Tęcza, rozproszenie światła białego

TĘCZA, zjawisko opt. w atmosferze ziemskiej; powstaje wskutek załamania, rozszczepienia i całkowitego odbicia światła słonecznego na kroplach deszczu, mżawki lub mgły; ma postać barwnego łuku o barwach od czerwonej (na zewn. części łuku) do fioletowej (na wewn.); często pojawia się również słabszy łuk, tzw. t. wtórna, o odwrotnym układzie barw.

Pomiary prędkości światła monochromatycznego w ośrodkach materialnych dowodzą, że prędkość światła w ośrodkach zależy od częstotliwości światła. Zjawisko to nazywamy dyspersją światła. Tylko w próżni prędkości wszystkich fal elektromagnetycznych są jednakowe.
Zależność prędkości fali od częstotliwości nie jest jednakowa dla wszystkich ośrodków. Na skutek zależności prędkości światła od częstotliwości, światło złożone ulega na granicy ośrodków rozczepieniu.
Kąty załamania różnych monochromatycznych składowych światła złożonego są różne. Najłatwiej to zaobserwować rzucając na pryzmat szklany wiązkę światła białego. Na ekranie umieszczonym za pryzmatem powstaje wielobarwne pasmo zwane widmem. Widmo otrzymywane za pomocą pryzmatów szklanych przypomina widmo otrzymywane za pomocą siatki dyfrakcyjnej. Układ barw w obu rodzajach widm jest jednak odwrotny: w widmie otrzymanym za pomocą pryzmatu najbardziej odchylone od pierwotnego
kierunku są promienie fioletowe, a najmniej czerwone. Różnica kątów odchylenia w pryzmacie zależy od współczynnika załamania oraz od kąta łamiącego pryzmatu i kąta padania światła. Rozczepienie światła jest tym wyraźniejsze, im większe są oba te kąty. Pryzmaty podobnie jak siatki dyfrakcyjne mogą służyć do analizy światła złożonego oraz do wytwarzania
światła monochtomatycznego.

Kartezjusz pierwszy wyjaśnił zjawisko tęczy w swoim trakcie opublikowanym w 1637 roku. wielu ludzi, którzy zastanawiali się nad pochodzeniem tęczy, wiedziało że powstaje ona kiedy światło słoneczne pada na krople deszczu. Kartezjusz zdał sobie sprawę że w części zależy to od rozmiaru kropelek deszczu Postanowił przeanalizować drogę promieni świetlnych przechodz±cych przez bardzo durz± kroplę deszczu, np: przez durze naczynie napełnione wod±. Na podstawie teoretycznych rozważań doszedł do wniosku że jaskrawa tęcza powstaje wtedy, gdy światło wchodzi do kulistej kropli wody, odbija się wewn±trz niej i wychodzi na zewn±trz. Czasami łukowi głównemu towarzyszy łuk wtórny. Pojawiaj±cy się po zewnętrznej stronie głównego łuku. Rozumowanie Kartezjusza nie było tylko teoretyczn± spekulacj±. Warto je dokładnie prześledzić by zrozumieć zjawisko tęczy. Wykreślił on mianowicie drogi licznych równoległych promieni, które przechodz± przez kulist± kroplę wody. Aby tego dokonać musiał wiedzieć, w jaki sposób promień światła jest odbity do pierwotnego kierunku podczas przekraczania granicy pomiędzy powietrzem a wod±. Holenderski uczony odkrył matematyczne prawo załamania światła szesnaście lat przed publikacj± Kartezjusza. Holender zmarł jednak nie ogłosiwszy jednak swej pracy. Traktat Kartezjusza zawierał miedzy innymi wprowadzenia prawa załamania światła, jego autorstwo przypisał Kartezjusz sobie.

Efekt optyczny - czasami otrzymywane są skargi dotyczące pojawiania się "tęczy" barwnych wzorów w szybach zespolonych. Nie są one spowodowane przez wady szkła czy brud na szkle, ale są wyłącznie efektem optycznym wywołanym przez fale światła interferujące pomiędzy sobą, kiedy przechodzą poprzez szybę zespoloną lub są od niej odbijane. Rozróżnia się zwykle dwa typy prążków znanych jako Prążki Brewstera i Prążki Newtona. Prążki Brewstera są bardziej widoczne w zestawach wykonanych ze szkła float niż w zestawach wykonanych ze szkła ciągnionego. Powodem tego jest fakt, że szkło float ma optycznie prawie płaskie powierzchnie i grubość szkła jest bardziej jednolita. Zazwyczaj wzory te są widoczne tylko, wtedy kiedy zestaw jest oglądany pod kątem. W przypadku Prążków Newtona wzory są widziane tylko w centrum zestawu i są kształtu kolistgo lub eliptycznego. Ich obecność wskzuje na wadliwy zestaw, kótry powinien być naprawiony lub wymieniony.

Pierwsze naukowe wyjaśnienie powstawania Tęczy było dziełem Arystotelesa. Zakładało ono, że zjawisko to jest powodowane załamaniem się promieni świetlnych na kroplach deszczu. Jednak w r. 1253 Robert Grosseteste prowadzący badania w Oxfordzie wykazał, że Arystotelesowskie wyjaśnienie jest niewystarczające. Tłumaczyło ono sferyczną formę tęczy, ale nie jej kolor. Eksperymenty Grossetesta z wypełnionymi wodą szklanymi sferami pokazywały, jak promienie Słońca rozszczepiały się na kropli wody i jak towarzyszył temu zanik białego światła na rzecz kolorowych warstw. Doświadczenie kontynuował franciszkanin Roger Bacon (ok. 1292), który studiował formowanie się obrazów oglądanych przez naczynia z wodą, co odpowiadało działaniu soczewki. Pod koniec stulecia prace te zaowocowały poprawną jakościowo teorią wyjaśniającą tęczę, opracowaną przez niemieckiego dominikanina Dietricha z Fryburga.
Tęcza powstaje przez rozszczepienie światła białego i odbicie go wewnątrz kropel deszczu. Łuk pierwszy to wynik jednokrotnego, a drugi dwukrotnego odbicia rozszczepionego światła wewnątrz kropli (stąd odwrócona kolejność barw i mniejsze natężenie światła). Zazwyczaj widoczny jest jedynie pierwszy łuk o promieniu zewnętrznym 42,5 stopnia, ułożony symetrycznie wokół przedłużenia prostej łączącej obserwatora ze Słońcem (barwa czerwona na zewnątrz, fioletowa wewnątrz). Drugi łuk ma promień zewnętrzny 54 stopnie i odwróconą kolejność barw.