Когда Ньютон занимался усовершенствованием телескопов, он заметил, что изображение, которое дает объектив, окрашено по краям. Он заинтересовался этим и первый «исследовал разнообразие световых лучей и проистекающие отсюда особенности цветов, которых до того времени никто даже не подозревал» — именно такие слова содержит надгробная надпись на памятнике Ньютону. Радужную окраску изображения, получаемого с помощью линзы, наблюдали, конечно, и до Ньютона. Было замечено также, что радужные края имеют предметы, которые рассматриваются через призму. Пучок световых лучей, прошедших через призму, окрашивается по краям.
При исследовании света Ньютон поставил простой опыт. Он направил на призму пучок света через малую щель в ставне. Пучок солнечного света проникал через щель в темную комнату, падал на призму, преломлялся и давал на противоположной стене изображение в виде длинного радужного чередования цветов. К тому времени уже сложилась традиция считать, что в радуге всего 7 цветов. Поэтому Ньютон выделил в этом изображении также 7 цветов: фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый и красный. Он назвал радужную полоску спектром.
Получив спектр, Ньютон закрыл отверстие в ставне красным стеклом. После этого на стене осталось только красное пятно. Затем ученый закрыл щель синим стеклом, и на стене появилось синее пятно. Это означало, что не призма окрашивает белый свет, как предполагалось раньше. Призма не изменяет свет, а лишь разлагает его на составные части.
Белый свет имеет сложный состав. Из него можно выделить пучки различных цветов, и лишь совместное их действие вызывает у нас впечатление белого цвета. В самом деле, если с помощью второй призмы, повернутой на 180° относительно первой, собрать все пучки спектра, то опять получится белый свет (смотрите рисунок ниже). Выделив какую-либо часть спектра, например зеленую, и заставив свет пройти еще через одну призму, мы уже не получим дальнейшего изменения окраски.
Другой важный вывод, к которому пришел Ньютон, был сформулирован им в трактате «Оптика» следующим образом:
«Световые пучки, отличающиеся по цвету, отличаются по степени преломляемости».
Этот вывод Ньютона говорит о том, что для лучей разных цветов показатель преломления материала призмы был различным. Причем наиболее сильно преломляются фиолетовые лучи, меньше других — красные. Зависимость показателя преломления света от его цвета Ньютон назвал дисперсией (от лат. dispersio — рассеяние).
Показатель преломления зависит от скорости света в веществе, о чем мы уже говорили ранее. Абсолютный показатель преломления определяется формулой:
n=cv
где v — скорость светового луча в среде, c — его скорость в вакууме.
Луч красного цвета преломляется меньше из-за того, что красный свет имеет в веществе наибольшую скорость, а луч фиолетового цвета преломляется больше, так как скорость для фиолетового света наименьшая. Именно поэтому призма и разлагает свет. В пустоте скорости света разного цвета одинаковы. Если бы это было не так, то, к примеру, спутник Юпитера Ио, который наблюдал Рёмер, казался бы красным в момент выхода спутника из тени. Но этого не наблюдается.
Зависимость цвета от физической характеристики световой волны: ее частоты колебаний ν (или длины волны λ) была выяснена позже. После этого было дано более глубокое определение дисперсии, чем то, к которому пришел Ньютон.
Преломляясь, лучи белого света образуют спектр, в котором цвета всегда расположены в строгом порядке: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. Ее можно легко запомнить с помощью следующей фразы, которую вы, скорее всего, уже слышали: «Каждый охотник желает знать, где сидит фазан». Первый буквы слов в этой фразе соответствуют первым буквам цветов в спектре.
Данная последовательность цветов в спектре неслучайна. Дело в том, что красный цвет имеет меньшую частоту (соответственно большую длину волны, поскольку это обратно пропорциональные величины). У оранжевого цвета частота чуть выше, у желтого — еще выше, максимальная частота видимого диапазона света соответствует фиолетовому цвету. Поэтому он идет в спектре последним.
Пример №1. Какой цвет преломляется сильнее: синий или голубой?
Известно, что преломляются сильнее те лучи, что имеют большую частоту. Синий цвет имеет большую частоту. Следовательно, он преломляется сильнее голубого.
Цвета в спектре не имеют резкого перехода, поскольку длины волн имеют большое разнообразие. Если красный цвет имеет длину волны в диапазоне от 625 до 740, это не значит, что волны с такой длиной будут восприниматься нами одинаково. Но мы будем знать, что свет, образованный волной с длиной волны в 740 нм, более красный, чем тот, что образовался волной 625 нм. Причем последний мы будем также воспринимать, скорее, не красным, а красно-оранжевым цветом. Таким образом, в природе существует так много различных оттенков, плавно переходящих друг в друга.
Несмотря на многообразие оттенков, получить чистые цвета можно. Для этого нужно пропустить белый свет через прозрачный материал, окрашенный в нужный цвет. Тогда этот материал поглотит все цвета и пропустит только тот, в которым окрашен сам. Подобное действие мы уже описали в опыте Ньютона. Причем свет (излучение), который получается на выходе из прозрачного материала, называется монохроматическим, или монохромным.
Пример №2. Тонкий пучок желтого света пропустили через стеклянную призму, которая лежит перед экраном. Какое изображение будет получено на экране?
Поскольку через призму пропустили только желтый свет, можем принять его за монохроматический, так как разброс длин волн будет небольшим. В результате прохождения через призму он раскладываться в спектр не будет. Поэтому на экране мы обнаружим желтое пятно. Чем меньше будет разброс длин волн, тем ближе к точке будет это пятно. Чем шире будет разброс, тем больше будет пятно. Причем разные его участки будут иметь различные оттенки желтого цвета в зависимости от того, какую длину волны они имеют.
Зная, что белый свет имеет сложный состав, можно объяснить удивительное многообразие красок в природе. Если предмет, например лист бумаги, отражает все падающие на него лучи различных цветов, то он будет казаться белым. Покрывая бумагу слоем красной краски, мы не создаем при этом свет нового цвета, но задерживаем на листе некоторую часть имеющегося. Отражаться теперь будут только красные лучи, остальные же поглотятся слоем краски. Трава и листья деревьев кажутся нам зелеными потому, что из всех падающих на них солнечных лучей они отражают лишь зеленые, поглощая остальные. Если посмотреть на траву через красное стекло, пропускающее только красные лучи, то она будет казаться почти черной.
Пучок белого света, пройдя через призму, разлагается в спектр. Было выдвинуто предположение о том, что ширина пучка на экране за призмой зависит от угла при вершине призмы. Необходимо экспериментально проверить эту гипотезу. Какие два опыта (см. рисунок) нужно провести для такого исследования?