Окончательный вывод Ньютон сформулировал сле­дующим образом: «Вид цвета и степень преломляе­мости, свойственные каждому отдельному сорту лу­чей, не изменяются ни преломлением, ни отражением, ни какой-либо иной причиной, которую я мог наблю­дать. Если какой-нибудь сорт лучей был хорошо от­делен от лучей другого рода, то после этого он упор­но удерживал свою окраску, несмотря на мои край­ние старания изменить ее».

1.5. Открытие аномальной дисперсии света. Опыты Кундта

До второй половины XIX века считали, что этот вывод справедлив всегда. Но вот в 1860 г. фран­цузский физик Леру, проводя измерения показателя преломления для ряда веществ, неожиданно обна­ружил, что пары йода преломляют синие лучи в мень­шей степени, нежели красные. Леру назвал обнару­женное им явление аномальной дисперсией света. Если при обычной (нормальной) дисперсии показа­тель преломления с ростом длины волны умень­шается, то при аномальной (необычной) дисперсии показатель преломления, наоборот, увеличивается. Явление аномальной дисперсии было детально иссле­довано немецким физиком Кундтом в 1871—1872 гг. При этом Кундт воспользовался методом скрещенных призм, который был предложен в свое время Ньюто­ном.

На рис. 4.10, а воспроизведена уже знакомая картина: при прохождении через две скре­щенные стеклянные призмы свет дает на экране на­клоненную полоску спектра. Теперь предположим, что одна из стеклянных призм заменена полой призмати­ческой кюветой, заполненной раствором органиче­ского соединения, называемого цианином; именно та­кую призму использовал Кундт в одном из своих опытов. Схема опыта Кундта

представлена на рис. 4.10, где 1 — стеклянная призма, а 2 — призма, заполненная раствором цианина. Стеклянная призма дает нормальную дисперсию. Так как ее преломляю­щее ребро ориентировано вниз, то ось длин волн для пучка лучей, выходящих из данной призмы, также направлена вниз (ось l на экране). Вдоль перпенди­кулярного направления на экране (вдоль оси n) откладываются значения показателя преломления ве­щества, заполняющего вторую призму. На экране на­блюдается весьма специфическая картина спектра, ка­чественно отличающаяся от той, какую наблюдал в своих опытах Ньютон. Видно, что n(l1) < n(l2), хотя l1 < l2. Заслуга Кундта заключается не только в том, что он убедительно продемонстрировал явление аномальной дисперсии, но и в том, что он указал на связь этого явления с поглощением света в веществе. Указанная на рисунке длина волны lо есть длина волны, вблизи которой наблюдается сильное погло­щение света в растворе цианина.

Последующие исследования аномальной дисперсии света показали, что наиболее интересные экспе­риментальные результаты получаются, когда вместо двух скрещенных призм используется, например, призма и интерферометр. Такая эксперименталь­ная методика была применена известным русским физиком Д. С. Рождественским в начале XX в. Рис. 4.11, воспроизведенный с фотографии, полученной Д. С. Рождественским, демонстрирует явление ано­мальной дисперсии в парах натрия. Внеся в используемую методику существенные усовершенствования, ученый разработал так называемый «метод крюков», широко применяемый в современной экспериментальной оптике.

Рис. 4.11

Согласно современным представлениям и нор­мальная, и аномальная дисперсии рассматриваются как явления единой природы, описываемые в рамках единой теории. Эта теория основывается на электромагнитной

теории света, с одной стороны, и на элект­ронной теории вещества, — с другой. Строго говоря, термин «аномальная дисперсия» сохраняет сегодня лишь исторический смысл. С сегодняшних позиций, нормальная дисперсия — это дисперсия вдали от длин волн, при которых происхо­дит поглощение

Рис. 4.12

света данным веществом, тогда как аномальная дисперсия — это дисперсия в области по­лос поглощения света веществом. На рис. 4.12 показана ха­рактерная зависимость по­казателя преломления от длины волны света для не­которого вещества, сильно поглощающего вблизи lо. В незаштрихованной области наблюдается нормаль­ная дисперсия, а в заштрихованной — аномальная.

Эту призму называют призмой Лове. Мы говорили, что в данной призме разложение света на цвета не наблюдается на практике вследствие того, что все лучи выходят из призмы параллельно друг другу и исходный пучок имеет некоторую ширину.

Глава II

2.1. РАДУГА

Радуга — это оптическое явление, связанное с преломлением световых лучей на многочисленных капельках дождя. Однако далеко не все знают, как именно преломление света на капельках дождя приводит к возникновению на небосводе гигантской многоцветной дуги. Поэтому полезно подробнее остановиться на физическом объяснении этого эффектного оптического явления.

Радуга глазами внимательного наблюдателя. Прежде всего заметим, что радуга может наблюдаться только в стороне, противоположной Солнцу. Если встать лицом к радуге, то Солнце окажется сзади. Радуга возникает, когда Солнце освещает завесу дождя. По мере того как дождь стихает, а затем прекращается, радуга блекнет и постепенно исчезает. Наблюдаемые в радуге цвета чередуются в такой же последовательности, как и в спектре, получаемом при пропускании пучка солнечных лучей через призму. При этом внутренняя (обращенная к поверхности Земли) крайняя область радуги окрашена в фиолетовый цвет, а внешняя крайняя область — в красный. Нередко над основной радугой возникает еще одна (вторичная) радуга — более широкая и размытая. Цвета во вторичной радуге чередуются в обратном порядке: от красного (крайняя внутренняя область дуги) до фиолетового (крайняя внешняя область).

Для наблюдателя, находящегося на относительно ровной земной поверхности, радуга появляется при условии, что угловая высота Солнца над горизонтом не превышает примерно 42°. Чем ниже Солнце, тем больше угловая высота вершины радуги и тем, следовательно, больше наблюдаемый участок радуги. Вторичная радуга может наблюдаться, если высота Солнца над горизонтом не превышает примерно 52.

Радуга может рассматриваться как гигантское колесо, которое как на ось надето на воображаемую прямую линию, проходящую через Солнце и наблюдателя. На рис. 5.1.

эта прямая обозначена как прямая OO1; O — наблюдатель, ОСD — плоскость земной поверхности, ÐAOO1 = j — угловая высота Солнца над горизонтом. Чтобы найти tg(j), достаточно разделить рост наблюдателя на длину отбрасываемой им тени. Точка O1 называется противосолнечной точкой, она находится ниже линии горизонта СD. Из рисунка видно, что радуга представляет собой окружность основания конуса, ось которого есть ОO1; j - угол, составляемый осью конуса с любой из его образующих (угол раствора конуса). Разумеется, наблюдатель видит не всю указанную окружность, а только ту часть ее (на рисунке участок СВD), которая находится над линией горизонта. Заметим, что ÐАОВ = Ф есть угол, под которым наблюдатель видит вершину радуги, а ÐАОD = a — угол, под которым наблюдатель видит каждое из оснований радуги (где, по английскому поверью, закопан горшок с золотом). Очевидно, что