Izaak Newton odkrył, że światło białe składa się z różnych barw i powstaje na skutek zmieszania światła wszystkich „barw tęczy” („badał rozmaitość promieni świetlnych i wynikające stąd własności barw, których nikt dotąd nawet nie podejrzewał” – słowa z nagrobka Newtona). W tym podrozdziale dowiesz się, w jaki sposób Newton dokonał swego odkrycia oraz uzyskasz więcej informacji na temat światła barwnego.

Zajmując się udoskonaleniem teleskopu, Newton zwrócił uwagę na to, że obrazy w teleskopie mają tęczową obwódkę. Tęczowe obwódki obrazów otrzymywanych za pomocą soczewek, jak również tęczowe obwódki przedmiotów oglądanych przez pryzmat, były obserwowane już wcześniej, ale nikt przed nim nie potrafił tego zinterpretować. Traktowano to jako swoisty „efekt uboczny”. Newton wpadł na pomysł powiększenia tego efektu za pomocą prostego doświadczenia. Wykorzystał do tego cienki promień światła słonecznego przedostający się do zaciemnionego pokoju przez mały otworek w okiennicy. Na drodze tego promienia ustawił szklany pryzmat. Po przejściu przez pryzmat światło padało na przeciwległą ścianę. Newton zauważył, że promień rozprzestrzeniał się w postaci wachlarza, dając na ścianie wiele obrazów otworka we wszystkich kolorach tęczy (il. 8.13). Tak otrzymane pasmo barwne Newton nazwał widmem (łac. spectrum). Natomiast zjawisko rozszczepienia światła nazwał dyspersją (łac. dispersio oznacza rozproszenie).

Przesłaniając otwór w okiennicy zabarwionym szkiełkiem, Newton obserwował, że wszystkie barwne obrazy otworka na przeciwległej ścianie znikały z wyjątkiem tego, którego barwa była taka sama, jak barwa szkiełka. Stało się jasne, że pryzmat nie zabarwia światła (jak sądzono uprzednio), ale że rozszczepia światło białe na jego składowe barwne (il. 8.13). Widzimy więc, że światło białe to mieszanina światła o różnych barwach. Ich jednoczesne działanie na nasze oczy daje wrażenie światła białego. Można się o tym przekonać, wykonując doświadczenie – zbierając za pomocą pryzmatu obróconego o $180°$ promienie barwne, uzyskane przez rozłożenie za pomocą pryzmatu białego promienia, znowu otrzymamy światło białe (il. 8.14).

Można się też przekonać, tak jak robił to Newton, puszczając wydzielony promień barwny na drugi pryzmat, że ten promień nie ulega już dalszemu rozszczepieniu. W ten sposób Newton wykazał, że „jednorodne” barwy (dzisiaj nazywamy je monochromatycznymi) nie mogą się dalej rozdzielać na barwy składowe.

Newton stwierdził też, że promienie o różnej barwie mają różne współczynniki załamania w szkle. Najbardziej odchyla się w pryzmacie promień fioletowy, najmniej – czerwony. Newton starał się wytłumaczyć różnicę współczynników załamania różnych barw tym, że według niego światło czerwone miało składać się z ciężkich cząstek (korpuskuł), fioletowe zaś – z lekkich. Dlatego przyciągane przez substancję ośrodka mniej masywne cząstki fioletowe odchylają się silniej od masywnych czerwonych.

Dzisiaj zjawisko to jest tłumaczone zupełnie inaczej. Wiemy, że współczynnik załamania zależy od prędkości rozchodzenia się światła w danym ośrodku. Przekształcając wzór (8.5), otrzymujemy:

Wnioskujemy więc, że promień czerwony odchyla się w szklanym pryzmacie mniej niż fioletowy, ponieważ jego prędkość w ośrodku szklanym jest większa – ma on zatem mniejszy współczynnik załamania. Jak już wcześniej wspominaliśmy, prędkość rozchodzenia się fali światła w danym ośrodku zależy od jej częstotliwości (więc i długości fali). Promień czerwony, którego prędkość w ośrodku szklanym jest większa, ma mniejszą częstość fali (większą długość fali) niż promień fioletowy. Znając obecnie te zależności, dyspersję światła określamy jako zależność współczynnika załamania (więc i prędkości światła) od częstotliwości fali.

W tabeli na il. 8.15 podano, ze względnie dużą dokładnością, wartości współczynnika załamania dla różnych barw w trzech ośrodkach, na il. 8.16 zaś przedstawiono je w postaci wykresu. Widzimy, że szkło ołowiowe załamuje światło bardziej niż szkło zwykłe i jeszcze bardziej niż woda – świadczy o tym średnia wartość współczynnika załamania. Niezależnie od tego, różnica współczynników załamania $n_f-n_c$ jest prawie dwa razy większa niż dla szkła zwykłego. To zaś oznacza, że szkło ołowiowe bardzo silnie rozszczepia światło (jest ośrodkiem silnie dyspersyjnym). Dlatego szkła ołowiowego używa się do wytwarzania ozdobnych wyrobów szklanych. Duża różnica współczynnika załamania dla różnych barw (mówimy popularnie: duża dyspersja światła) powoduje, że kryształy, załamując światło, mienią się różnymi barwami. Znany z tego jest też diament, dla którego różnica $n_f-n_c$ wynosi $\mathrm{0,062}$, jest więc ponad dwa razy większa niż dla szkła ołowiowego.

