Dispersia luminiiși

curcubeulPaduraru Andra si Murgulet Teodora 9D

Dispersia luminii

Dispersia luminii este fenomenul de descompunere prin refracție a luminii albe în fascicule de lumină colorate diferit. Aceste culori alcătuiesc spectrul luminii albe și sunt: roșu, oranj, galben, verde, albastru, indigo și violet. Ea constă în variția indicelui de refracție n al mediului în funcţie de lungimea de undă λ a radiaţiei luminoase. Relația matematica pentru dispersie este:

n = n (λ) Raportul dintre viteza luminii în vid și viteza luminii în mediul studiat:

Radiaţiile sunt refractate din ce în ce mai mult pe măsură ce creşte frecvenţa lor (de la roşu către violet).

Isaac Newton a descoperit acum 300 de ani, cu ajutorul unei prisme, că lumina albă este formată din mai multe fascicule colorate diferit. Dispersia luminii a fost pusă în evidenţă experimental şi studiată ştiinţific de către Newton.

Într-un experiment efectuat în anul 1672, acesta a observat descompunerea luminii în componentele monocromatice, folosind o prismă optică: pe ecranul de observaţie apărea o succesiune continuă de culori de la roşu la violet. Fasciculele colorate trec prin prismă cu viteze diferite, de aceea ies din prismă sub unghiuri diferite.

Se poate observa că radiaţia roșie este mai înclinată faţă de axa optică decât radiaţia verde, deoarece radiaţia verde se propagă cu viteză mai mică în materialul prismei decât radiaţia roșie, adică radiaţia verde parcurge în același timp o distanţă mai mică decât cea roşie.

La intrarea razei de lumină în prismă:

naer sin i = n (λ) sin r (λ)

unghiul de deviaţie este: =d i + i’- A

unghiul refringent A= r + r’

Unghiul de refracţie depinde de indicele de refracţie al radiaţiei respective în materialul prismei.

Dacă lângă prisma optică aşezăm o a doua prismă, toate culorile se contopesc şi se obţine din nou lumina albă (fenomenul de sinteză a luminii, inversul dispersiei).

Există două tipuri de dispersie: cea normală, unde indicele de refracție crește odată cu scăderea lungimii de undă si cea anormală unde indicele de refracție scade odată cu scăderea lungimii de undă.

Vidul este un mediu nedispersiv (toate undele se propagă în vid cu aceeaşi viteză indiferent de lungimea de undă); celelalte medii sunt dispersive.

În general, lumina roşie se refractă cel mai puţin, iar lumina violetă se refractă cel mai mult (în cazul dispersiei normale).

Dispersia în cristalul de diamant

Curcubeul

Curcubeul este fenomenul natural care se datorează dispersiei luminii în stropii de apă din atmosferă, după ploaie.

Datorită dispersiei şi refracţiei în aerul atmosferic, amurgul este adesea multicolor. Lumina soarelui, refractată în straturi de aer mai reci sau mai calde, se poate descompune (uneori), în diverse culori (prin dispersie).

Centrul curcubeului este în partea opusă soarelui față de observator. Trecerea de la o culoare la alta se face continuu. Ordinea culorilor este de la roșu în exteriorul arcului la violet în interior.

În condiții de vizibilitate bună uneori se poate observa și un curcubeu mai slab, concentric cu primul, ceva mai mare și cu ordinea culorilor inversată. Teoretic există o infinitate de ordine superioare, dar practic cu ochiul liber au fost observate doar primele patru; al treilea și al patrulea sunt și mai slabe și se află de aceeași parte cu soarele, ceea ce îngreunează mult observarea. Curcubeul dublu poate fi observat când în interiorul unor picături raza de la soare se reflectă de două ori.

Același fenomen are loc și în alte condiții, de exemplu cu lumina lunii (sau orice altă sursă de lumină) în loc de soare, cu picături de apă provenite de la spargerea valurilor, fântâni arteziene, cascade, stropitori etc., cu alte lichide în loc de apă ori cu obiecte solide și transparente (sticlă, polistiren etc.) în formă sferică ș.a.m.d.

