Рассмотрим стеклянную призму, на которую направим пучок света: теперь мы можем объяснить опыт с дисперсией света, проделанный Ньютоном. Коэффициент преломления стекла составляет примерно 1,5, то есть через стекло свет проходит явно медленнее, чем через воздух. При проходе от точки А к точке В на рис. 20.11 мы видим, что прямой путь проходит через толстый слой стекла и он не самый быстрый. Световой луч «предпочитает» пройти там, где толщина меньше, пусть путь и будет немного длиннее: это объясняет отклонение луча во время прохода через призму.
Почему свет, проходя через призму, раскладывается на разные цвета? Потому что красный цвет проходит в стекле быстрее, чем синий, как в большинстве веществ: поэтому у красного цвета путь более прямолинейный, чем у синего. Другими словами, красный цвет отклоняется меньше синего: на экране, поставленном за призмой, мы можем наблюдать радугу.
Этот опыт также показывает, что белый свет является совокупностью многих волн разной длины: здесь смешаны все цвета. То есть белый свет не является синусоидальной волной с единой длиной, а наложением волн, которые колеблются с разной частотой и более или менее удалены друг от друга. Море с такими волнами показалось бы весьма хаотичным.
Рис. 20.11 – Отклонение света в призме
В части (а) через призму проходит монохромный свет, то есть цветной луч с определенной длиной волны. Чтобы пройти от А до В, он идет через наименее толстый слой стекла, в котором его скорость ниже: видно, что свет в стекле идет медленнее и отклоняется от прямой линии.
В части (b) красный цвет проходит через стекло быстрее, чем синий, то есть он меньше отклонен. Происходит дисперсия белого света.
Из белого света на выходе из призмы мы получаем цвета радуги. Образование радуги в небе является результатом тех же механизмов.
В этом случае стеклянную призму заменяют капли воды. Как и у стекла, коэффициент преломления у воды больше, чем у воздуха. Принципиальная разница в том, что капли воды имеют сферическую, а не призматическую форму. Рис. 20.12.а показывает путь солнечного света: красный цвет проходит сквозь воду быстрее синего, он меньше отклоняется, что приводит к дисперсии света.
И появляется радуга, потому что угол α между образовавшимися лучами и падающим лучом имеет четко определенное значение: возникает целый световой круг, чьей центральной осью является падающий луч (➙ рис. 20.12.b). В реальности на небе видна лишь верхняя часть этого круга. Чтобы увидеть нижнюю часть, нужно смотреть на землю: внизу толщина атмосферы мала, и количество капель в воздухе меньше. Поэтому нижнего края радуги не видно: мы наблюдаем лишь дугу в небе.
Также заметим, что для того, чтобы увидеть радугу, нужно, чтобы солнце было у вас за спиной, а вы должны смотреть в другую сторону. Еще отметим, что красный цвет расположен на внешнем крае радуги, а синий на внутреннем.
Рис. 20.12 – Радуга