показать на опыте аномальную дисперсию звука, пропуская звуковые волны по трубам, в которых висели стеклянные шары. Подобная же «искусственная» среда была построена Garbasso для длинных электромагнитных волн (см. электрические колебания).

Литература: Р. Drude, «Lehrbuch der Optik»; Wood, «Physical Optics»; более доступное изложение: Д. Рождественский, «Дисперсия и поглощение света». «Новые идеи в физике», сборник, № 5 (1912); А. Тимирязев, «Современное учение об аномальной дисперсии» «Физическое Обозрение», 6 т. (1905).

А. Тимирязев.