1. Picatură de apă sferica2. Locul unde se produce reflexia

internă a luminii3. Curcubeul primar4. Locul unde se produce refracția

luminii5. Curcubeul secundar6. Raza incidenta

9. Observatorul10. Zonă în care se formează

curcubeul primar11. Zonă în care se formează

curcubeul secundar12. Norii din atmosferă (cuprind

nenumărate picaturi sferice)

Curcubeul poate fi explicat analizând mersul razelor de lumină într-o sferă transparentă. Lumina albă de la soare suferă mai întâi o refracție la intrarea în picătura de apă, moment în care începe separarea culorilor. În partea opusă a picăturii are loc o reflexie la interfața dintre apă și aer (o parte din lumină iese afară, dar aceasta nu produce efectul de curcubeu). În continuare lumina iese din picătură printr-o a doua refracție, care amplifică separarea culorilor.

Pentru fiecare lungime de undă există un unghi la care intensitatea luminii ieșite din picătură are un maxim. Existența acestui maxim se explică astfel: funcția care face legătura dintre excentricitatea razei de intrare (distanța dintre raza de lumină care intră în picătură și centrul picăturii) și unghiul de ieșire (unghiul dintre raza de la intrare și cea de la ieșire) nu este monotonă, ci crește de la zero, are un punct de întoarcere și apoi scade. În jurul punctului de întoarcere, pentru un interval relativ larg de excentricități, unghiul de ieșire se modifică foarte puțin, ceea ce face la acest unghi să iasă din picătură o cantitate de lumină mult mai mare decât la alte unghiuri. Acest fenomen, combinat cu faptul că pentru fiecare lungime de undă unghiul corespunzător maximului de intensitate luminoasă are altă valoare, explică formarea curcubeului sub forma unui arc colorat. Punctul de întoarcere menționat se remarcă prin faptul că partea atmosferei din interiorul arcului curcubeului este mai luminoasă decît cea din exterior.

Același raționament explică de ce razele care ies din picătura de apă fără nici o reflexie internă nu formează un curcubeu: unghiul de ieșire depinde monoton de excentricitatea razei de intrare, deci la nici un unghi nu se concentrează o parte semnificativă din lumina soarelui; aceste raze nu fac decât să împrăștie lumina într-un mod care depinde prea puțin de lungimea de undă.

Curcubeul secundar diferă de primul prin aceea că în interiorul picăturii de apă lumina suferă două reflexii interne. Analog, ordinele superioare se obțin printr-un număr sporit de reflexii interne, ceea ce explică în parte intensitatea lor scăzută.

Pentru a fi martorii unui asemenea fenomen optic este nevoie să fie îndeplinite două condiţii. În primul rând este nevoie ca observatorul uman să fie poziţionat între Soare şi picăturile de apă. Stropii mărunţi de apă pot proveni fie de la ploaie, fie din aburul unei cascade sau chiar de la gura unui pulverizator al unui furtun de grădină. A doua condiţie este ca unghiul pe care Soarele, stropii de apă şi ochii observatorului îl formează să fie în intervalul 40˚-42˚. De aceea este nevoie ca fenomenul să se producă în dimineţile sau după-amiezele însorite imediat după ploaie. Altfel, noi, oamenii de la nivelul solului, nu am avea poziţia corespunzătoare observării curcubeului. Unghiul de 42˚ se datorează felului în care cele două refracţii succesive se produc la contactul luminii albe cu picăturile de apă.

Curcubeele circulare: dacă observatorul se află la foarte mare altitudine, de exemplu într-un avion, curcubeie circulare pot fi văzute atunci când unghiul format de Soare, picăturile de apă şi avion este între 40o şi 42o. În acest caz curcubeul este orizontal, adică paralel cu solul, neputând fi blocat de suprafaţa Pământului.

Sfarsit!