W próżni dyspersja nie występuje, prędkość fali światła dla wszystkich częstotliwości jest jednakowa. Można się o tym przekonać na drodze prostych obserwacji. Gdyby również w próżni promienie czerwone były szybsze niż inne, wówczas, obserwując na przykład światło Słońca, które dociera do nas zaraz po jego zaćmieniu, zauważylibyśmy zmiany jego barwy – najpierw byłoby czerwone. Takich zjawisk jednak się nie obserwuje.

Można powiedzieć, że świat jest taki kolorowy dzięki temu, że światło białe jest złożone z wielu barw. Kartka papieru jest biała, ponieważ odbija w jednakowym stopniu wszystkie barwy składowe padającego na nią światła białego. Pokrywając farbą kartkę papieru, nie wytwarzamy kolorowego światła, ale powodujemy pochłonięcie przez farbę pewnych kolorów światła na nią padającego – odbija się od niej tylko część barwnych promieni, dając nam wrażenie, że kartka ma określony kolor. W ten sposób również i inne przedmioty widzimy jako kolorowe.

Zjawiska świetlne w atmosferze ziemskiej

Ze zjawiskiem dyspersji związanych jest wiele efektów świetlnych w atmosferze. Podajemy nazwy i bardzo pobieżne opisy najczęściej spotykanych zjawisk świetlnych. Więcej informacji na ich temat, wraz z widowiskowymi często zdjęciami, znajdziesz bez problemu, wpisując te nazwy w przeglądarkę internetową. Przy tej okazji natkniesz się być może na informacje o innych, tutaj niewymienionych zjawiskach.

Najbardziej znana jest tęcza (il. 8.17a). Powstaje ona, gdy światło słoneczne wchodzi w krople wody unoszące się w powietrzu, odbija się po drugiej stronie każdej kropli i wychodzi z niej. Obu przejściom światła (z powietrza do wody i z wody do powietrza) towarzyszy jego załamanie i rozszczepienie. W efekcie powstaje barwny łuk, który obserwujemy na niebie, mając Słońce „z tyłu głowy” (ze względu na odbicie wewnątrz kropli). Warto uważnie przyjrzeć się tęczy - czasami zobaczy się tęczę podwójną (il. 8.17a), z odwróconą sekwencją kolorów. Spostrzegawczy obserwator zauważy, że obszar nieba jest zdecydowanie ciemniejszy pomiędzy tęczami, a jaśniejszy – pod tęczą główną. Teoria przewiduje także powstanie tęczy trzeciego i czwartego rzędu, ale te są obserwowane bardzo rzadko.

Z dyspersją światła w kryształkach lodu, wirujących i powoli opadających w wysokich chmurach, związane są dwa podstawowe zjawiska barwne: halo (kolorowa obwódka wokół Słońca, il. 8.18) i słońce poboczne (dwie plamy barwne, jedna na prawo a druga na lewo od Słońca, il. 8.19). W obu przypadkach zjawisko polega na wejściu światła do wnętrza kryształka, jego załamaniu i rozszczepieniu, a następnie wyjściu - bardzo podobnie do przejścia światła przez pryzmat. Oznacza to, że halo i słońce poboczne obserwujemy w świetle przechodzącym, mając Słońce przed sobą, w stosunkowo niewielkiej odległości kątowej od Słońca (najczęściej obserwuje się halo o promieniu kątowym $22°$).

Barwne obwódki i plamy świetlne są także obserwowane - szczególnie w mgliste noce - wokół Księżyca czy wokół latarń. Jednak zjawisko to, zwane wieńcem (il. 8.20), jest czymś innym niż halo - promień takiej obwódki jest znacznie mniejszy, a powstaje ona nie wskutek rozszczepienia, lecz w wyniku dyfrakcji światła na mikroskopijnych kropelkach wody lub drobinkach lodu, unoszących się w wilgotnym powietrzu (o dyfrakcji światła będziemy mówić w rozdziale 8.6. Dyfrakcja i interferencja światła).

Z dyfrakcją światła słonecznego związane jest powstawanie glorii - kolorowej obwódki wokół cienia obiektu widocznego, najczęściej w górach lub z pokładu samolotu, na warstwie chmur zalegających poniżej obserwatora. Na szczególną uwagę zasługuje tu widmo Brockenu (któremu gloria często towarzyszy), ze względu na wierzenia taterników związanych z jego pojawieniem się.

Pytania i problemy

1. Podaj przedział długości fal elektromagnetycznych odbieranych przez nasze oczy.
2. Co to jest dyspersja światła? Czym różni się światło monochromatyczne od białego?