III.1. Dispersia luminii.

OPTICA este o ramură a fizicii care studiază natura, proprietățile și fenomenele suferite de lumină.

Optica este alcătuită din trei părți:
1. Optica geometrică care operează cu raze de lumină (direcțiile de propagare ale luminii), neluând în considerare natura luminii. Ca fenomene studiate avem reflexia, refracția și reflexia totală a luminii.
2. Optica ondulatorie studiază fenomenele de interferență, difracție și polarizare, în care se relevă caracterul de undă al luminii, mai precis ca undă (radiație) electromagnetică.
3. Optica fotonică (corpusculară) studiază efectul fotoelectric, efectul Compton, emisia și absorbția luminii etc. care scot în evidență natura corpusculară a luminii (fotoni).

Dispersia luminii albe a fost studiată prima dată de către Newton în 1672, când a obținut spectrul luminii albe pe o prismă optică.

👀 Experiment: Dispersia luminii și curcubeul

Materiale necesare:
Prismă optică, lumină solară

Descrierea experimentului:

• Așază prisma optică în dreptul razelor de lumină și rotește prisma până apare un curcubeu.
• Ce observi?

  Lumina provenită de la Soare este albă, iar când iese din prismă este colorată în culorile curcubeului.

Concluzia experimentului:
Lumina albă este descompusă de prismă în cele șapte lumini ale curcubeului.

Fenomenul de variație a indicelui de refracție cu lungimea de undă se numește dispersia luminii.

Astfel, când lumina trece printr-o prismă, ea se descompune în fascicule colorate în culorile curcubeului.

Prin vid toate undele electromagnetice se propagă cu aceeași viteză, indiferent de lungimea lor de undă și prin urmare spunem că vidul este un mediu nedispersiv. Dacă prisma ar fi vidată, un fascicul de lumină albă nu s-ar descompune, ci numai ar fi deviat de la direcția incidentă prin fenomenul de refracție (adică schimbarea direcției de propagare la trecerea dintr-un mediu în altul).

Indicele de refracție (notat cu n) al unui mediu transparent este dat de raportul dintre viteza luminii în vid (c) și viteza luminii în mediul repectiv (v).

n = c/v
c = viteza luminii în vid = 300.000.000 m/s
v = viteza luminii în mediul respectiv

Indicele de refracție este o constantă de material, care se ia dintr-un tabel, fiind specific fiecărei substanțe transparente (vezi tabelul de mai jos).

Toate mediile transparente (apa, sticla, diamantul etc.) caracterizate de un anumit indice de refracție mai mare decât unu, produc dispersia luminii.

Dar indicele de refracție este constant numai pentru lumina monocromatică.

Pentru lumina albă, alcătuită din șapte radiații de culori diferite și lungimi de undă diferite, indicele de refracție nu mai este constant, ci variază cu lungimea de undă a acestor lumini.

Dacă indicele de refracție al unei prisme variază, prisma va refracta sub diferite unghiuri aceste lumini.

În general, la difuzia normală, în aceste medii transparente indicele de refracție crește cu scăderea lungimii de undă, astfel razele violete (au o lungime de undă mai mică, 400 nm) vor fi refractate mai puternic decât cele roșii (cu lungimea de undă mai mare, 700 nm, decât cele violet).

Dacă λ_violetă < λ_roșie → n_violetă > n_roșie → v_violetă < v_roșie.

Fasciculele colorate trec prin prismă cu viteze diferite și de aceea ies din prismă sub unghiuri diferite.

Razele violet ies mai puțin înclinate față de axa optică, deoarece se propagă cu o viteză mai mică prin materialul prismei decât raza roșie, străbătând în același timp o distanță mai mică decât cea roșie.

🔦 Observație

Există în număr mic substanțe (vapori de iod) care produc o dispersie anormală (n crește cu creșterea λ).

Dacă se compară spectrele obținute cu ajutorul prismelor cu unghiuri refringente egale, dar din materiale diferite (cu indici de refracție diferiți) se observă că :

• spectrele obținute sunt deviate cu unghiuri diferite datorită dependenței unghiului de refracție de lungimea de undă;
• spectrele obținute se întind pe lungimi diferite datorită dispersiilor diferite a substanțelor din care sunt confecționate prismele.