Disperze světla a duha

Disperze světla

Disperze světla je závislost rychlosti šíření světla (a tedy i indexu lomu) na vlnové délce světla (tj. barvě světla).

Na grafu je znázorněn případ normální disperze světla, kdy se vzrůstající vlnovou délkou (směrem k červené barvě), klesá index lomu, a tedy se světlo méně láme. Fialová barva se láme nejvíce, červená nejméně. Velmi významně se to projeví v případě, že bílé světlo (tedy směs různých vlnových délek) prochází skleněným hranolem. Poprvé dojde k lomu, když světlo vstoupí do hranolu a už v tuto chvíli každá barva (vlnová délka) pokračuje pod trochu jiným úhlem. Jev se ještě zvýrazní při výstupu světla z hranolu. Světlo vychází rozložené na spektrum (duhu) jednotlivých vlnových délek (barev).

Kromě výše popsané normální disperze světla jeví některé materiály i anomální disperzi světla. Při anomální disperzi index lomu látky se vzrůstající vlnovou délkou neklesá, ale naopak roste. Vhodnou kombinací materiálů lze tak dosáhnout stavu, že všechny vlnové délky (barvy) se lámou ve výsledku stejně. To je velmi důležité pro správnou funkci objektivů optických přístrojů jako jsou fotoaparáty, dalekohledy, mikroskopy a projektory.

Duha

Krásným přírodním úkazem je duha.

Duha vzniká v důsledku lomu a disperze slunečního světla na dešťových kapkách. Ujasněme si nejprve, jaký tvar mají padající dešťové kapky.

V knihách Ondřeje Sekory padají na Ferdu mravence dešťové kapky "kapkovitého" tvaru. Je to roztomilé, ale bohužel fyzikálně nesprávné. "Kapkovitý" tvar mají vodní kapky těsně před tím, než odkápnou například ze špatně těsnícího místa na vodovodu, nebo když stékají po skle a vlivem tření o sklo se část vody při stékání opožďuje. Volně padající kapky jsou však kulaté!

Světlo může projít kulatou kapkou následujícím způsobem.

Při vstupu slunečního světla do kapky vody dochází k lomu. V důsledku disperze se fialový paprsek lomí nejvíce a červený nejméně. Ostatní (oranžový, žlutý, zelený a modrý), které nejsou na obrázku zakresleny, jsou mezi nimi. Potom se paprsky odrazí od zadní stěny kapky. Zákon odrazu platí naprosto stejně pro všechny vlnové délky (tj. barvy). Nakonec dojde k lomu při výstupu paprsku z kapky ven. Tento lom je opět pro každou barvu trochu jiný. V důsledku popsaných jevů se světlo vrací od kapky zpět odkloněné od původního směru o úhel v rozmezí 40° (fialová barva) až 42° (červená barva). A jak tedy vzniká duha?

Z jedné strany (na obrázku je to levá strana) musí svítit Slunce, na druhé straně (pravá strana) musí pršet, aby tam byly dešťové kapky. Světlo se z dešťových kapek rozptyluje zpět a to tak, že z dané kapky míří každá barva trochu jiným směrem. Pozorovatel však vidí velké množství kapek. Z některých k němu přichází červené světlo (tj. pozorovatel vidí červenou barvu), z jiných přichází oranžové světlo, z dalších pak žluté, zelené, modré a fialové. Stejné podmínky pro tyto barvy jsou vytvořeny vždy na kruhovém oblouku jehož osa je daná přímkou, na které se nachází Slunce a pozorovatel. Pozorovatel tak vidí barevný oblouk. Někdy, pokud neprší všude, kde je to potřeba, vidíme jen část oblouku, jindy vidíme celý oblouk. S dobrým fotografickým vybavením lze i celý oblouk vyfotografovat.

Výše uvedený obrázek vyfotografoval můj bývalý žák Stanislav Duben. Můžete se zamyslet nad tím, kde. Je to v Praze nepříliš daleko od školy, takže to místo asi mnozí poznáte. V pravé části snímku si můžete všimnout slabě viditelné sekundární duhy. Sekundární duha vzniká takto:

Sekundární duha vzniká tak, že se paprsek světla na zadní straně kapky odrazí dvakrát. Protože ty odrazy (ani u primární duhy a ani u sekundární) nejsou úplné, část energie světla se vždy ztratí, respektive vyjde na zadní straně kapky ven. Při dvou odrazech se tak ztratí více světla než při jednom odrazu a tak je sekundární duha mnohem méně zřetelná, často není vidět vůbec. Od směru dopadajícího světla jsou paprsky odkloněny více (52° až 54°), než je tomu u primární duhy a poradí barev v duze je u sekundární duhy obrácené než u primární. Celé to pak vypadá takto:

Primární a sekundární duha